樁基工程玻璃鋼包覆防護技術

聶亞楠,陳克偉,張悅然,王成啟

(中交上海三航科學研究院有限公司,上海 200032)

樁基工程玻璃鋼包覆防護技術

聶亞楠,陳克偉,張悅然,王成啟

(中交上海三航科學研究院有限公司,上海 200032)

對國內采用玻璃鋼包覆樁基礎浪濺區及水位變動區作為耐海水腐蝕措施的海洋工程進行了現場調研；采用質量變化率試驗，研究了海水向玻璃鋼內部的擴散行為；并采用Fick第二擴散定律對玻璃鋼包覆層的耐海水滲透壽命進行預測，建立了玻璃鋼包覆層厚度與耐海水滲透壽命之間的關系。結果表明：海水向玻璃鋼內部的擴散行為符合Fick第二擴散定律，2 mm厚的189不飽和聚酯玻璃鋼的耐海水滲透壽命約為36 a，2 mm厚的MFE-2環氧乙烯基酯玻璃鋼的耐海水滲透壽命可達60 a，玻璃鋼包覆層表現出了優異的耐海水腐蝕性能。

樁基礎；玻璃鋼；包覆；防腐蝕

海洋工程中常用的樁基礎主要有鋼管樁、大管樁和PHC管樁。海水中的氯離子是強腐蝕性物質，這使得直接暴露于海水中的鋼管樁易發生電化學腐蝕，造成結構破壞[1]。對預應力鋼筋混凝土大管樁及PHC管樁來說，當鹽分滲進混凝土達到鋼筋表面時，會造成鋼筋銹蝕和體積膨脹，致使混凝土脹裂、剝落、造成結構破壞[2]。處于潮差區段的樁基礎直接處于海水腐蝕最嚴重的區域，是整個結構中最易遭受侵蝕破壞的部位，樁基礎耐久性下降、使用壽命縮短的問題成為制約大型海洋工程結構使用壽命的瓶頸[3]。采用耐蝕鋼材、高性能混凝土等，可使樁基礎的服役壽命達到50 a[4]。但隨著工程質量要求的日益提高，一些大型碼頭、跨海大橋等重要結構的設計使用壽命要求達100 a甚至120 a以上，因此必須采取附加防護措施才能保證工程結構耐久性的要求[5]。而且附加的防護方法需保證樁基在海洋環境中服役50 a內不應發生氯離子滲透。目前工程中常用的附加防護措施是在樁基礎表面涂刷防腐蝕涂料，形成防護涂層，將樁基礎與海水隔離，但防護涂層的壽命一般為15～20 a，難以滿足50 a以上高耐久性的要求。

玻璃鋼(GFRP)是由玻璃纖維作增強材料和樹脂作粘結劑復合而成的一種新型材料，具有輕質高強、耐蝕性好、成型方式靈活等優點，尤其是其優異的耐蝕性，適用于海洋腐蝕環境中[6-7]。日本及歐洲等國家都將玻璃鋼納入了具有50～100 a使用壽命的材料范疇[8]。采用玻璃鋼對樁基礎的浪濺區和水位變動區進行包覆是一種行之有效的附加防腐蝕措施，它比涂層等防護措施具有更好的耐久性和力學性能[9]。本工作通過現場調研、理論計算、玻璃鋼包覆施工、全壽命成本分析等方面系統研究了樁基工程玻璃鋼包覆的防腐蝕效果，以期為樁基工程玻璃鋼包覆的設計與施工提供借鑒。

1 試驗

1.1 工程調研

選擇已服役一定年限的采用玻璃鋼包覆大管樁浪濺區及水位變動區的工程進行現場調研，肉眼檢查玻璃鋼表面光澤、外觀腐蝕情況，開片取樣檢測玻璃鋼的彎曲強度保留率，并磨取大管樁表層1～2 mm的混凝土，檢查氯離子滲入情況以及樁基礎表面腐蝕情況。

