用于钢筋应用的玻璃纤维增强聚丙烯 (GFRPP) 预浸带的海水耐久性

《Construction and Building Materials》：Marine durability of glass fiber-reinforced polypropylene (GFRPP) prepreg tapes for reinforcing bars applications

　　

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  对GFRPP预浸带和PP树脂进行系统加速老化试验，评估其海洋耐久性。
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  PP树脂表现出优异的海洋耐久性，12周后强度保持率超过92%。
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  GFRPP预浸带表现出严重的拉伸性能退化，对温度和碱盐环境敏感。
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  纤维-基体界面脱粘是预浸带性能失效的主导因素。

引言

随着全球海洋资源开发和海岸基础设施建设的快速发展，港口码头、跨海大桥、海上风电场和人工岛等结构的大量涌现，对建筑材料的耐久性提出了严峻挑战。然而，传统钢筋混凝土（RC）结构在高盐、高湿的海洋环境中面临严重的钢筋腐蚀问题。腐蚀导致的混凝土膨胀和开裂、钢材力学性能的退化以及钢-混凝土界面粘结的恶化，严重威胁了结构的安全性和可靠性[1]、[2]。混凝土结构中钢材腐蚀造成的年度经济损失约占全球GDP的3%，高达2.2万亿美元[3]。

混凝土结构中的钢筋在海洋环境中长期服役后会出现显著的性能退化，危及结构安全并缩短使用寿命。为解决这一关键问题，近年来纤维增强聚合物（FRP）筋因其优异的耐腐蚀性而受到广泛研究，被认为是替代钢材的理想材料[4]、[5]。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋由于其低成本、高比强度和成熟的制造技术，是土木工程中最广泛使用的FRP筋。然而，GFRP筋的耐久性设计已成为限制其在恶劣海洋和碱性混凝土环境中大规模应用的主要瓶颈。大量研究已证实，传统热固性树脂基GFRP复合材料在腐蚀条件下会发生力学性能退化[6]、[7]、[8]。环氧树脂作为最常用的基体，含有大量亲水极性基团（如羟基），在水和碱性溶液中容易发生不可逆水解和溶胀[9]。既往研究表明，环氧基GFRP在60°C下浸泡90天后的拉伸强度保持率仅为70%–80%[10]，而环氧结构胶粘剂[11]在相同条件下的耐久性更差，强度保持率低于50%。相比之下，热塑性聚丙烯（PP）树脂具有非极性分子结构，以惰性的C-C和C-H键为主，赋予其优异的化学稳定性、耐水性和耐碱性[12]。与热固性GFRP相比，PP基GFRP（GFRPP）具有更优异的水解抵抗力、可回收性和可再成型性，符合可持续工程目标。此外，GFRPP具有更高的断裂韧性和抗冲击性，降低了脆性断裂的隐患。与玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）相比，GFRPP的原材料成本更低且耐腐蚀性相当；与碳纤维增强聚合物（CFRP）相比，GFRPP为预应力增强提供了成本显著更低的替代方案。这些独特优势使GFRPP成为海洋工程下一代耐腐蚀增强材料的有力候选者。

然而，与热固性GFRP复合材料相比，关于GFRPP复合材料耐久性的研究仍然极其匮乏，现有研究存在几个关键局限性，阻碍了其实际工程应用。尽管已对传统GFRP筋在各种水泥基环境（包括再生混合混凝土（RMC）和LC3混凝土体系）中进行了大量研究[13]、[14]，并证明了降低暴露pH值对GFRP耐久性的有益影响[15]，但热塑性基体基GFRPP复合材料在此类环境中的退化行为仍然知之甚少。近年来，越来越多的学者将注意力转向GFRPP筋的耐久性。Wang等[16]系统研究了GFRPP筋在室温碱溶液和高温酸碱盐复合溶液中的退化行为，发现GFRPP筋在碱性环境中的性能退化速率显著高于酸性环境和盐环境。Robert等[17]对自来水及盐溶液浸泡条件下的GFRPP层压板进行了冻融循环试验，证实了盐离子加剧了纤维-基体界面退化，导致层压板的弯曲性能下降。Zhou等[18]比较了不同腐蚀环境下GFRPP筋的层间剪切性能，揭示了其退化机制，并优化了拉挤工艺参数。Xu等[19]研究了海洋环境下GFRPP筋的横向剪切性能并预测了其使用寿命。Xian等[20]研究了碱性环境中弯折GFRPP筋的耐久性，发现其180天拉伸强度保持率为20.6%–56.0%，且失效模式出现显著转变。Zhou等[21]通过加速试验揭示了盐溶液和碱盐复合溶液中浸泡的GFRPP筋的拉伸失效机制，并基于Arrhenius方程建立了长期拉伸强度预测模型。Liu等[22]研究了不同应力上限和应力范围内GFRPP筋的疲劳性能，确定了不同失效模式的应力界限。

