海水對PHC管樁的腐蝕機理及其防治措施

柯宅邦

（1.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230032；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230032）

1 引言

PHC管樁是一種重要的樁基材料，憑借其單樁承載力高、施工速度快、抗彎性能好等優點被廣泛應用于沿海地區的各類工業與民用建筑中[1]。但其在沿海地區應用時，由于海水中含有能對混凝土造成侵蝕的氯離子和硫酸根離子，會對管樁的耐久性帶來不利的影響。

目前國內已有學者進行了PHC管樁在腐蝕環境中的耐久性試驗。魏宜齡和李龍[2]進行了管樁在不同腐蝕環境下的試驗對比研究，并基于得出的試驗結果對現行的設計規范提出了修改建議；唐孟雄[3]等進行了管樁在不同濃度腐蝕溶液中的長期浸泡試驗，研究了管樁的耐久性及涂刷型水泥基滲透結晶型防水材料的有效性；岳著文[4]等在考慮PHC管樁離心分層特性的基礎上預測了PHC管樁的使用壽命，探討了保護層厚度、砂漿層厚度及管樁內封閉等因素對PHC管樁壽命的影響。

上述的研究結果表明：PHC管樁樁身在受到海水的侵蝕后，強度會逐漸下降，嚴重影響其承載性能。為了更好的指導沿海地區的管樁應用實踐，本文探討了海水對混凝土和鋼筋的腐蝕機理，并提出了對應的防治措施，希望能為今后的工程提供一定的借鑒。

2 海水對PHC管樁的腐蝕機理

海水的成分較為復雜，含有多種離子，管樁長期暴露在離子的侵蝕環境下會造成其承載性能的下降。在海水的眾多離子中，能對鋼筋混凝土結構造成較大侵蝕作用的主要為硫酸根離子和氯離子。下面分別針對混凝土和鋼筋這兩種材料探討海水對它們的腐蝕機理。

2.1 海水對樁身混凝土的腐蝕機理

對于樁身混凝土來說，其屬于多孔介質，內部有大量的微孔隙。當其處于海水的侵蝕環境下時，海水中的各類離子會滲入到混凝土內部與其中的鈣離子發生化學反應，從而使其耐久性降低。對于硫酸根離子來說，當其進入到混凝土內部時，會與水泥石的某些固相組分發生化學反應生成難溶的鹽類，這些鹽類吸水后體積會發生膨脹，產生膨脹內應力，當膨脹內應力大于混凝土自身的抗拉強度時，混凝土結構就會發生破壞；對于氯離子來說，當其進入到混凝土內部時，會與混凝土中的Ca(OH)2發生反應，生成易溶于水的Ca(Cl)2和帶有結晶水且體積比反應物大幾倍的固相化合物，造成混凝土的膨脹破壞[5]。

上述的分析說明，海水的侵蝕作用會造成PHC管樁的樁身混凝土結構發生膨脹破壞，導致其樁身強度下降，嚴重影響其承載性能。

2.2 海水對內部鋼筋的腐蝕機理

服役于沿海地區的PHC管樁，海水中的氯離子會在濃度差的作用下擴散至管樁內部的鋼筋，當鋼筋表面的氯離子含量達到閾值時，鋼筋表面的鈍化膜會在水、氧氣和氯離子的共同作用下發生破壞，最終導致鋼筋的銹蝕。鋼筋的銹蝕會導致其有效截面積的減小和與混凝土的粘結性能下降[6-7]。與此同時，由于PHC管樁在離心過程中出現分層現象，氯離子在不同部位的滲透系數也不相同。這就使得鋼筋的某些部位由于氯離子滲透系數較快而率先達到含量閾值造成鋼筋表面的鈍化膜消失，其他部位由于氯離子滲透系數較慢未出現鈍化膜消失的情況，鐵基體會與完好的鈍化膜形成電位差構成腐蝕電池[8]，在氧氣和水分充足的情況下會發生電化學腐蝕（圖1）。

