干濕循環狀態下PHC管樁中氯離子的傳輸研究

呂 韜李鏡培丁士君

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；3.中國電力科學研究院，北京100192）

干濕循環狀態下PHC管樁中氯離子的傳輸研究

呂 韜1，2，*李鏡培1，2丁士君3

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；2.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；3.中國電力科學研究院，北京100192）

設計了管樁的加速腐蝕試驗，研究了裂縫和預應力對氯離子傳輸的影響，并采用數值模擬手段進行對比，結果表明，管樁中氯離子濃度分布呈近似對稱的U形；裂縫的存在增大了氯離子的傳輸速率；而PHC管樁的預應力能夠有效地抑制氯離子在混凝土中的傳輸，其效果在預應力筋附近最為顯著；通過合理選擇模型參數，數值模擬能較好地反映管樁中氯離子傳輸的基本規律。

PHC管樁，氯離子，裂縫，預應力，數值模擬

1 引 言

相對于一般的建筑工程，PHC管樁在海洋環境中長期服役，直接暴露在氯鹽的嚴重侵蝕環境中，受凍融循環［1］、干濕循環、海浪沖蝕、氯離子腐蝕等因素作用，其鋼筋極容易產生銹蝕導致樁身部位混凝土開裂和剝落，從而影響PHC管樁的使用壽命［2］。而目前對帶裂縫混凝土結構的腐蝕研究大多還是處于大氣環境下的研究，在海洋環境下的研究較少，針對具有特殊制作工藝［3］和預應力的PHC管樁的研究則更為鮮見。

混凝土通常帶裂縫工作，并且隨著服役時間的增加，有著裂縫數目逐漸增多和寬度逐漸增大的趨勢。關于裂縫對氯離子傳輸影響的定量分析，已有學者［4，5］做了許多工作。吳用賢等［6］采用“后張法”施加預應力，實驗表明當預壓應力水平小于0.3fck時，氯離子擴散系數隨混凝土壓應力的增大而減小；但是當預壓應力水平超過0.3fck時，擴散系數反而隨壓應力水平的增加而增加。因此PHC管樁的預應力水平對其抗氯離子侵蝕耐久性的影響很值得研究。

本文采用人工制作裂縫手段，通過室內實驗模擬潮汐環境，研究干濕循環條件下PHC管樁中氯離子的傳輸以及預置裂縫、預應力對氯離子傳輸的影響，同時運用數值模擬手段［7］模擬實驗，為正確評估PHC管樁在海洋環境中的耐久性和指導生產實踐提供了借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料和設備

試驗所用原材料為水泥、砂、石、水、外加劑和工業用鹽（氯化鈉）。其主要參數如表1所示。

表1 材料參數和配合比Table 1 M aterial parameter and them ixture ratio

實驗中所用的設備與儀器主要有：大型腐蝕池，PG2000型電熱鼓風干燥箱，CABR-RCTF型氯離子含量快速測定儀，壓力機，BOSCH沖擊鉆，裂縫寬度測試儀，50 m l塑料瓶若干。

1.2 試件制作

1）管樁制作

試驗PHC管樁（PHC300A型管樁）由上海軍鋒混凝土制品有限公司根據行業標準JGJ 55—2000制作（外徑300 mm，厚度60 mm），采用先張預應力離心成型工藝高溫蒸汽養護而成。另制作尺寸和材料與PHC管樁完全相同的的無預應力管樁用于對比試驗。

2）裂縫控制

陸中玉等［8］運用彈性力學和材料力學計算方法，對預應力樁進行了沖擊計算，證明了預應力樁受縱向沖擊時在樁內產生橫向拉應力從而導致縱向裂縫的產生。為模擬沉樁過程中產生的縱向裂縫，將模型樁切割成10 cm厚的管樁試塊，用加壓劈裂裝置橫向加壓產生縱向裂縫（圖1），由彈性力學理論可知裂縫由橫向拉應力產生。壓力機采用位移控制模式。