1.2 玻璃鋼試樣制備

采用手糊成型工藝，將不飽和聚酯樹脂189(江蘇亞邦化工集團有限公司)和環氧乙烯基酯樹脂MFE-2(華東理工大學華昌聚合物有限公司)分別與EWR400無堿玻璃纖維布(常州樺立科新材料有限公司)、過氧化甲乙酮(阿克蘇諾貝爾化學品(寧波)有限公司)、異辛酸鈷(上海涂料有限公司長風化工廠)制備成厚度約為2 mm的189不飽和聚酯玻璃鋼(以下簡稱189 GFRP)和MFE-2環氧乙烯基酯玻璃鋼(以下簡稱MFE-2 GFRP)。

1.3 質量變化率(吸水率)

按GB/T 1462-2005《玻璃纖維增強塑料吸水性能實驗方法》制備玻璃鋼試樣，玻璃鋼試樣除了上下表面外的其余4個面用耐水環氧樹脂包覆后進行浸泡試驗，試驗介質為3.5%(質量分數，下同)NaCl溶液，采用海鹽和去離子水配制而成，試驗溫度為25 ℃。質量變化率以浸泡后試樣的質量相對于初始試樣質量的百分比表示。

1.4 單面質量變化率(單面吸水率)

將玻璃鋼試樣除了上表面外的其余5個面用耐水環氧樹脂包覆后進行浸泡試驗，試驗條件同1.3。

2 結果與討論

2.1 工程調研

在2006年、2013～2015年間先后對中交第三航務工程局寧波分公司生產的浪濺區及水位變動區包覆189 GFRP(包覆厚度為1.68～1.80 mm)的大管樁的防腐蝕效果進行了現場調研，結果見表1。玻璃鋼防護層彎曲強度保留率與服役時間的關系如圖1所示。

由表1可見，浪濺區及水位變動區的玻璃鋼在海洋環境中服役18 a后除表面光澤減弱，表面發白以外，未出現可見破損腐蝕，玻璃鋼仍具有較高的彎曲強度保留率。在包覆的樁基礎表層混凝土中未檢出氯離子滲入，樁基礎沒有出現腐蝕現象。這表明：玻璃鋼具有優異的耐海水腐蝕性能，采用玻璃鋼包覆樁基礎的浪濺區及水位變動區是十分有效的。

由圖1可見，玻璃鋼防護層的彎曲強度保留率在初始階段下降較快，以后則逐漸趨于平緩。前10年彎曲強度保留率迅速下降，是由水分子滲透造成的。水分子通過表面孔隙或極性官能團吸附逐漸向玻璃鋼內部滲透，水分子破壞了纖維/樹脂基體界面間的作用力，所以玻璃鋼的彎曲強度保留率迅速下降。15 a后，玻璃鋼的彎曲強度保留率幾乎不再下降，這是因為水分子向玻璃鋼內部的滲透達到飽和狀態，水分子對纖維/樹脂基體界面間作用力的破壞作用趨于完成，玻璃鋼達到濕態極限彎曲強度[10]。樹脂含量測試結果顯示，服役18 a后玻璃鋼防護層的樹脂含量與初始樹脂含量相同，未發生溶解腐蝕破壞，所以玻璃鋼保護層的彎曲強度保留率幾乎不再下降。

表1 大管樁玻璃鋼包覆防腐蝕效果Tab. 1 Anti-corrosion effect of piles foundation wrapped by GFRP composites

圖1 服役時間對玻璃鋼防護層彎曲強度保留率的影響Fig. 1 Effect of service time on bending strength retention rate of GFRP composites