由上述的分析可知，海水中的氯離子進入到PHC管樁內部時，會使得管樁鋼筋表面的鈍化膜消失，造成鋼筋的銹蝕，最終導致管樁的承載性能下降。

3 防治措施

由海水對PHC管樁的腐蝕機理可知，對于海水環境下PHC管樁的防治措施應從以下兩個方面出發：一是提高樁身混凝土自身的防護能力，增加其防腐蝕性能；二是提高其內部鋼筋的防護能力，增加其防腐蝕性能。下面主要從這兩方面出發介紹海水腐蝕環境下管樁應用時應做的防護措施。

圖1 腐蝕電池結構示意圖

3.1 提高混凝土防護能力

①優化混凝土配比設計

由于混凝土屬于多孔介質，海水中的離子會在濃度差的作用下滲入至混凝土內部。因此，提高混凝土的密實度是減緩海水滲入至混凝土內部的有效方法之一。國內目前已有相關的研究報道，如宋立元[9]和元成方[10]的研究指出，加一定量粉煤灰和硅灰等活性集料能明顯提高海洋混凝土結構抵抗氯離子侵蝕的能力。

②增加混凝土保護層厚度

混凝土保護層可以延緩海水進入樁身內部，防止內部鋼筋銹蝕現象的發生，故保證其足夠的厚度是極為必要的。在國內，目前已有的《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTJ275-2000）[11]規定海水環境鋼筋和預應力鋼筋的最小保護層厚度應分別不小于50mm和75mm，故加大保護層厚度對提高構筑物耐久性具有顯著效果。

③混凝土表面涂層保護

該法主要是在PHC管樁樁身表面涂一層防腐涂料，從而阻止海水向管樁內部擴散。目前常用的涂料主要包括環氧樹脂、聚氨酯等，它們均具有優良的防腐性能。但缺點是其揮發物會對生態環境造成威脅，故今后的防腐涂料應向環保的方向發展。

3.2 提高鋼筋防護能力

①混凝土中添加鋼筋阻銹劑

鋼筋阻銹劑是指一種加入到混凝土中或涂刷在其表面，能有效延緩或阻止鋼筋腐蝕發生的化學物質。鋼筋阻銹劑可以直接參與混凝土與鋼筋界面化學反應，使鋼筋表面形成鈍化膜，抑制混凝土與鋼筋界面發生的陽極或陰極化學反應。目前鋼筋阻銹劑可以分為陽極型阻銹劑、陰極型阻銹劑和復合型阻銹劑，它們或可以單一的抑制腐蝕的陰級或陽極反應，或能同時抑制腐蝕的陰極和陽極反應。在混凝土中添加鋼筋銹蝕劑具有操作簡單，使用范圍廣以及使用壽命長等特點，一般來說，可以滿足50年以上混凝土結構設計壽命要求。

②使用新型復合纖維筋

隨著材料科學的發展，近年來國內外已出現利用FRP筋來代替鋼筋和預應力鋼筋的工程案例。FRP筋是由多股連續纖維（如玻璃纖維，玄武巖纖維，碳纖維等）通過基地材料（如聚酰胺樹脂，聚乙烯樹脂，環氧樹脂等）進行膠合后，經特質的模具擠壓并拉拔成型的，其具備質量輕、抗拉強度高、耐腐蝕性等優點。

在國內新型PHC管樁的研發領域，郭楊[12]等人開發研制了采用玻璃纖維筋與鋼筋復合配筋預應力混凝土管樁（復合配筋管樁），進行了復合配筋管樁與普通管樁受彎和受剪性能的對比試驗，結果表明復合配筋管樁的受彎和受剪性能較普通管樁均有不同程度的提升，同時，復合配筋管樁還兼具耐腐蝕性好等優點，是未來抗腐蝕性新型管樁研發的方向之一。

4 結論與展望

PHC管樁近年來已成為沿海地區建筑物基礎的重要形式之一，海水腐蝕條件下PHC管樁的侵蝕破壞是多種物理化學因素共同作用導致的。因此，研究PHC管樁在多種因素耦合條件下的耐久性問題是今后的研究重點，建立多種因素耦合條件下的PHC管樁耐久性壽命預測是必要的。未來，隨著材料科學的進一步發展，必將出現更多能替代普通鋼筋的新型復合材料，徹底解決PHC管樁在沿海區域應用時的耐久性問題。