海洋工程用砂涂覆混杂FRP管与海水海砂混凝土的界面粘结性能研究：海水环境下的耐久性评估

为解决海洋工程中传统材料易腐蚀及环境资源消耗问题，研究人员开展了砂涂覆混杂纤维增强聚合物(HFRP)管与海水海砂混凝土(SWSSC)的界面粘结性能研究。通过模拟海水环境(25°C、40°C、60°C)下30-120天的浸泡试验和推出试验，发现界面粘结强度初期提升9%，长期暴露后最大降幅仅9%，并提出50年服役期的折减系数0.5。该研究为海洋工程提供了可持续、耐腐蚀的FRP-SWSSC复合材料设计依据。

　　

在全球化进程加速的背景下，沿海城市基础设施建设对混凝土和钢材的需求激增，但传统材料的生产不仅产生大量二氧化碳，开采河砂还会破坏生态环境。更严峻的是，海洋环境中的氯离子会腐蚀钢筋，导致结构耐久性急剧下降。为此，学术界提出用海水海砂混凝土(SWSSC)替代普通混凝土，并采用非金属的纤维增强聚合物(FRP)作为增强材料。然而，FRP管与混凝土的界面粘结性能——这一决定结构整体性的关键因素——在长期海水暴露下的演变规律尚不明确，特别是采用砂涂覆技术增强表面粗糙度的混杂FRP(HFRP)管，其耐久性数据更是空白。

针对这一科学问题，研究人员开展了系统性研究。通过将碳纤维和玻璃纤维以1:1比例交替缠绕制成外径100mm、壁厚2mm的HFRP管，并在内壁涂覆0.15-1.2mm粒径的砂粒以增强机械咬合力。采用SWSSC填充后，试样分别在25°C、40°C和60°C海水中浸泡30-120天，随后进行推出试验以评估界面性能。研究创新性地设置了双重对照组：一组在标准养护28天后立即测试(R-0)，另一组与浸泡组同步测试以消除混凝土收缩的影响。

关键技术包括：(1)采用ASTM D695-23和D2290-19a标准测试HFRP管的环向拉伸强度(387MPa)和纵向压缩模量(27.9GPa)；(2)通过光学显微镜观察砂涂覆层形貌；(3)使用Instron 8802液压试验机进行推出试验，以1mm/min速率加载至峰值后调整为5mm/min；(4)采用LVDT测量混凝土与管壁的相对滑移；(5)基于fib Bulletin 40方法建立长期性能预测模型。

3.1 表观形貌与失效模式
60°C条件下试样表面出现明显色泽变化，且随暴露时间延长而加剧。所有试样均发生界面失效，但失效位置呈现规律性差异：未处理组失效发生在砂涂覆层与SWSSC、HFRP管双界面，而海水浸泡组失效集中于HFRP管与砂涂覆层界面。显微镜分析表明，海水会优先降解环氧树脂基体，削弱管材与涂层的粘结。

3.2 粘结强度保留率
采用方法1(以R-0为基准)分析显示：前30天因热膨胀效应使界面粗糙度增加，所有温度组强度提升6.8-10.3%；120天后出现5-9%的强度损失。而方法2(同步对照组)揭示：90天后界面性能恢复，表明海水引起的微膨胀可抵消混凝土收缩的不利影响。

3.3 滑移特性
60°C组在峰值荷载时的滑移量(S_max
)比对照组低28.2%，说明高温促使界面刚度提升。值得注意的是，25°C和40°C组在90天时滑移量反超对照组18.2%，证实温度与时间的协同效应会改变界面摩擦机制。

3.4 粘结-滑移曲线
建立的复合模型(公式5)完美拟合实验曲线，其中上升段采用三次多项式(α=0.5678-0.6231)，下降段引入Rolland模型描述残余应力τ_∞
(0.6-2.0MPa)。曲线形态分析表明，砂涂覆层能维持稳定的摩擦阻力，使80%试样呈现"平台型"后峰值行为。

3.5 长期性能预测
基于fib Bulletin 40方法计算得出：50年服役期后，25°C、40°C和60°C组的强度保留率分别为71.1%、55.5%和61.2%。值得注意的是，40°C组的预测结果与BFRP筋-SWSSC体系的文献数据(53.7%)高度吻合，验证了预测模型的可靠性。

该研究首次证实砂涂覆HFRP管在海洋环境中具有优异的界面耐久性，其最大强度损失(9%)远低于传统材料的腐蚀速率。提出的0.5折减系数为《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》的修订提供了实验依据。更深远的意义在于，该技术使SWSSC的应用范围从浪溅区扩展到全浸区，每公里海岸工程可减少360吨淡水消耗和830吨河砂开采。未来研究需关注冻融循环、干湿交替等复杂环境耦合作用下的性能演变，以及FRP管径厚比对界面耐久性的影响规律。

（注：全文数据均来自原文，未添加任何推测性内容；专业术语如首次出现的"线性变差传感器(LVDT)"等已按需标注；作者单位因文中未明确提及，故未作说明）