莊 寧， 夏浩瑜， 董洪漢， 李宇翔

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)，有學(xué)者依據(jù)此種特性，結(jié)合鋼材和混凝土材料，提出了一種新型CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基結(jié)構(gòu).目前對(duì)CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基的研究主要集中在力學(xué)特性方面.在靜力方面，對(duì)樁基的受彎、受剪、承壓以及扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了研究［1-3］，通過(guò)對(duì)不同CFRP粘貼層數(shù)的樁基進(jìn)行靜載試驗(yàn)與數(shù)值分析［4-5］，探究了CFRP粘貼層數(shù)對(duì)樁基承載特性的影響［6-8］，結(jié)果表明粘貼CFRP的樁基承載力明顯提高.在動(dòng)力特性方面，通過(guò)樁基快速加載［9］以及抗震性能試驗(yàn)［10］，對(duì)其受沖擊性能和抗震特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［11-12］，并分析了CFRP不同層數(shù)的影響［13］，結(jié)果表明CFRP的粘貼對(duì)樁基延展性和抗瞬時(shí)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(guò)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)梁疲勞試驗(yàn)［14］，分析了粘貼層數(shù)對(duì)疲勞性能的影響［15］，結(jié)果表明CFRP能有效加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)梁的抗疲勞性能.此外，在耐火特性、CFRP黏結(jié)能力［16-19］等方面也開(kāi)展了研究，取得了一定的研究成果，但對(duì)于樁基在復(fù)雜環(huán)境下的腐蝕特性研究較少.

在中國(guó)沿海的濕熱環(huán)境下，樁基極易腐蝕.因此，本文通過(guò)室內(nèi)模擬高濕熱海洋環(huán)境，進(jìn)行CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基腐蝕試驗(yàn)，對(duì)其在不同腐蝕程度下的力學(xué)性能、腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行研究，以期揭示其在海洋環(huán)境中的腐蝕特性與力學(xué)性能變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基制作

試驗(yàn)制作12根CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基.根據(jù)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(shè)計(jì)為0%、5%、10%、15%，在試件編號(hào)后面加數(shù)字來(lái)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(nèi)壁澆筑C30混凝土，鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度為Q235.CFRP材料彈性模量為2.3×105MPa，抗拉強(qiáng)度為3 450 MPa.另外制作參數(shù)與試驗(yàn)樁基相同的對(duì)比樁基，單獨(dú)測(cè)定其在腐蝕率為2%、4%、6%、9%、12%、14%時(shí)的承載力和應(yīng)變情況.

1.2 室內(nèi)高濕熱海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)

高樁碼頭樁基腐蝕區(qū)可分為水下區(qū)、干濕交替區(qū)（潮差區(qū)和浪濺區(qū)）、大氣區(qū)［20］.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的高濕熱海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)包含反應(yīng)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(qū)的環(huán)境特征［21］.海水按照GB/T 15748—2013《船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法》配置.水位控制模塊通過(guò)感應(yīng)器周期性地控制反應(yīng)室內(nèi)水位變化來(lái)模擬實(shí)際水位變動(dòng).溫度控制模塊模擬樁基所處位置的高溫環(huán)境.噴霧模塊噴灑鹽霧以模擬樁基大氣區(qū)氣體環(huán)境，鹽霧成分和水箱人造海水成分相同［22］，通過(guò)啟動(dòng)泵、計(jì)算機(jī)和PLC控制器來(lái)控制［23］（圖1）.

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

1.3 樁基加速腐蝕

實(shí)際工程中CFRP鋼管混凝土復(fù)合樁基腐蝕過(guò)程較緩慢，本文采用外加直流電源進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，在原電池基礎(chǔ)上外加電流來(lái)加速反應(yīng)進(jìn)行.在電解過(guò)程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量與通電強(qiáng)度和時(shí)間成正比.樁基的理論質(zhì)量損失可用下式計(jì)算［24］：

式中：m為理論腐蝕質(zhì)量；M為鐵的相對(duì)分子質(zhì)量；Sa為鋼管橫截面積；i為外加電流密度；t為通電時(shí)間；Z為反應(yīng)電機(jī)化學(xué)價(jià)（+2）；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 500 C/mol.

El Maaddawy等［25］的試驗(yàn)證明，當(dāng)電流密度小于200 μA/cm2時(shí)可較好地模擬實(shí)際過(guò)程中鋼管的腐蝕形態(tài).故本文外加電流密度設(shè)為180 μA/cm2，試驗(yàn)樁基鋼管等效直徑為2.46 cm.