2.2 質量變化率

由圖2可見，189 GFRP和MFE-2 GFRP的質量變化率都隨浸泡時間的延長先升高后下降，最后保持不變。玻璃鋼在海水中的質量變化包含質量增加的擴散滲透過程和質量減小的玻璃鋼內部可溶性化合物向溶液中擴散的過程[11]。初始階段，水分子、Na+、Cl-通過玻璃鋼表面的孔隙或極性官能團吸附向玻璃鋼內部擴散，擴散速率大于玻璃鋼內部可溶性化合物向溶液中擴散的速率，質量變化率增加。中間階段，可溶性化合物向溶液中擴散的速率增加，超過水分子、Na+、Cl-向玻璃鋼內部擴散的速率，質量變化率下降。最后階段，可溶性化合物幾乎擴散完畢，水分子、Na+、Cl-向玻璃鋼內部擴散的速率與玻璃鋼內部吸附的水分子、Na+、Cl-向溶液中擴散的速率平衡，質量變化率不再變化。浸泡時間相同時，189 GFRP的質量變化率大于MFE-2 GFRP的，這表明水分子、Na+、Cl-向189 GFRP內部擴散更容易。這兩種玻璃鋼的孔隙率相差不多，質量變化率的差異主要是由分子結構中的親水性基團酯基的密度不同造成的，MFE-2環氧乙烯基酯樹脂分子鏈上酯基的密度約為189不飽和聚酯樹脂分子鏈上酯基的1/3，所以水分子向MFE-2 GFRP內部擴散更困難[12]。

圖2 浸泡時間對質量變化率的影響Fig. 2 Effect of immersion time on mass variation rate

初始階段，這兩種玻璃鋼試樣的質量變化率與浸泡時間(以s1/2為單位)都呈線性關系，與Fick擴散行為一致[13]，這表明，玻璃鋼在NaCl溶液中的擴散行為符合Fick第二擴散定律。由圖3可見，單面擴散質量變化率在初始階段與浸泡時間(以s1/2為單位)也呈線性關系，符合Fick第二擴散定律。

圖3 單面擴散質量變化率擬合曲線Fig. 3 Fitting curves of unilateral diffusion mass variation rate

2.3 擴散系數

由于玻璃鋼在海水中的質量變化率及單面擴散質量變化率在初始階段符合Fick第二擴散定律，因此水分子、Na+、Cl-向玻璃鋼內部擴散的復合擴散系數D可按式(1)計算[14]：

式中:x為玻璃鋼試樣的厚度；M∞為玻璃鋼試樣的最大質量變化率，%；M1為玻璃鋼試樣t1時間的質量變化率，%；M2為玻璃鋼試樣t2時間的質量變化率，%。

由于包覆在樁基礎表面的玻璃鋼防腐蝕層在服役過程中，僅外表面與海水接觸，內表面與樁基礎表面密封黏結，海水向玻璃鋼內部的擴散是單方向的?？梢酝ㄟ^玻璃鋼試樣在海水中單面浸泡的質量變化率以及玻璃鋼試樣的最大質量變化率計算單方向擴散系數。由圖2曲線的最大質量變化率數據和圖3曲線的斜率代入公式可求得189 GFRP和MFE-2 GFRP在海水中的擴散系數分別為3.47×10-11cm2/s、2.09×10-11cm2/s。擴散系數顯示了海水向玻璃鋼內部擴散速率的快慢，是表征海水向玻璃鋼內部擴散速率的重要參數，對研究玻璃鋼防腐蝕層的失效時間具有重要意義。

2.4 耐海水滲透壽命預測

玻璃鋼在海水中的質量變化率符合Fick第二擴散定律，水分子、Na+、Cl-向包覆在樁基礎表面的玻璃鋼防腐蝕層內部的擴散為單方向擴散，且符合Fick第二擴散定律[15],見式(2)：

式中:?C/?t為由表面沿垂直表面方向上的濃度梯度；C為擴散介質的質量分數，%；t為擴散時間，s；D為擴散系數。

假設玻璃鋼保護層的厚度為無限大，初始條件及邊界條件為：C(x，t)=C0；C(0，t)=Cs；C(∞，t)=C0(x為玻璃鋼的厚度，擴散方向為正方向，x≥0；t為擴散時間，s；C0為玻璃鋼內部擴散介質的初始質量分數，%；Cs為玻璃鋼表面擴散介質的質量分數，%)。

