桩基工程玻璃钢包覆防护技术

聂亚楠,陈克伟,张悦然,王成启

(中交上海三航科学研究院有限公司,上海 200032)

桩基工程玻璃钢包覆防护技术

聂亚楠,陈克伟,张悦然,王成启

(中交上海三航科学研究院有限公司,上海 200032)

对国内采用玻璃钢包覆桩基础浪溅区及水位变动区作为耐海水腐蚀措施的海洋工程进行了现场调研；采用质量变化率试验，研究了海水向玻璃钢内部的扩散行为；并采用Fick第二扩散定律对玻璃钢包覆层的耐海水渗透寿命进行预测，建立了玻璃钢包覆层厚度与耐海水渗透寿命之间的关系。结果表明：海水向玻璃钢内部的扩散行为符合Fick第二扩散定律，2 mm厚的189不饱和聚酯玻璃钢的耐海水渗透寿命约为36 a，2 mm厚的MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢的耐海水渗透寿命可达60 a，玻璃钢包覆层表现出了优异的耐海水腐蚀性能。

桩基础；玻璃钢；包覆；防腐蚀

海洋工程中常用的桩基础主要有钢管桩、大管桩和PHC管桩。海水中的氯离子是强腐蚀性物质，这使得直接暴露于海水中的钢管桩易发生电化学腐蚀，造成结构破坏[1]。对预应力钢筋混凝土大管桩及PHC管桩来说，当盐分渗进混凝土达到钢筋表面时，会造成钢筋锈蚀和体积膨胀，致使混凝土胀裂、剥落、造成结构破坏[2]。处于潮差区段的桩基础直接处于海水腐蚀最严重的区域，是整个结构中最易遭受侵蚀破坏的部位，桩基础耐久性下降、使用寿命缩短的问题成为制约大型海洋工程结构使用寿命的瓶颈[3]。采用耐蚀钢材、高性能混凝土等，可使桩基础的服役寿命达到50 a[4]。但随着工程质量要求的日益提高，一些大型码头、跨海大桥等重要结构的设计使用寿命要求达100 a甚至120 a以上，因此必须采取附加防护措施才能保证工程结构耐久性的要求[5]。而且附加的防护方法需保证桩基在海洋环境中服役50 a内不应发生氯离子渗透。目前工程中常用的附加防护措施是在桩基础表面涂刷防腐蚀涂料，形成防护涂层，将桩基础与海水隔离，但防护涂层的寿命一般为15～20 a，难以满足50 a以上高耐久性的要求。

玻璃钢(GFRP)是由玻璃纤维作增强材料和树脂作粘结剂复合而成的一种新型材料，具有轻质高强、耐蚀性好、成型方式灵活等优点，尤其是其优异的耐蚀性，适用于海洋腐蚀环境中[6-7]。日本及欧洲等国家都将玻璃钢纳入了具有50～100 a使用寿命的材料范畴[8]。采用玻璃钢对桩基础的浪溅区和水位变动区进行包覆是一种行之有效的附加防腐蚀措施，它比涂层等防护措施具有更好的耐久性和力学性能[9]。本工作通过现场调研、理论计算、玻璃钢包覆施工、全寿命成本分析等方面系统研究了桩基工程玻璃钢包覆的防腐蚀效果，以期为桩基工程玻璃钢包覆的设计与施工提供借鉴。

1 试验

1.1 工程调研

选择已服役一定年限的采用玻璃钢包覆大管桩浪溅区及水位变动区的工程进行现场调研，肉眼检查玻璃钢表面光泽、外观腐蚀情况，开片取样检测玻璃钢的弯曲强度保留率，并磨取大管桩表层1～2 mm的混凝土，检查氯离子渗入情况以及桩基础表面腐蚀情况。

1.2 玻璃钢试样制备

采用手糊成型工艺，将不饱和聚酯树脂189(江苏亚邦化工集团有限公司)和环氧乙烯基酯树脂MFE-2(华东理工大学华昌聚合物有限公司)分别与EWR400无碱玻璃纤维布(常州桦立科新材料有限公司)、过氧化甲乙酮(阿克苏诺贝尔化学品(宁波)有限公司)、异辛酸钴(上海涂料有限公司长风化工厂)制备成厚度约为2 mm的189不饱和聚酯玻璃钢(以下简称189 GFRP)和MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢(以下简称MFE-2 GFRP)。

1.3 质量变化率(吸水率)

按GB/T 1462-2005《玻璃纤维增强塑料吸水性能实验方法》制备玻璃钢试样，玻璃钢试样除了上下表面外的其余4个面用耐水环氧树脂包覆后进行浸泡试验，试验介质为3.5%(质量分数，下同)NaCl溶液，采用海盐和去离子水配制而成，试验温度为25 ℃。质量变化率以浸泡后试样的质量相对于初始试样质量的百分比表示。

1.4 单面质量变化率(单面吸水率)