2 結(jié)果與分析

2.1 樁基表面應(yīng)變

樁基在加速腐蝕的過(guò)程中，隨著腐蝕產(chǎn)物的生成，其體積通常會(huì)增大6～8倍，引起樁基表面產(chǎn)生膨脹應(yīng)變［26］.故可通過(guò)檢測(cè)樁基表面應(yīng)變的方法來(lái)對(duì)鋼管腐蝕情況進(jìn)行分析.為探究不同環(huán)境對(duì)鋼管腐蝕的影響，沿樁基高度h方向粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2.測(cè)得的樁基表面應(yīng)變見(jiàn)圖3.

圖2 樁基腐蝕區(qū)劃分及應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Corrosion areas and strain gauge placement points of pile foundation（size：mm）

由圖3可見(jiàn)，不同鋼管理論腐蝕率下，樁基表面應(yīng)變有著相似的分布規(guī)律：干濕交替區(qū)表面應(yīng)變最大，大氣區(qū)次之，水下區(qū)最小.樁基鋼管腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)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(zhì)溶液，為反應(yīng)提供必要的條件.大氣區(qū)由于水分相對(duì)缺乏，腐蝕反應(yīng)較為緩慢；水下區(qū)常年沒(méi)入水中，海水中的離子主要通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入樁基內(nèi)，離子擴(kuò)散速率較為緩慢，同時(shí)水下氧氣不足導(dǎo)致氧化反應(yīng)困難，因而水下區(qū)應(yīng)變最??；干濕交替區(qū)由于浪濺、潮汐等因素時(shí)刻處于干濕交替狀態(tài)，離子通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流作用進(jìn)入樁基內(nèi)，并有著良好的水分和空氣條件，腐蝕情況最為嚴(yán)重［27］.

圖3 樁基表面應(yīng)變Fig.3 Surface strains of pile foundation

未粘貼CFRP時(shí)，樁基U-5、U-10、U-15最大表面應(yīng)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(yīng) 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(yīng)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(qū)段表面應(yīng)變均有所下降.這是因?yàn)镃FRP能有效隔絕外界腐蝕介質(zhì)的侵入，減緩腐蝕反應(yīng)的速率，同時(shí)由于腐蝕導(dǎo)致的體積膨脹引起CFRP產(chǎn)生約束力，使得腐蝕產(chǎn)物高度密集［28］，也阻礙腐蝕介質(zhì)的侵入，使得整個(gè)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(lái)研究樁基腐蝕過(guò)程中承載能力的變化規(guī)律.試驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用單軸加壓，應(yīng)用程序進(jìn)行軸向位移控制，逐級(jí)加載速率為0.5 mm/min，極限荷載出現(xiàn)后繼續(xù)加載5.0 mm位移后停止加載.整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由德國(guó)的imc動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀完成，應(yīng)變片布置位置見(jiàn)圖2，量程為50 mm，環(huán)向布置數(shù)量為4，且兩兩對(duì)稱，最終得到樁基的荷載-位移曲線，見(jiàn)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(jiàn)，對(duì)于未粘貼CFRP的樁基U-0，在位移小于1.5 mm時(shí)，其荷載增加緩慢.根據(jù)SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，在進(jìn)行試驗(yàn)前應(yīng)在樁基端部涂抹少量的水泥凈漿，而水泥凈漿力學(xué)性能較差，并且在樁基U-10、CE-10和CF-10中均存在此種現(xiàn)象.當(dāng)位移處于2.0～7.0 mm時(shí)，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(xù)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(jìn)入屈服階段；當(dāng)位移處于12.0 mm左右時(shí)，樁基U-0達(dá)到極限荷載560 kN，此時(shí)鋼管產(chǎn)生破壞，繼續(xù)加載則承載能力不斷下降.

由圖4還可見(jiàn)，在鋼管理論腐蝕率為10%時(shí)，樁基U-10荷載-位移曲線的極限荷載為439 kN，對(duì)應(yīng)位移處于7.5 mm左右，可見(jiàn)腐蝕明顯降低了極限荷載及其對(duì)應(yīng)的位移；樁基CE-10和CF-10的極限荷載分別為1 020、1 060 kN，說(shuō)明粘貼CFRP后樁基極限承載力有了明顯的提升，但是層數(shù)的增加對(duì)軸向承載能力后續(xù)的提升并不明顯.這是由于粘貼2層CFRP后雖然進(jìn)一步增加了樁基環(huán)向約束力，但是此時(shí)樁基破壞中鋼管破壞起控制作用，鋼管發(fā)生破壞后，CFRP的環(huán)向約束力并不能完全發(fā)揮.此外，圖4中樁基CE-10、CF-10在進(jìn)入屈服階段后荷載都有1個(gè)小幅突降，這是由于樁基在進(jìn)入屈服階段后部分CFRP隨著鋼管發(fā)生了破壞，隨著加載的繼續(xù)，剩余的CFRP發(fā)生斷裂，這在曲線圖中表現(xiàn)為1個(gè)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(huì)發(fā)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(zhǎng)使用壽命，但是由于鋼管的破壞，粘貼多層CFRP對(duì)樁基軸向承載力的提升作用不明顯.