尽管如此，尽管在了解GFRPP筋长期性能方面取得了显著进展，但所有现有研究都将成品GFRPP筋视为整体复合材料体系，评估其整体退化行为。没有任何研究系统调查GFRPP筋的基本组成材料——即PP树脂基体和GFRPP预浸带——的独立耐久性，而这些材料从根本上决定了最终复合产品的性能和使用寿命[23]、[24]。

作为将玻璃纤维粘结在一起并在纤维之间传递载荷的连续相，PP树脂的固有耐久性是GFRPP复合材料耐久性的基石。尽管既往研究曾提及聚丙烯的官能团变化作为退化因素之一[20]、[25]，但几乎没有任何专门的研究来表征纯PP树脂在腐蚀环境下的长期力学性能演化和微观退化机制。这使得无法定量区分树脂基体退化、玻璃纤维刻蚀和界面脱粘对GFRPP筋整体性能损失的各自贡献[26]。

更重要的是，GFRPP预浸带是制造拉挤GFRPP筋的核心中间产品。预浸带制造过程中引入的固有缺陷（如微裂纹和微孔）以及纤维浸润不完全，为腐蚀介质渗透提供了优先通道，并主导了最终复合材料的初始退化速率[27]。然而，已发表的文献很少报道GFRPP预浸带的耐久性。这些基本组分的耐久性基础数据缺乏，严重阻碍了对GFRPP筋固有退化机制的准确揭示以及可靠使用寿命预测模型的建立。同时也阻碍了从原材料选择和制造工艺改进角度对GFRPP筋耐久性进行针对性优化[28]、[29]。

为解决上述问题，本研究采用加速老化试验，系统研究了PP树脂和GFRPP预浸带在去离子水（DW）和碱盐溶液（AS）中、三种温度（25°C、40°C、60°C）下的长期性能。PP树脂试件的暴露时间设为4、8和12周，GFRPP预浸带设为1、2和4周。在每个时间点测试了PP树脂的拉伸和剪切性能，以及GFRPP预浸带的纵向和横向拉伸性能。核心研究重点是，通过分别测试PP树脂和GFRPP预浸带，将GFRPP复合材料的耐久性退化解耦为三个组分层面的机制——树脂基体劣化、玻璃纤维刻蚀和纤维-基体界面脱粘——并系统提出从树脂到GFRPP预浸带的多尺度退化框架。结合扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）获得的微形态和化学成分变化，揭示了两种材料的退化机制。研究结果为GFRPP筋在海洋混凝土结构中的耐久性设计提供了基础数据和理论支持。

章节摘要

PP树脂

PP树脂在室温下呈颗粒状，如图1所示，这与环氧和乙烯基酯等传统液体热固性树脂有显著区别。PP树脂的密度为0.9 g/cm3，熔体流动指数为75 g/10 min，成型收缩率为1.7%。由于PP在室温下保持固态，无法直接浇铸成试件。因此，PP试件通过MK108立式注塑机注塑成型制造（图...）。

拉伸性能

表2列出了PP树脂在DW和AS环境中的长期拉伸性能。总体而言，PP树脂的拉伸强度和弹性模量随腐蚀温度和老化时间的升高而逐渐降低。DW和AS环境对PP树脂拉伸强度的退化作用较弱，整体呈轻微衰减，最大强度降低为6.8%。相比之下，弹性模量对腐蚀环境、温度和老化时间更为敏感，

结论

本研究系统研究了DW和AS环境中PP树脂和GFRPP预浸带的长期力学性能和微观退化机制。主要结论如下：

• （1）
  PP树脂在DW和AS中表现出优异的耐腐蚀性。在60°C AS中加速老化12周后，拉伸和剪切强度保持率分别保持在93%和92%以上。弹性模量对腐蚀更为敏感，最大退化

CRediT作者贡献声明

Yongzhan Yi：调研，数据整理。Zhishen Wu：指导。Jiazhan Xie：调研，正式分析。Gang Ma：调研，正式分析。Yi Xu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调研，正式分析，数据整理。Jingyang Zhou：撰写——审阅与编辑，方法论，调研，资金获取，概念构思。Xin Wang：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。Zhiyuan

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报道的工作。

致谢

本研究由江苏省前沿技术研发计划（编号：BF2024011）、国家自然科学基金委员会（编号：52471279）、中国博士后科学基金（编号：2025M783257和2025M783258）资助。

Yi Xu|Jingyang Zhou|Xin Wang|Zhiyuan Chen|Jiazhan Xie|Gang Ma|Yongzhan Yi|Zhishen Wu