圖1 產生縱向裂縫的壓力裝置Fig.1 Transverse cracks of pressure device

混凝土單軸壓縮試驗研究表明，混凝土在外力作用下的變形和破壞是內部微裂縫發生和擴展的過程。當荷載在極限荷載的70%～90%之間時，混凝土處于不穩定裂縫擴展階段［9］。試驗通過壓力機加壓，測得10 cm厚PHC管樁試塊極限荷載為65 kN（普通管樁試塊極限荷載為48 kN）。通過進一步試驗得知，對PHC試塊加載至極限荷載的80%（52 kN）時，持荷5 min，再勻速卸載，用裂縫寬度觀測儀測得混凝土回彈后裂縫寬度約為0.3 mm。同理對普通管樁試塊加載至極限荷載的75%（36 kN），可制取約0.3 mm的裂縫。

試驗采用的管樁型號有效預壓應力為6.0 MPa，切割后會有一定程度的預應力損失，由于受條件限制，本文認為各試塊切割后預應力損失相同且僅考慮殘余預應力對氯離子傳輸的影響。

3）試驗方案

選取10 cm厚的PHC管樁試塊和同樣厚度的無預應力管樁試塊按上述方法橫向加壓產生貫通裂縫（0.3 mm），另取相同尺寸的10 cm厚的PHC管樁（不制取裂縫）做對比，進行不同干濕循環次數的氯離子腐蝕試驗。本實驗中，一個干濕循環是在侵蝕溶液中浸泡16 h，在烘箱中干燥8 h，共24 h（1 d）。烘箱干燥溫度為60℃，模擬潮汐區與水位變動區海水對PHC管樁的侵蝕狀態。試塊編號及腐蝕方案見表2。

表2 試塊編號及腐蝕方案Table 2 Test specimen and experimental scheme

試塊制好后，用水彩筆做好標記，在其上下橫斷面處均勻涂抹一層環氧樹脂，確保腐蝕過程中內外表面為侵蝕面，上下表面為封閉面。然后將試塊放置陰涼處晾干待用。

1.3 試件腐蝕

為加快腐蝕，實驗采用人工配制海水作為侵蝕液，即根據模擬海水中的化學成分，配制濃度大于海水濃度的侵蝕液。在腐蝕池中注滿蒸餾水，倒入一定量的工業食鹽，配置質量濃度為5%的腐蝕溶液，進行干濕循環試驗。浸泡和干燥試驗見圖2、圖3。

圖2 浸泡試驗Fig.2 Immersion test

圖3 干燥試驗Fig.3 Drying test

1.4 取樣和測定

完成腐蝕后，采用沖擊鉆鉆取粉末（對帶裂縫試塊在緊靠列縫位置取樣），通過鉆頭上的標尺控制每次鉆孔的深度為10 mm，每次鉆取的粉末放入保鮮自封袋中并編號，直至鉆至PHC管樁內壁，每個試塊可取6份粉末試樣。

測定氯離子濃度，將準備好的50 ml塑料瓶子用蒸餾水清洗兩遍并晾干，再倒入用量筒量取的50ml蒸餾水，并貼上標簽。取出裝有混凝土粉末的保鮮自封袋，用電子天平稱量1.0 g粉末倒入相應的塑料瓶中，并輕輕搖晃使得粉末充分溶解。將盛有混凝土粉末的塑料瓶放置24 h后，用CABR-RCTF型氯離子含量快速測定儀測量氯離子含量。

2 帶裂縫管樁中氯離子擴散的數值計算

2.1 計算原理

本文采用ABAQUS 6.10有限元軟件中的質量擴散分析（mass diffusion analysis）模塊進行氯離子擴散計算。在不考慮溫度和壓力條件下，計算控制微分方程如式（1）所示。

式中，J為擴散通量（g／（mm2·s））。

計算單元采用熱傳導單元，計算幾何模型見圖4。

圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

2.2 計算參數

1）擴散系數

文獻［10］中提出了計算擴散系數與水灰比關系的經驗公式，式（2）計算氯離子在含硅粉或高爐礦渣的混凝土中的擴散系數，式（3）計算氯離子在不含硅粉和高爐礦渣的混凝土中的擴散系數。

