海洋環境中CFRP鋼管混凝土復合樁基腐蝕試驗研究

莊 寧， 夏浩瑜， 董洪漢， 李宇翔

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

碳纖維增強復合材料（CFRP）具有輕質、高強、耐腐蝕等特點，有學者依據此種特性，結合鋼材和混凝土材料，提出了一種新型CFRP鋼管混凝土復合樁基結構.目前對CFRP鋼管混凝土復合樁基的研究主要集中在力學特性方面.在靜力方面，對樁基的受彎、受剪、承壓以及扭轉性能進行了研究［1-3］，通過對不同CFRP粘貼層數的樁基進行靜載試驗與數值分析［4-5］，探究了CFRP粘貼層數對樁基承載特性的影響［6-8］，結果表明粘貼CFRP的樁基承載力明顯提高.在動力特性方面，通過樁基快速加載［9］以及抗震性能試驗［10］，對其受沖擊性能和抗震特性進行了試驗研究與數值模擬［11-12］，并分析了CFRP不同層數的影響［13］，結果表明CFRP的粘貼對樁基延展性和抗瞬時沖擊荷載、抗震等方面均有較好的提升.在疲勞特性方面，通過CFRP加固鋼結構梁疲勞試驗［14］，分析了粘貼層數對疲勞性能的影響［15］，結果表明CFRP能有效加強鋼結構梁的抗疲勞性能.此外，在耐火特性、CFRP黏結能力［16-19］等方面也開展了研究，取得了一定的研究成果，但對于樁基在復雜環境下的腐蝕特性研究較少.

在中國沿海的濕熱環境下，樁基極易腐蝕.因此，本文通過室內模擬高濕熱海洋環境，進行CFRP鋼管混凝土復合樁基腐蝕試驗，對其在不同腐蝕程度下的力學性能、腐蝕產物進行研究，以期揭示其在海洋環境中的腐蝕特性與力學性能變化規律.

1 試驗

1.1 CFRP鋼管混凝土復合樁基制作

試驗制作12根CFRP鋼管混凝土復合樁基.根據CFRP粘貼情況，分為3組：U代表未粘貼CFRP的樁基，CE代表粘貼1層CFRP的樁基，CF代表粘貼2層CFRP的樁基.鋼管理論腐蝕率（RL）設計為0%、5%、10%、15%，在試件編號后面加數字來表示RL，如CE-10表 示 粘 貼1層CFRP、RL=10%的 樁基.樁基高度為1 200 mm，外徑為114 mm，鋼管平均壁厚為2.7 mm，內壁澆筑C30混凝土，鋼管設計強度為Q235.CFRP材料彈性模量為2.3×105MPa，抗拉強度為3 450 MPa.另外制作參數與試驗樁基相同的對比樁基，單獨測定其在腐蝕率為2%、4%、6%、9%、12%、14%時的承載力和應變情況.

1.2 室內高濕熱海洋環境模擬系統

高樁碼頭樁基腐蝕區可分為水下區、干濕交替區（潮差區和浪濺區）、大氣區［20］.試驗設計的高濕熱海洋環境模擬系統包含反應室、水位控制模塊、溫度控制模塊、噴霧控制模塊4部分，模擬樁基不同腐蝕區的環境特征［21］.海水按照GB/T 15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗方法》配置.水位控制模塊通過感應器周期性地控制反應室內水位變化來模擬實際水位變動.溫度控制模塊模擬樁基所處位置的高溫環境.噴霧模塊噴灑鹽霧以模擬樁基大氣區氣體環境，鹽霧成分和水箱人造海水成分相同［22］，通過啟動泵、計算機和PLC控制器來控制［23］（圖1）.

圖1 高濕熱海洋環境模擬系統Fig.1 High humidity and thermal marine environment simulation system

1.3 樁基加速腐蝕

實際工程中CFRP鋼管混凝土復合樁基腐蝕過程較緩慢，本文采用外加直流電源進行室內加速腐蝕試驗，在原電池基礎上外加電流來加速反應進行.在電解過程中，陰極上還原物質析出的量與通電強度和時間成正比.樁基的理論質量損失可用下式計算［24］：

式中：m為理論腐蝕質量；M為鐵的相對分子質量；Sa為鋼管橫截面積；i為外加電流密度；t為通電時間；Z為反應電機化學價（+2）；F為法拉第常數，F=96 500 C/mol.

El Maaddawy等［25］的試驗證明，當電流密度小于200 μA/cm2時可較好地模擬實際過程中鋼管的腐蝕形態.故本文外加電流密度設為180 μA/cm2，試驗樁基鋼管等效直徑為2.46 cm.

2 結果與分析

2.1 樁基表面應變

樁基在加速腐蝕的過程中，隨著腐蝕產物的生成，其體積通常會增大6～8倍，引起樁基表面產生膨脹應變［26］.故可通過檢測樁基表面應變的方法來對鋼管腐蝕情況進行分析.為探究不同環境對鋼管腐蝕的影響，沿樁基高度h方向粘貼應變片，應變片測點布置見圖2.測得的樁基表面應變見圖3.

