Cl离子腐蚀条件下CFRP筋混凝土桩的力学及应用性研究

倪正田

(大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011)

1 引 言

海洋环境中钢筋混凝土结构的耐久性问题一直是国内外研究的热点问题之一，由于海水中存在多种侵蚀性离子[1，2]，如：Cl离子、硫酸盐离子等。这些离子中有的会对混凝土产生侵蚀，比如硫酸盐离子；有的会对钢筋产生影响，比如Cl离子[3，4]，Cl离子会在钢筋混凝土内部形成原电池，从而加速钢筋混凝土中的钢筋锈蚀，从而导致混凝土开裂，钢筋力学性能降低等一系列影响，从而影响钢筋混凝土的耐久性和安全性。这一问题在桥梁与隧道工程及港口与码头工程中比较普遍，尤其是Cl离子对钢筋锈蚀的影响，会严重影响钢筋混凝土桩的承载力，从而导致一系列工程质量问题的出现，混凝土桩被腐蚀情况[5～8]，如图1所示。

针对这一问题，本文选择使用耐腐蚀非常好的碳纤维筋(Carbon Fiber Reinforced Polymers，简称CFRP筋)部分替代普通钢筋制备CFRP筋混凝土桩，将CFRP筋混凝土桩浸泡在Cl离子溶液中，研究CFRP筋混凝土桩在Cl离子溶液腐蚀环境下的力学性能，并对其应用性进行探索性研究。

图1钢筋混凝土桩腐蚀图

2 实验方案

2.1 原材料

(1)水泥：本文所使用的水泥为河北唐山冀东水泥股份有限公司生产的P·S·B型矿渣水泥，其强度等级为32.5。

(3)普通粗骨料：选用的普通粗骨料为碎石，连续级配，其最大粒级为 40 mm。

(4)CFRP筋：试验选用中山浦美复合材料有限公司生产的CFRP筋，其中受力钢筋公称直径为 10 mm的CFRP筋，箍筋公称直径为 6 mm的CFRP筋，其主要技术指标如表1所示。

CFRP筋的主要技术指标 表1

2.2 配合比

针对建筑工程中普遍使用的钢筋混凝土桩一般采用强度等级为C35的混凝土来浇筑，本文以混凝土强度为C35作为设计目标，进行了混凝土的配合比设计，混凝土配比如表2所示。

再生混凝土桩配料表(kg/m3) 表2

2.3 CFRP筋混凝土桩

使用CFRP筋部分替代普通钢筋制备CFRP筋混凝土桩，将混凝土桩按照1∶5的比例制作模型，桩径 200 mm，混凝土保护层厚度为 20 mm，桩长 1 m。CFRP筋混凝土桩的横断面图和剖面图如图2所示。

图2 CFRP混凝土桩

3 腐蚀环境下CFRP筋混凝土桩性能分析

为了对比研究普通钢筋混凝土桩和CFRP筋混凝土桩在腐蚀环境下的力学性能，本文制备了质量浓度分别为0.5%，1%、2%、3%、5%的NaCl溶液，将普通钢筋混凝土模型桩和CFRP筋混凝土模型桩浸泡在溶液中，研究内容分为两方面内容：第一方面，浸泡时间为90天，对比研究溶液浓度对钢筋混凝土桩和CFRP筋混凝土桩力学性能的影响；第二方面，将两种桩浸泡在浓度为2%的NaCl溶液中，研究浸泡时间对两种桩力学性能的影响，影响曲线如图3所示。

图3 Cl离子侵蚀作用下钢筋混凝土桩和CFRP筋混凝土桩的力学性能曲线

不同类型桩的桩身承载力(kN) 表3

图3为Cl离子侵蚀作用下钢筋混凝土桩和CFRP筋混凝土桩的力学性能曲线，从图3(a)中可以看出，在未受Cl离子侵蚀时，普通钢筋混凝土桩的单桩承载能力比CFRP筋混凝土的承载能力略高；当侵蚀龄期为90d，随着Cl离子溶液浓度的增加，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力逐渐下降，当Cl溶液浓度达到5%时，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力下降至 536 kN，下降幅度为15.2%；而对于CFRP筋混凝土桩来说，虽然起始时其单桩承载力较低，但是随着Cl离子浓度的增长其单桩承载力降低幅度较小，当Cl离子溶液浓度达到5%时，其单桩承载力为 558 kN，其下降幅度仅为3.1%；当Cl离子溶液浓度超高1%以后，CFRP筋混凝土桩的单桩承载力就会超过普通钢筋混凝土桩。不同类型桩的桩身承载力如表4所示。

不同类型桩的桩身承载力(kN) 表4

图3(b)为浸泡时间对混凝土桩单桩承载力的影响曲线，从图3(b)中可以看出，随着浸泡时间的延长，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力降低幅度较为明显，当浸泡时间达到150天时，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力为 513 kN，较未浸泡前单桩承载力降低了19.8%；对于CFRP筋再生混凝土桩，随着浸泡时间的延长，CFRP筋混凝土桩的单桩承载力有所下降，下降幅度较小，当浸泡龄期为150天时，其单桩承载力为 571 kN，较浸泡前，仅下降了1.6%。

4 结 论

对于在港口与码头工程、桥梁与隧道工程中的钢筋混凝土灌注桩，由于所处的环境比较复杂，环境中的氯离子和硫酸根离子会对混凝土和钢筋进行侵蚀，针对这一问题，本文使用CFRP筋部分替代普通钢筋制备CFRP筋混凝土桩，研究了钢筋混凝土桩和CFRP筋混凝土桩在Cl离子腐蚀环境下的力学性能影响，研究结果表明：

(1)随着侵蚀Cl离子浓度的增长，普通混凝土桩承载能力不断降低，当Cl溶液浓度达到5%时，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力下降至 536 kN，下降幅度为15.2%。

(2)随着侵蚀Cl离子浓度的增长，CFRP混凝土桩承载能力略有降低，当Cl溶液浓度达到5%时，CFRP混凝土桩承载能力为 558 kN，其下降幅度仅为3.1%。

(3)随着侵蚀龄期不断增长，普通混凝土桩承载能力不断降低，当侵蚀时间达到150天时，普通钢筋混凝土桩的单桩承载力为 513 kN，较未浸泡前单桩承载力降低了19.8%

(4)随着侵蚀龄期不断增长，普通混凝土桩承载能力不断降低，当侵蚀时间达到150天时，CFRP筋混凝土桩的单桩承载力有所下降，下降幅度较小，当浸泡龄期为150天时，其单桩承载力为571KN，较浸泡前，仅下降了1.6%。

(5)由于CFRP筋具有非常好的抗侵蚀能力，因此在腐蚀环境中，尤其是有Cl离子腐蚀的环境中，采用CFRP筋替代普通钢筋制备的混凝灌注桩具有较好的抗侵蚀能力。