Cl離子腐蝕條件下CFRP筋混凝土樁的力學(xué)及應(yīng)用性研究

倪正田

(大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011)

1 引 言

海洋環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題一直是國內(nèi)外研究的熱點問題之一，由于海水中存在多種侵蝕性離子[1，2]，如：Cl離子、硫酸鹽離子等。這些離子中有的會對混凝土產(chǎn)生侵蝕，比如硫酸鹽離子；有的會對鋼筋產(chǎn)生影響，比如Cl離子[3，4]，Cl離子會在鋼筋混凝土內(nèi)部形成原電池，從而加速鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕，從而導(dǎo)致混凝土開裂，鋼筋力學(xué)性能降低等一系列影響，從而影響鋼筋混凝土的耐久性和安全性。這一問題在橋梁與隧道工程及港口與碼頭工程中比較普遍，尤其是Cl離子對鋼筋銹蝕的影響，會嚴(yán)重影響鋼筋混凝土樁的承載力，從而導(dǎo)致一系列工程質(zhì)量問題的出現(xiàn)，混凝土樁被腐蝕情況[5～8]，如圖1所示。

針對這一問題，本文選擇使用耐腐蝕非常好的碳纖維筋(Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡稱CFRP筋)部分替代普通鋼筋制備CFRP筋混凝土樁，將CFRP筋混凝土樁浸泡在Cl離子溶液中，研究CFRP筋混凝土樁在Cl離子溶液腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能，并對其應(yīng)用性進行探索性研究。

圖1鋼筋混凝土樁腐蝕圖

2 實驗方案

2.1 原材料

(1)水泥：本文所使用的水泥為河北唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·S·B型礦渣水泥，其強度等級為32.5。

(3)普通粗骨料：選用的普通粗骨料為碎石，連續(xù)級配，其最大粒級為 40 mm。

(4)CFRP筋：試驗選用中山浦美復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的CFRP筋，其中受力鋼筋公稱直徑為 10 mm的CFRP筋，箍筋公稱直徑為 6 mm的CFRP筋，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

CFRP筋的主要技術(shù)指標(biāo) 表1

2.2 配合比

針對建筑工程中普遍使用的鋼筋混凝土樁一般采用強度等級為C35的混凝土來澆筑，本文以混凝土強度為C35作為設(shè)計目標(biāo)，進行了混凝土的配合比設(shè)計，混凝土配比如表2所示。

再生混凝土樁配料表(kg/m3) 表2

2.3 CFRP筋混凝土樁

使用CFRP筋部分替代普通鋼筋制備CFRP筋混凝土樁，將混凝土樁按照1∶5的比例制作模型，樁徑 200 mm，混凝土保護層厚度為 20 mm，樁長 1 m。CFRP筋混凝土樁的橫斷面圖和剖面圖如圖2所示。

圖2 CFRP混凝土樁

3 腐蝕環(huán)境下CFRP筋混凝土樁性能分析

為了對比研究普通鋼筋混凝土樁和CFRP筋混凝土樁在腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能，本文制備了質(zhì)量濃度分別為0.5%，1%、2%、3%、5%的NaCl溶液，將普通鋼筋混凝土模型樁和CFRP筋混凝土模型樁浸泡在溶液中，研究內(nèi)容分為兩方面內(nèi)容：第一方面，浸泡時間為90天，對比研究溶液濃度對鋼筋混凝土樁和CFRP筋混凝土樁力學(xué)性能的影響；第二方面，將兩種樁浸泡在濃度為2%的NaCl溶液中，研究浸泡時間對兩種樁力學(xué)性能的影響，影響曲線如圖3所示。

圖3 Cl離子侵蝕作用下鋼筋混凝土樁和CFRP筋混凝土樁的力學(xué)性能曲線

不同類型樁的樁身承載力(kN) 表3

圖3為Cl離子侵蝕作用下鋼筋混凝土樁和CFRP筋混凝土樁的力學(xué)性能曲線，從圖3(a)中可以看出，在未受Cl離子侵蝕時，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載能力比CFRP筋混凝土的承載能力略高；當(dāng)侵蝕齡期為90d，隨著Cl離子溶液濃度的增加，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力逐漸下降，當(dāng)Cl溶液濃度達(dá)到5%時，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力下降至 536 kN，下降幅度為15.2%；而對于CFRP筋混凝土樁來說，雖然起始時其單樁承載力較低，但是隨著Cl離子濃度的增長其單樁承載力降低幅度較小，當(dāng)Cl離子溶液濃度達(dá)到5%時，其單樁承載力為 558 kN，其下降幅度僅為3.1%；當(dāng)Cl離子溶液濃度超高1%以后，CFRP筋混凝土樁的單樁承載力就會超過普通鋼筋混凝土樁。不同類型樁的樁身承載力如表4所示。

不同類型樁的樁身承載力(kN) 表4

圖3(b)為浸泡時間對混凝土樁單樁承載力的影響曲線，從圖3(b)中可以看出，隨著浸泡時間的延長，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力降低幅度較為明顯，當(dāng)浸泡時間達(dá)到150天時，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力為 513 kN，較未浸泡前單樁承載力降低了19.8%；對于CFRP筋再生混凝土樁，隨著浸泡時間的延長，CFRP筋混凝土樁的單樁承載力有所下降，下降幅度較小，當(dāng)浸泡齡期為150天時，其單樁承載力為 571 kN，較浸泡前，僅下降了1.6%。

4 結(jié) 論

對于在港口與碼頭工程、橋梁與隧道工程中的鋼筋混凝土灌注樁，由于所處的環(huán)境比較復(fù)雜，環(huán)境中的氯離子和硫酸根離子會對混凝土和鋼筋進行侵蝕，針對這一問題，本文使用CFRP筋部分替代普通鋼筋制備CFRP筋混凝土樁，研究了鋼筋混凝土樁和CFRP筋混凝土樁在Cl離子腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能影響，研究結(jié)果表明：

(1)隨著侵蝕Cl離子濃度的增長，普通混凝土樁承載能力不斷降低，當(dāng)Cl溶液濃度達(dá)到5%時，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力下降至 536 kN，下降幅度為15.2%。

(2)隨著侵蝕Cl離子濃度的增長，CFRP混凝土樁承載能力略有降低，當(dāng)Cl溶液濃度達(dá)到5%時，CFRP混凝土樁承載能力為 558 kN，其下降幅度僅為3.1%。

(3)隨著侵蝕齡期不斷增長，普通混凝土樁承載能力不斷降低，當(dāng)侵蝕時間達(dá)到150天時，普通鋼筋混凝土樁的單樁承載力為 513 kN，較未浸泡前單樁承載力降低了19.8%

(4)隨著侵蝕齡期不斷增長，普通混凝土樁承載能力不斷降低，當(dāng)侵蝕時間達(dá)到150天時，CFRP筋混凝土樁的單樁承載力有所下降，下降幅度較小，當(dāng)浸泡齡期為150天時，其單樁承載力為571KN，較浸泡前，僅下降了1.6%。

(5)由于CFRP筋具有非常好的抗侵蝕能力，因此在腐蝕環(huán)境中，尤其是有Cl離子腐蝕的環(huán)境中，采用CFRP筋替代普通鋼筋制備的混凝灌注樁具有較好的抗侵蝕能力。