海水對(duì)PHC管樁的腐蝕機(jī)理及其防治措施

柯宅邦

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230032；2.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于沿海地區(qū)的各類工業(yè)與民用建筑中[1]。但其在沿海地區(qū)應(yīng)用時(shí)，由于海水中含有能對(duì)混凝土造成侵蝕的氯離子和硫酸根離子，會(huì)對(duì)管樁的耐久性帶來不利的影響。

目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了PHC管樁在腐蝕環(huán)境中的耐久性試驗(yàn)。魏宜齡和李龍[2]進(jìn)行了管樁在不同腐蝕環(huán)境下的試驗(yàn)對(duì)比研究，并基于得出的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范提出了修改建議；唐孟雄[3]等進(jìn)行了管樁在不同濃度腐蝕溶液中的長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)，研究了管樁的耐久性及涂刷型水泥基滲透結(jié)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(chǔ)上預(yù)測(cè)了PHC管樁的使用壽命，探討了保護(hù)層厚度、砂漿層厚度及管樁內(nèi)封閉等因素對(duì)PHC管樁壽命的影響。

上述的研究結(jié)果表明：PHC管樁樁身在受到海水的侵蝕后，強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，嚴(yán)重影響其承載性能。為了更好的指導(dǎo)沿海地區(qū)的管樁應(yīng)用實(shí)踐，本文探討了海水對(duì)混凝土和鋼筋的腐蝕機(jī)理，并提出了對(duì)應(yīng)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(duì)PHC管樁的腐蝕機(jī)理

海水的成分較為復(fù)雜，含有多種離子，管樁長(zhǎng)期暴露在離子的侵蝕環(huán)境下會(huì)造成其承載性能的下降。在海水的眾多離子中，能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(duì)混凝土和鋼筋這兩種材料探討海水對(duì)它們的腐蝕機(jī)理。

2.1 海水對(duì)樁身混凝土的腐蝕機(jī)理

對(duì)于樁身混凝土來說，其屬于多孔介質(zhì)，內(nèi)部有大量的微孔隙。當(dāng)其處于海水的侵蝕環(huán)境下時(shí)，海水中的各類離子會(huì)滲入到混凝土內(nèi)部與其中的鈣離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使其耐久性降低。對(duì)于硫酸根離子來說，當(dāng)其進(jìn)入到混凝土內(nèi)部時(shí)，會(huì)與水泥石的某些固相組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶的鹽類，這些鹽類吸水后體積會(huì)發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力大于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞；對(duì)于氯離子來說，當(dāng)其進(jìn)入到混凝土內(nèi)部時(shí)，會(huì)與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成易溶于水的Ca(Cl)2和帶有結(jié)晶水且體積比反應(yīng)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(huì)造成PHC管樁的樁身混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹破壞，導(dǎo)致其樁身強(qiáng)度下降，嚴(yán)重影響其承載性能。

2.2 海水對(duì)內(nèi)部鋼筋的腐蝕機(jī)理

服役于沿海地區(qū)的PHC管樁，海水中的氯離子會(huì)在濃度差的作用下擴(kuò)散至管樁內(nèi)部的鋼筋，當(dāng)鋼筋表面的氯離子含量達(dá)到閾值時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜會(huì)在水、氧氣和氯離子的共同作用下發(fā)生破壞，最終導(dǎo)致鋼筋的銹蝕。鋼筋的銹蝕會(huì)導(dǎo)致其有效截面積的減小和與混凝土的粘結(jié)性能下降[6-7]。與此同時(shí)，由于PHC管樁在離心過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，氯離子在不同部位的滲透系數(shù)也不相同。這就使得鋼筋的某些部位由于氯離子滲透系數(shù)較快而率先達(dá)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(shù)較慢未出現(xiàn)鈍化膜消失的情況，鐵基體會(huì)與完好的鈍化膜形成電位差構(gòu)成腐蝕電池[8]，在氧氣和水分充足的情況下會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕（圖1）。