圖2 樁基腐蝕區劃分及應變片測點布置圖Fig.2 Corrosion areas and strain gauge placement points of pile foundation（size：mm）

由圖3可見，不同鋼管理論腐蝕率下，樁基表面應變有著相似的分布規律：干濕交替區表面應變最大，大氣區次之，水下區最小.樁基鋼管腐蝕的本質是電化學腐蝕，海洋中的水分、空氣、氯離子、硫酸根離子等共同作用，形成電解質溶液，為反應提供必要的條件.大氣區由于水分相對缺乏，腐蝕反應較為緩慢；水下區常年沒入水中，海水中的離子主要通過擴散作用進入樁基內，離子擴散速率較為緩慢，同時水下氧氣不足導致氧化反應困難，因而水下區應變最小；干濕交替區由于浪濺、潮汐等因素時刻處于干濕交替狀態，離子通過擴散和對流作用進入樁基內，并有著良好的水分和空氣條件，腐蝕情況最為嚴重［27］.

圖3 樁基表面應變Fig.3 Surface strains of pile foundation

未粘貼CFRP時，樁基U-5、U-10、U-15最大表面應變分別為121.33×10-6、182.60×10-6、230.54×10-6；粘貼1層CFRP后，樁基CE-5、CE-10、CE-15最大表 面 應 變 分別為100.22×10-6、152.71×10-6和168.20×10-6；粘貼2層CFRP后，樁基CF-5、CF-10、CF-15最大表面應變分別為90.33×10-6、127.82×10-6和144.88×10-6.綜上，粘貼CFRP后，各區段表面應變均有所下降.這是因為CFRP能有效隔絕外界腐蝕介質的侵入，減緩腐蝕反應的速率，同時由于腐蝕導致的體積膨脹引起CFRP產生約束力，使得腐蝕產物高度密集［28］，也阻礙腐蝕介質的侵入，使得整個樁基的腐蝕情況有明顯緩解.

2.2 樁基荷載-位移曲線

選取樁基U-0、U-10、CE-10和CF-10，來研究樁基腐蝕過程中承載能力的變化規律.試驗在萬能試驗機上進行，采用單軸加壓，應用程序進行軸向位移控制，逐級加載速率為0.5 mm/min，極限荷載出現后繼續加載5.0 mm位移后停止加載.整個試驗數據由德國的imc動態數據采集儀完成，應變片布置位置見圖2，量程為50 mm，環向布置數量為4，且兩兩對稱，最終得到樁基的荷載-位移曲線，見圖4.

圖4 樁基荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of pile foundation

由圖4可見，對于未粘貼CFRP的樁基U-0，在位移小于1.5 mm時，其荷載增加緩慢.根據SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》，在進行試驗前應在樁基端部涂抹少量的水泥凈漿，而水泥凈漿力學性能較差，并且在樁基U-10、CE-10和CF-10中均存在此種現象.當位移處于2.0～7.0 mm時，樁基U-0荷載增加較快，且該段荷載-位移曲線斜率變化不大，處于彈性階段；繼續加載，樁基U-0的荷載-位移曲線斜率則不斷減小并趨近平直，進入屈服階段；當位移處于12.0 mm左右時，樁基U-0達到極限荷載560 kN，此時鋼管產生破壞，繼續加載則承載能力不斷下降.

由圖4還可見，在鋼管理論腐蝕率為10%時，樁基U-10荷載-位移曲線的極限荷載為439 kN，對應位移處于7.5 mm左右，可見腐蝕明顯降低了極限荷載及其對應的位移；樁基CE-10和CF-10的極限荷載分別為1 020、1 060 kN，說明粘貼CFRP后樁基極限承載力有了明顯的提升，但是層數的增加對軸向承載能力后續的提升并不明顯.這是由于粘貼2層CFRP后雖然進一步增加了樁基環向約束力，但是此時樁基破壞中鋼管破壞起控制作用，鋼管發生破壞后，CFRP的環向約束力并不能完全發揮.此外，圖4中樁基CE-10、CF-10在進入屈服階段后荷載都有1個小幅突降，這是由于樁基在進入屈服階段后部分CFRP隨著鋼管發生了破壞，隨著加載的繼續，剩余的CFRP發生斷裂，這在曲線圖中表現為1個小幅突降.

綜上，樁基的荷載-位移曲線具有較為明顯的彈性階段和屈服階段.樁基在遭受腐蝕后軸向承載力會發生明顯下降，粘貼CFRP能夠顯著增加樁基軸向極限荷載，延緩樁基破壞，延長使用壽命，但是由于鋼管的破壞，粘貼多層CFRP對樁基軸向承載力的提升作用不明顯.

2.3 樁基腐蝕產物

選取鋼管理論腐蝕率為5%、10%、15%的樁基大氣區、干濕交替區和水下區的腐蝕產物，進行X射線衍射（XRD）分析.采用日本理學生產的智能X射線衍射儀，X射線發生器功率為3 kW，Cu靶，試驗結果如圖5～7所示.