根據邊界條件求解偏微分方程，結果見式(3)：

根據高斯誤差函數的性質，當η﹤0.6時，η≈erfη，所以式(4)可簡化為式(5)：

式(5)是在假設玻璃鋼包覆層厚度為無限厚的條件下得到的，但對于擴散中的介質來說，包覆層的厚度并不影響介質的擴散行為，把在無限厚的玻璃鋼中擴散的介質在某一具體厚度中取出來，介質的擴散行為是不受影響的。因此，這個公式也適用于厚度有限的玻璃鋼包覆層。

根據式(5)及2.3節得到的擴散系數計算包覆厚度為2 mm的189不飽和聚酯玻璃鋼和MFE-2環氧乙烯基酯玻璃鋼的耐海水滲透壽命見表2。

由表2可見，2 mm厚的189 GFRP的耐海水滲透壽命為36 a，2 mm厚的MFE-2 GFRP的耐海水滲透壽命可達60 a，完全滿足海洋工程高耐久性的要求。

表2 玻璃鋼耐海水滲透壽命Tab. 2 Life resistant to seawater permeation of GFRP composites

2.5 玻璃鋼防腐層包覆厚度設計

由式(5)可知，玻璃鋼的防腐蝕壽命與擴散系數及包覆厚度有關。不同類型玻璃鋼的擴散系數不同，玻璃鋼包覆設計的厚度也不相同。同種玻璃鋼的擴散系數是恒定的，設計壽命與玻璃鋼包覆厚度成正比關系。常用的189 GFRP和MFE-2 GFRP的設計防腐蝕壽命與玻璃鋼包覆厚度的關系如表3所示。

表3 設計防腐蝕壽命與玻璃鋼包覆厚度的關系Tab. 3 Relation of design service life and thickness of GFRP composite layer

3 結論

(1) 對國內不同服役年限的玻璃鋼包覆的樁基工程進行了現場調研，通過外觀檢測、開片檢查及取樣分析，服役18 a的玻璃鋼沒有出現氯離子滲透及樹脂基體溶解腐蝕現象，玻璃鋼在服役15 a后達到濕態極限彎曲強度。

(2) 采用Fick第二擴散定律理論建立了玻璃鋼耐海水滲透壽命與擴散系數和包覆厚度之間的關系，2 mm厚的189 GFRP的耐海水滲透壽命為36 a，2 mm厚的MFE-2 GFRP的耐海水滲透壽命高達60 a。

(3) 采用玻璃鋼對樁基礎的浪濺區及水位變動區進行包覆是一項行之有效的高耐久性防腐蝕技術，能完全滿足海洋工程高耐久性的要求，對提高樁基礎在海洋環境中的耐久性具有重要意義。

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Protection Technology of Piles Foundation Engineering Wrapped with Glass Fiber Reinforced Plastic Composites

NIE Ya-nan, CHEN Ke-wei, ZHANG Yue-ran, WANG Cheng-qi

(CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science & Technology Research Institute Co., Ltd., Shanghai, 200032, China)

Field research was conducted to evaluate the national piles foundation engineering that adopted glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite layer as anti-corrosion measures in splash and tide zones. Mass variation rate method was used to study the diffusion behavior of seawater to GFRP composites. The second Fick's law of diffusion was used to predict the service life of GFRP composite layer, and the relationship between service life and thickness of GFRP composite layer was built. Results showed that the diffusion behavior of seawater to GFRP composites conformed to the second Fick's law of diffusion. With the thickness of 2 mm, the life resistant to seawater penetration of 189 GFRP composites was about 36 years; while the MFE-2 epoxy vinyl ester based GFRP composites was about 60 years. The GFRP composites showed excellent anti-corrosion property to seawater.

piles foundation; glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite; wrapping; anti-corrosion

10.11973/fsyfh-201703016

2015-10-30

王成啟(1964-)，教授級高工，博士，主要研究方向為工程建筑材料，wcqtju@163.com

TQ323.4+2

A

1005-748X(2017)03-0235-05