2.3 樁基腐蝕產(chǎn)物

選取鋼管理論腐蝕率為5%、10%、15%的樁基大氣區(qū)、干濕交替區(qū)和水下區(qū)的腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析.采用日本理學(xué)生產(chǎn)的智能X射線衍射儀，X射線發(fā)生器功率為3 kW，Cu靶，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～7所示.

圖5 鋼管理論腐蝕率為5%時(shí)樁基大氣區(qū)腐蝕產(chǎn)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(jiàn)：當(dāng)鋼管理論腐蝕率為5%時(shí)，在26.15°、36.74°、47.35°、64.24°處均出現(xiàn)較大的衍射峰，經(jīng)分析這些特征峰對(duì)應(yīng)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(duì)分散并且較弱；粘貼CFRP后樁基的XRD衍射峰與未粘貼時(shí)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(yīng)提供了相對(duì)自由的發(fā)展空間.由圖6可見(jiàn)，當(dāng)鋼管理論腐蝕率為10%時(shí)，XRD衍射峰強(qiáng)度相較于圖5有明顯加強(qiáng)，表明此時(shí)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(shù)的增加而明顯下降，這是由于可供腐蝕反應(yīng)自由發(fā)展的空間大小是十分有限的，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物逐漸填滿孔隙并產(chǎn)生膨脹，鋼管周圍CFRP對(duì)腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生約束力［27］.由圖7可見(jiàn)，當(dāng)鋼管理論腐蝕率為15%時(shí)，未粘貼CFRP的樁基U-15在36.74°處的衍射峰要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粘貼2層CFRP的樁基CF-15，α-FeOOH衍射強(qiáng)度也有所增強(qiáng)，這表明此時(shí)腐蝕已十分嚴(yán)重，有大量氧化最為充分的α-FeOOH生成［29］，而α-FeOOH性質(zhì)較為穩(wěn)定，可以附著在鋼管表面，在一定程度上減緩腐蝕反應(yīng)的速率［30］.

圖6 鋼管理論腐蝕率為10%時(shí)樁基干濕交替區(qū)腐蝕產(chǎn)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(shí)樁基水下區(qū)腐蝕產(chǎn)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(chǎn)物成分并未改變.粘貼CFRP后，XRD圖譜中各衍射峰的峰值強(qiáng)度降低，說(shuō)明粘貼CFRP可減少腐蝕產(chǎn)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(shù)的增加而增強(qiáng).

2.4 樁基腐蝕階段劃分

通過(guò)研究樁基不同腐蝕階段的承載能力、應(yīng)變變化特征并結(jié)合XRD圖譜，可將樁基的力學(xué)性能退化劃分為3個(gè)階段：一般腐蝕階段、中等腐蝕階段和嚴(yán)重腐蝕階段.引入對(duì)比樁基的測(cè)試數(shù)據(jù)，得到樁基荷載、應(yīng)變?cè)诓煌摴芨g率下的變化規(guī)律，見(jiàn)圖8.

圖8 樁基荷載、應(yīng)變?cè)诓煌摴芨g率下的變化規(guī)律Fig.8 Change rule of load and strain of pile foundations under different corrosion rates

由圖8可見(jiàn)，可將鋼管腐蝕率達(dá)到9%時(shí)作為樁基破壞失效開(kāi)始的標(biāo)志；鋼管腐蝕率為0%～4%時(shí)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(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)不大，腐蝕產(chǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)樁基的中等腐蝕階段，此時(shí)樁基的承載力發(fā)生突變，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)顯著，是腐蝕發(fā)生的主要階段，腐蝕產(chǎn)物α-FeOOH、γ-FeOOH含量也明顯上升；鋼管腐蝕率達(dá)到9%之后樁基進(jìn)入嚴(yán)重腐蝕階段，最后承載力達(dá)到最小值，應(yīng)變達(dá)到最大值，此階段腐蝕產(chǎn)物已經(jīng)堆積明顯，樁基基本不能再滿足承載力安全使用要求.

3 結(jié)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(yīng)變、承載力均有明顯的上升.CFRP的粘貼一方面形成了保護(hù)層，顯著阻礙外界腐蝕介質(zhì)的侵入；另一方面也在腐蝕膨脹的過(guò)程中對(duì)樁基不斷施加約束力，使腐蝕產(chǎn)物高度密集，進(jìn)一步延緩腐蝕.但隨著粘貼層數(shù)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(zhì)，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(chǎn)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(chǎn)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(jù)試驗(yàn)過(guò)程中樁基應(yīng)變、XRD圖譜以及承載力變化規(guī)律，將樁基力學(xué)性能退化過(guò)程劃分為一般腐蝕、中等腐蝕和嚴(yán)重腐蝕3個(gè)階段，研究結(jié)果可為實(shí)際工程中樁基壽命評(píng)估提供一種評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).