Mohamed［10］給出了計算氯離子在帶裂縫混凝土中的擴散系數的簡單替代求解方法：

式中，Dav為平均擴散系數；D0為不帶裂縫的混凝土的擴散系數；W為裂縫寬度；L為裂縫間距；Dcv為裂縫處的擴散系數。

由于式（4）不能考慮應力對氯離子擴散的影響，本文選取適當參數使用該式計算，與試驗中帶裂縫無預應力管樁（24 d和30 d情況）測試結果對比。

由表1，管樁水灰比為0.28，經式（3）計算，D0＝5.13×10－7mm2／s，式（4）中W取0.3mm，L取1／4圓弧長，裂縫處的擴散系數［11］取Dcr＝5.13×10－4mm2／s，則帶0.3 mm裂縫時的擴散系數Dav＝5.13×10－6mm2／s。

2）邊界濃度

試驗采用干濕循環方法模擬海邊潮汐區混凝土中氯離子的傳輸。數值模擬是基于Fick第二定律，故邊界濃度應取管樁混凝土表面氯離子濃度。已有研究顯示［11］，近海潮汐區混凝土表面氯離子濃度幾乎是瞬時達到定值。試驗采用質量濃度為5%的腐蝕溶液和干濕循環作用加速腐蝕，可近似認為混凝土表面氯離子濃度在腐蝕開始即達到最大值。采用2002年出版的日本土木學會混凝土標準［12］中提出的近海大氣區混凝土表面的氯離子濃度最大值，其中潮汐區為0.65%，取Cs＝0.65。

3）腐蝕時間

研究表明［13］在不高于80℃的溫度范圍內，氯離子的活度、擴散速度及水的蒸發率都隨溫度升高而增大，而氧氣在水中的溶解度和pH值都隨溫度升高而降低不多。參考文獻［14］中的方法，干濕循環狀態下氯鹽侵蝕混凝土構件可以起到對混凝土加強腐蝕的效果，即可近似認為實驗室狀態下干濕循環工作1 d相當于在實際海水長期浸泡40 d。另外管樁內外尺寸取a＝90 mm，b＝150 mm。

實驗室狀態下腐蝕24 d和30 d對應的自然狀態下滲透時間為960 d和1 200 d，加載步長取為1 d。材料參數中初始濃度取為零，溶解度定為1，徑向單元尺寸為5 mm，環向單元尺寸為9.42 mm，共計1 200個單元，和有限元模型見圖5。

圖5 數值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

3 結果及分析

3.1 試驗結果分析

干濕循環為24次（24 d）和30次（30 d）的管樁試塊氯離子濃度測試結果如圖6、圖7所示。

圖6 腐蝕24 d氯離子濃度分布圖Fig.6 Chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

由圖6和圖7可知，對于無預應力管樁和PHC管樁，氯離子沿管樁半徑大致呈U形對稱分布，在管樁內部居中位置氯離子濃度有少許起伏。這與管樁一維雙向腐蝕的試驗條件相符合。曲線整體趨勢“左高右低”，可見管樁外表面的氯離子傳輸速率大于內表面，產生這種情況的原因可能是制取裂縫的方法存在缺陷，導致管樁內表面裂縫偏小（不足0.3 mm），以及由外向內傳輸和由內向外傳輸兩種方式在數學物理上的不同。

圖7 腐蝕30 d氯離子濃度分布圖Fig.7 Chloride ion concentration distribution after ingression of 30 d

比較兩圖中帶裂縫的PHC管樁和不帶裂縫的PHC管樁氯離子濃度分布曲線，這兩種腐蝕狀態下曲線規律相似。裂縫處的氯離子濃度大于完整處的氯離子濃度，由此可見裂縫的存在加速了氯離子向管樁內部的傳輸。

由具有相同裂縫寬度（0.3 mm）的無預應力管樁和PHC管樁的對比可以發現，在裂縫的深度范圍內，無預應力管樁裂縫處的氯離子濃度大于PHC管樁裂縫處的氯離子濃度，可見預壓應力會使PHC管樁孔隙率和平均孔隙半徑減小，縮小了氯離子的傳輸通路從而使氯離子的傳輸速率減小。