将玻璃钢试样除了上表面外的其余5个面用耐水环氧树脂包覆后进行浸泡试验，试验条件同1.3。

2 结果与讨论

2.1 工程调研

在2006年、2013～2015年间先后对中交第三航务工程局宁波分公司生产的浪溅区及水位变动区包覆189 GFRP(包覆厚度为1.68～1.80 mm)的大管桩的防腐蚀效果进行了现场调研，结果见表1。玻璃钢防护层弯曲强度保留率与服役时间的关系如图1所示。

由表1可见，浪溅区及水位变动区的玻璃钢在海洋环境中服役18 a后除表面光泽减弱，表面发白以外，未出现可见破损腐蚀，玻璃钢仍具有较高的弯曲强度保留率。在包覆的桩基础表层混凝土中未检出氯离子渗入，桩基础没有出现腐蚀现象。这表明：玻璃钢具有优异的耐海水腐蚀性能，采用玻璃钢包覆桩基础的浪溅区及水位变动区是十分有效的。

由图1可见，玻璃钢防护层的弯曲强度保留率在初始阶段下降较快，以后则逐渐趋于平缓。前10年弯曲强度保留率迅速下降，是由水分子渗透造成的。水分子通过表面孔隙或极性官能团吸附逐渐向玻璃钢内部渗透，水分子破坏了纤维/树脂基体界面间的作用力，所以玻璃钢的弯曲强度保留率迅速下降。15 a后，玻璃钢的弯曲强度保留率几乎不再下降，这是因为水分子向玻璃钢内部的渗透达到饱和状态，水分子对纤维/树脂基体界面间作用力的破坏作用趋于完成，玻璃钢达到湿态极限弯曲强度[10]。树脂含量测试结果显示，服役18 a后玻璃钢防护层的树脂含量与初始树脂含量相同，未发生溶解腐蚀破坏，所以玻璃钢保护层的弯曲强度保留率几乎不再下降。

表1 大管桩玻璃钢包覆防腐蚀效果Tab. 1 Anti-corrosion effect of piles foundation wrapped by GFRP composites

图1 服役时间对玻璃钢防护层弯曲强度保留率的影响Fig. 1 Effect of service time on bending strength retention rate of GFRP composites

2.2 质量变化率

由图2可见，189 GFRP和MFE-2 GFRP的质量变化率都随浸泡时间的延长先升高后下降，最后保持不变。玻璃钢在海水中的质量变化包含质量增加的扩散渗透过程和质量减小的玻璃钢内部可溶性化合物向溶液中扩散的过程[11]。初始阶段，水分子、Na+、Cl-通过玻璃钢表面的孔隙或极性官能团吸附向玻璃钢内部扩散，扩散速率大于玻璃钢内部可溶性化合物向溶液中扩散的速率，质量变化率增加。中间阶段，可溶性化合物向溶液中扩散的速率增加，超过水分子、Na+、Cl-向玻璃钢内部扩散的速率，质量变化率下降。最后阶段，可溶性化合物几乎扩散完毕，水分子、Na+、Cl-向玻璃钢内部扩散的速率与玻璃钢内部吸附的水分子、Na+、Cl-向溶液中扩散的速率平衡，质量变化率不再变化。浸泡时间相同时，189 GFRP的质量变化率大于MFE-2 GFRP的，这表明水分子、Na+、Cl-向189 GFRP内部扩散更容易。这两种玻璃钢的孔隙率相差不多，质量变化率的差异主要是由分子结构中的亲水性基团酯基的密度不同造成的，MFE-2环氧乙烯基酯树脂分子链上酯基的密度约为189不饱和聚酯树脂分子链上酯基的1/3，所以水分子向MFE-2 GFRP内部扩散更困难[12]。

图2 浸泡时间对质量变化率的影响Fig. 2 Effect of immersion time on mass variation rate

初始阶段，这两种玻璃钢试样的质量变化率与浸泡时间(以s1/2为单位)都呈线性关系，与Fick扩散行为一致[13]，这表明，玻璃钢在NaCl溶液中的扩散行为符合Fick第二扩散定律。由图3可见，单面扩散质量变化率在初始阶段与浸泡时间(以s1/2为单位)也呈线性关系，符合Fick第二扩散定律。

图3 单面扩散质量变化率拟合曲线Fig. 3 Fitting curves of unilateral diffusion mass variation rate

2.3 扩散系数

由于玻璃钢在海水中的质量变化率及单面扩散质量变化率在初始阶段符合Fick第二扩散定律，因此水分子、Na+、Cl-向玻璃钢内部扩散的复合扩散系数D可按式(1)计算[14]：

式中:x为玻璃钢试样的厚度；M∞为玻璃钢试样的最大质量变化率，%；M1为玻璃钢试样t1时间的质量变化率，%；M2为玻璃钢试样t2时间的质量变化率，%。

由于包覆在桩基础表面的玻璃钢防腐蚀层在服役过程中，仅外表面与海水接触，内表面与桩基础表面密封黏结，海水向玻璃钢内部的扩散是单方向的。可以通过玻璃钢试样在海水中单面浸泡的质量变化率以及玻璃钢试样的最大质量变化率计算单方向扩散系数。由图2曲线的最大质量变化率数据和图3曲线的斜率代入公式可求得189 GFRP和MFE-2 GFRP在海水中的扩散系数分别为3.47×10-11cm2/s、2.09×10-11cm2/s。扩散系数显示了海水向玻璃钢内部扩散速率的快慢，是表征海水向玻璃钢内部扩散速率的重要参数，对研究玻璃钢防腐蚀层的失效时间具有重要意义。