圖5 鋼管理論腐蝕率為5%時樁基大氣區腐蝕產物的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of corrosion products in atmospheric area of pile foundation with 5% corrosion rate

由圖5可見：當鋼管理論腐蝕率為5%時，在26.15°、36.74°、47.35°、64.24°處均出現較大的衍射峰，經分析這些特征峰對應的成分主要是Fe2O3和Fe3O4，相比之下，α-FeOOH和γ-FeOOH衍射峰分布相對分散并且較弱；粘貼CFRP后樁基的XRD衍射峰與未粘貼時基本一致，這是由于鋼管和CFRP之間存在一定的孔隙，為腐蝕反應提供了相對自由的發展空間.由圖6可見，當鋼管理論腐蝕率為10%時，XRD衍射峰強度相較于圖5有明顯加強，表明此時有大量Fe2O3、Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH生成，并且衍射峰的極值也隨著CFRP粘貼層數的增加而明顯下降，這是由于可供腐蝕反應自由發展的空間大小是十分有限的，隨著反應的進行，腐蝕產物逐漸填滿孔隙并產生膨脹，鋼管周圍CFRP對腐蝕產物產生約束力［27］.由圖7可見，當鋼管理論腐蝕率為15%時，未粘貼CFRP的樁基U-15在36.74°處的衍射峰要遠遠高于粘貼2層CFRP的樁基CF-15，α-FeOOH衍射強度也有所增強，這表明此時腐蝕已十分嚴重，有大量氧化最為充分的α-FeOOH生成［29］，而α-FeOOH性質較為穩定，可以附著在鋼管表面，在一定程度上減緩腐蝕反應的速率［30］.

圖6 鋼管理論腐蝕率為10%時樁基干濕交替區腐蝕產物的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of corrosion products in dry and wet alternating area of pile foundation with 10%corrosion rate

圖7 鋼管理論腐蝕率為15%時樁基水下區腐蝕產物的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of corrosion products in underwater area of pile foundation with 15% corrosion rate

粘貼CFRP后樁基腐蝕產物成分并未改變.粘貼CFRP后，XRD圖譜中各衍射峰的峰值強度降低，說明粘貼CFRP可減少腐蝕產物的生成，延緩腐蝕速率，并且這種延緩能力隨著CFRP粘貼層數的增加而增強.

2.4 樁基腐蝕階段劃分

通過研究樁基不同腐蝕階段的承載能力、應變變化特征并結合XRD圖譜，可將樁基的力學性能退化劃分為3個階段：一般腐蝕階段、中等腐蝕階段和嚴重腐蝕階段.引入對比樁基的測試數據，得到樁基荷載、應變在不同鋼管腐蝕率下的變化規律，見圖8.

圖8 樁基荷載、應變在不同鋼管腐蝕率下的變化規律Fig.8 Change rule of load and strain of pile foundations under different corrosion rates

由圖8可見，可將鋼管腐蝕率達到9%時作為樁基破壞失效開始的標志；鋼管腐蝕率為0%～4%時樁基處于一般腐蝕階段，此階段樁基腐蝕程度較低，荷載（承載力）下降較小，應變增長不大，腐蝕產物主要 成 分 是Fe2O3、Fe3O4和 少 量 的α-FeOOH、γ-FeOOH；鋼管腐蝕率為4%～9%時對應樁基的中等腐蝕階段，此時樁基的承載力發生突變，應變增長顯著，是腐蝕發生的主要階段，腐蝕產物α-FeOOH、γ-FeOOH含量也明顯上升；鋼管腐蝕率達到9%之后樁基進入嚴重腐蝕階段，最后承載力達到最小值，應變達到最大值，此階段腐蝕產物已經堆積明顯，樁基基本不能再滿足承載力安全使用要求.

3 結論

（1）樁基在粘貼CFRP后抗腐蝕性能有明顯的提高，樁基表面最大應變、承載力均有明顯的上升.CFRP的粘貼一方面形成了保護層，顯著阻礙外界腐蝕介質的侵入；另一方面也在腐蝕膨脹的過程中對樁基不斷施加約束力，使腐蝕產物高度密集，進一步延緩腐蝕.但隨著粘貼層數的增加，樁基軸向承載力的提升作用不明顯.

（2）CFRP的粘貼并未改變樁基腐蝕的本質，樁基荷載-位移曲線具有明顯的彈性階段和屈服階段，腐蝕產物的主要成分也并未改變，仍為Fe2O3、Fe3O4、α-FeOOH和γ-FeOOH.但是隨著CFRP的粘貼，腐蝕產物各成分的含量均有明顯下降，表明樁基的腐蝕被有效延緩.

（3）根據試驗過程中樁基應變、XRD圖譜以及承載力變化規律，將樁基力學性能退化過程劃分為一般腐蝕、中等腐蝕和嚴重腐蝕3個階段，研究結果可為實際工程中樁基壽命評估提供一種評判標準.