無預應力管樁在距管樁外表面25 mm和35 mm處的氯離子百分濃度分別為0.094，0.085；而帶裂縫和不帶裂縫的PHC管樁在該處的濃度均接近0，可見預應力鋼筋對氯離子傳輸的影響主要集中在其位置附近。

3.2 實測與計算的比較

由前述的數值模擬方法，計算實驗室中腐蝕時間為24 d和30 d時帶裂縫的無預應力管樁中氯離子傳輸情況。圖8為氯離子濃度（腐蝕28 d）的數值模擬計算結果。圖9、圖10為兩種方法所得到的氯離子濃度沿管樁半徑分布曲線。

圖8 腐蝕24 d氯離子濃度數值模擬計算結果Fig.8 Numerical simulation result of chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

圖9 24 d氯離子濃度分布曲線Fig.9 Chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

圖10 30 d氯離子濃度分布曲線Fig.10 Chloride ion concentration distribution after ingression of 30 d

如圖9、圖10所示，數值模擬結果與實測結果的趨勢基本相似，整體趨勢均呈U形且“左高右低”。相對實測結果的各位置處氯離子濃度誤差率見表3。

表3 氯離子濃度誤差率Table 3 Errors in the chloride ion concentration value

由表3可知，除個別數據點外，腐蝕24 d和30 d情況下數值模擬的誤差率較小，一般在20%以下，可見計算參數的選取比較恰當。數值模擬結果與實測結果在靠近管樁外表面處（0～30 mm范圍）符合較好，而在靠近管樁內表面處（0～30 mm范圍），對比實測結果，數值模擬結果偏大。這是由于按本文方式制取貫通裂縫時，裂縫總是由管樁外表面向內部發展，內表面附近裂縫尺寸小于外表面，往往不能達到0.3 mm，而數值模擬采用的是相等的內外擴散系數。

4 結 論

（1）氯離子在管樁中的傳輸過程具有一維雙向的特性，氯離子濃度分布呈近似對稱的U形。

（2）裂縫對混凝土中氯離子侵入影響顯著，裂縫的存在大大加快了氯離子的侵蝕速度。

（3）預應力能夠有效地抑制氯離子在混凝土中的傳輸。在同等條件下，PHC管樁中氯離子傳輸速率比無預應力管樁小。

（4）PHC管樁中的預應力筋產生的預壓應力主要集中在預應力鋼筋位置附近的混凝土中。該處的氯離子傳輸速率明顯小于無預應力管樁鋼筋位置處的傳輸速率。

（5）通過合理假定模型參數，數值模擬可較好反映帶裂縫管樁中氯離子的傳輸規律，在靠近管樁外表面處（0～30 mm范圍）符合較好，而在靠近管樁內表面處（0～30 mm范圍），數值模擬結果偏大。

（6）本文數值模擬過程未直接考慮非飽和狀態，而是采用根據經驗放大腐蝕時間的方法考慮干濕循環影響，具有一定誤差。

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Chloride Ingression in PHC Pipe Piles Subjected to Wetting and Drying Cycles

LU Tao1，2，*LIJingpei1，2DING Shijun3
（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

The effect of cracks and prestress on chloride ingression in PHC pipe pileswas studied by the accelerated ingression test.The experimental results were compared with the numerical simulation results.The analysis results show that the distribution of the chloride ion concentration in PHC pipe pile appears approximately as a symmetrical U，and the cracks increase the rate of chloride ingression.The prestress in PHC pipe pile can effectively inhibit the chloride ingression in concrete cover，and the effect of inhibition ismore significantwhen it is closer to prestressed reinforcement.The numerical simulation in this paper can reflect the trend of the chloride ingression well by reasonably assumingmodel parameters.

PHC pipe pile，chloride，crack，prestress，numerical simulation

2013－07－13

國家自然科學基金項目（51178341）、國家電網公司基礎性前瞻性科技項目（GC7113004）

*聯系作者，Email：lvtaolele2006＠163.com