2.4 耐海水渗透寿命预测

玻璃钢在海水中的质量变化率符合Fick第二扩散定律，水分子、Na+、Cl-向包覆在桩基础表面的玻璃钢防腐蚀层内部的扩散为单方向扩散，且符合Fick第二扩散定律[15],见式(2)：

式中:∂C/∂t为由表面沿垂直表面方向上的浓度梯度；C为扩散介质的质量分数，%；t为扩散时间，s；D为扩散系数。

假设玻璃钢保护层的厚度为无限大，初始条件及边界条件为：C(x，t)=C0；C(0，t)=Cs；C(∞，t)=C0(x为玻璃钢的厚度，扩散方向为正方向，x≥0；t为扩散时间，s；C0为玻璃钢内部扩散介质的初始质量分数，%；Cs为玻璃钢表面扩散介质的质量分数，%)。

根据边界条件求解偏微分方程，结果见式(3)：

根据高斯误差函数的性质，当η﹤0.6时，η≈erfη，所以式(4)可简化为式(5)：

式(5)是在假设玻璃钢包覆层厚度为无限厚的条件下得到的，但对于扩散中的介质来说，包覆层的厚度并不影响介质的扩散行为，把在无限厚的玻璃钢中扩散的介质在某一具体厚度中取出来，介质的扩散行为是不受影响的。因此，这个公式也适用于厚度有限的玻璃钢包覆层。

根据式(5)及2.3节得到的扩散系数计算包覆厚度为2 mm的189不饱和聚酯玻璃钢和MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢的耐海水渗透寿命见表2。

由表2可见，2 mm厚的189 GFRP的耐海水渗透寿命为36 a，2 mm厚的MFE-2 GFRP的耐海水渗透寿命可达60 a，完全满足海洋工程高耐久性的要求。

表2 玻璃钢耐海水渗透寿命Tab. 2 Life resistant to seawater permeation of GFRP composites

2.5 玻璃钢防腐层包覆厚度设计

由式(5)可知，玻璃钢的防腐蚀寿命与扩散系数及包覆厚度有关。不同类型玻璃钢的扩散系数不同，玻璃钢包覆设计的厚度也不相同。同种玻璃钢的扩散系数是恒定的，设计寿命与玻璃钢包覆厚度成正比关系。常用的189 GFRP和MFE-2 GFRP的设计防腐蚀寿命与玻璃钢包覆厚度的关系如表3所示。

表3 设计防腐蚀寿命与玻璃钢包覆厚度的关系Tab. 3 Relation of design service life and thickness of GFRP composite layer

3 结论

(1) 对国内不同服役年限的玻璃钢包覆的桩基工程进行了现场调研，通过外观检测、开片检查及取样分析，服役18 a的玻璃钢没有出现氯离子渗透及树脂基体溶解腐蚀现象，玻璃钢在服役15 a后达到湿态极限弯曲强度。

(2) 采用Fick第二扩散定律理论建立了玻璃钢耐海水渗透寿命与扩散系数和包覆厚度之间的关系，2 mm厚的189 GFRP的耐海水渗透寿命为36 a，2 mm厚的MFE-2 GFRP的耐海水渗透寿命高达60 a。

(3) 采用玻璃钢对桩基础的浪溅区及水位变动区进行包覆是一项行之有效的高耐久性防腐蚀技术，能完全满足海洋工程高耐久性的要求，对提高桩基础在海洋环境中的耐久性具有重要意义。

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Protection Technology of Piles Foundation Engineering Wrapped with Glass Fiber Reinforced Plastic Composites

NIE Ya-nan, CHEN Ke-wei, ZHANG Yue-ran, WANG Cheng-qi

(CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science & Technology Research Institute Co., Ltd., Shanghai, 200032, China)

Field research was conducted to evaluate the national piles foundation engineering that adopted glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite layer as anti-corrosion measures in splash and tide zones. Mass variation rate method was used to study the diffusion behavior of seawater to GFRP composites. The second Fick's law of diffusion was used to predict the service life of GFRP composite layer, and the relationship between service life and thickness of GFRP composite layer was built. Results showed that the diffusion behavior of seawater to GFRP composites conformed to the second Fick's law of diffusion. With the thickness of 2 mm, the life resistant to seawater penetration of 189 GFRP composites was about 36 years; while the MFE-2 epoxy vinyl ester based GFRP composites was about 60 years. The GFRP composites showed excellent anti-corrosion property to seawater.

piles foundation; glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite; wrapping; anti-corrosion

10.11973/fsyfh-201703016

2015-10-30

王成启(1964-)，教授级高工，博士，主要研究方向为工程建筑材料，wcqtju@163.com

TQ323.4+2

A

1005-748X(2017)03-0235-05