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

3 防治措施

由海水對(duì)PHC管樁的腐蝕機(jī)理可知，對(duì)于海水環(huán)境下PHC管樁的防治措施應(yīng)從以下兩個(gè)方面出發(fā)：一是提高樁身混凝土自身的防護(hù)能力，增加其防腐蝕性能；二是提高其內(nèi)部鋼筋的防護(hù)能力，增加其防腐蝕性能。下面主要從這兩方面出發(fā)介紹海水腐蝕環(huán)境下管樁應(yīng)用時(shí)應(yīng)做的防護(hù)措施。

圖1 腐蝕電池結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 提高混凝土防護(hù)能力

①優(yōu)化混凝土配比設(shè)計(jì)

由于混凝土屬于多孔介質(zhì)，海水中的離子會(huì)在濃度差的作用下滲入至混凝土內(nèi)部。因此，提高混凝土的密實(shí)度是減緩海水滲入至混凝土內(nèi)部的有效方法之一。國(guó)內(nèi)目前已有相關(guān)的研究報(bào)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(jié)構(gòu)抵抗氯離子侵蝕的能力。

②增加混凝土保護(hù)層厚度

混凝土保護(hù)層可以延緩海水進(jìn)入樁身內(nèi)部，防止內(nèi)部鋼筋銹蝕現(xiàn)象的發(fā)生，故保證其足夠的厚度是極為必要的。在國(guó)內(nèi)，目前已有的《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275-2000）[11]規(guī)定海水環(huán)境鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的最小保護(hù)層厚度應(yīng)分別不小于50mm和75mm，故加大保護(hù)層厚度對(duì)提高構(gòu)筑物耐久性具有顯著效果。

③混凝土表面涂層保護(hù)

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(nèi)部擴(kuò)散。目前常用的涂料主要包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯等，它們均具有優(yōu)良的防腐性能。但缺點(diǎn)是其揮發(fā)物會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅，故今后的防腐涂料應(yīng)向環(huán)保的方向發(fā)展。

3.2 提高鋼筋防護(hù)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(fā)生的化學(xué)物質(zhì)。鋼筋阻銹劑可以直接參與混凝土與鋼筋界面化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面形成鈍化膜，抑制混凝土與鋼筋界面發(fā)生的陽極或陰極化學(xué)反應(yīng)。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(fù)合型阻銹劑，它們或可以單一的抑制腐蝕的陰級(jí)或陽極反應(yīng)，或能同時(shí)抑制腐蝕的陰極和陽極反應(yīng)。在混凝土中添加鋼筋銹蝕劑具有操作簡(jiǎn)單，使用范圍廣以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，一般來說，可以滿足50年以上混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命要求。

②使用新型復(fù)合纖維筋

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，近年來國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)利用FRP筋來代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的工程案例。FRP筋是由多股連續(xù)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(huán)氧樹脂等）進(jìn)行膠合后，經(jīng)特質(zhì)的模具擠壓并拉拔成型的，其具備質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

在國(guó)內(nèi)新型PHC管樁的研發(fā)領(lǐng)域，郭楊[12]等人開發(fā)研制了采用玻璃纖維筋與鋼筋復(fù)合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（復(fù)合配筋管樁），進(jìn)行了復(fù)合配筋管樁與普通管樁受彎和受剪性能的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)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(shí)，復(fù)合配筋管樁還兼具耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是未來抗腐蝕性新型管樁研發(fā)的方向之一。

4 結(jié)論與展望

PHC管樁近年來已成為沿海地區(qū)建筑物基礎(chǔ)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(xué)因素共同作用導(dǎo)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(diǎn)，建立多種因素耦合條件下的PHC管樁耐久性壽命預(yù)測(cè)是必要的。未來，隨著材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，必將出現(xiàn)更多能替代普通鋼筋的新型復(fù)合材料，徹底解決PHC管樁在沿海區(qū)域應(yīng)用時(shí)的耐久性問題。