海水侵蝕環(huán)境下CFRP復合樁水平承載特性研究

張建偉，樊亞龍，岳建偉，李榮翔，王浩

（1.河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004；2.河南省軌道交通智能建造工程技術(shù)中心，河南 開封 475004）

0 引 言

海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中，往往要求材料具有較高的強度和耐腐蝕性。纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）因其輕質(zhì)高強、耐酸堿腐蝕的特性，被逐漸應用到特殊環(huán)境中［1-2］。已有研究表明［3］，在海洋環(huán)境下，F(xiàn)RP材料與普通混凝土材料組成的復合結(jié)構(gòu)具有較好的耐腐蝕性，采用FRP筋代替鋼筋，可以有效解決海洋環(huán)境下建筑物的耐腐蝕性。張秀麗等［4］對玻璃纖維增強復合材料（glass fiber reinforced polymer，GFRP）進行了耐腐蝕性研究，將GFRP材料放置在堿溶液中，研究了GFRP材料腐蝕后的力學性能退化模型；M.H.Kabir等［5］使用兩種不同的黏合劑將CFRP布和鋼管樁黏結(jié)在一起，在寒冷天氣中放置了3，6個月進行耐久性試驗，從破壞荷載、剛度和破壞模式方面研究了CFRP加固鋼管樁后的短期耐久性能。

在FRP樁水平承載特性方面，S.R.Fam［6］進行了大尺寸GFRP增強塑料圓管試驗，并對比GFRP圓管和鋼管，研究其抗彎性能；M.Murugan等［7-8］研究了玻璃和碳纖維聚合物兩種纖維加固對RC樁的水平承載力影響，結(jié)果表明，纖維材料加固鋼筋混凝土（RC）樁可以提高樁的水平承載特性；J.G.Valez等［9］研究了軟黏土中FRP樁在水平荷載作用下的承載能力，由于FRP樁剛度較低，在側(cè)向荷載作用下，樁頭位移較大；A.Alsaad等［10］對CFRP包裹的混凝土圓柱在海洋環(huán)境中的性能進行了測試研究，隨著浸泡時間增加圓柱，圓柱極限承載力下降較小，位移和徑向應變顯著下降；徐寧等［11］分析了GFRP復合樁（普通混凝土樁身外包GFRP布）和普通混凝土樁的水平承載性能，結(jié)果表明，復合樁的水平承載性較普通混凝土樁有一定提升。

目前，關(guān)于CFRP復合樁耐腐蝕性的研究較少。本文對CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁開展腐蝕90，180 d的水平承載特性試驗，通過抗彎剛度、樁身位移等參數(shù)分析CFRP復合樁耐腐蝕性能，研究結(jié)果可為海洋環(huán)境下樁基工程設(shè)計提供參考。

1 模型試驗

1.1 模型槽與土體參數(shù)

采用河南大學結(jié)構(gòu)試驗室模型槽，如圖1所示，凈空尺寸長×寬×高＝4 m×2 m×2 m，模型槽短邊為20倍樁直徑，忽略邊界效應對試驗結(jié)果的影響［12］。槽壁由鋼板拼裝組成。對模型槽內(nèi)壁進行潤滑處理，減少槽壁摩擦。本試驗所需水平反力由加固后的槽壁提供。

圖1 模型槽Fig.1 Model tank

采用開封黃泛區(qū)粉砂土作為試驗用土。將模型樁放置于模型槽預定位置，分層填筑土體，每層20 cm，再整平壓實，保證土樣均勻密實。同時對土樣進行土工試驗，土體具體物理力學指標見表1。

表1 土體物理力學指標Tab.1 Physical indexes of soil mass

1.2 模擬腐蝕溶液配置

為了縮短試驗周期，采用快速腐蝕試驗方法，選擇5倍海水濃度的溶液作為侵蝕溶液，將復合樁與其他材料浸泡在溶液中。實際海水成分和人工配置海水成分見表2。

表2 海水成分質(zhì)量濃度Tab.2 Sea water component concentration

1.3 加載裝置

為了分析模型樁抗彎剛度隨腐蝕時間的變化規(guī)律，進行2種樁型腐蝕0，90，180 d的抗彎剛度試驗，試驗在ZT-FY30反力架上進行，采用兩點分級加載方式，每級荷載增量為0.5 kN，模型樁接近開裂荷載和極限荷載時，降低增量，確保試驗的精準性。抗彎剛度試驗見圖2。

圖2 抗彎剛度試驗Fig.2 Bending rigidity test

水平反力采用分級施加水平荷載，通過DY230-K1T2型壓力傳感器控制施加的水平推力。樁頂位移由放置在樁頂處的大量程百分表（量程50 mm）獲得。水平荷載增量設(shè)定為0.5 kN，分8級施加至4 k N。每級荷載施加后，若百分表變化小于0.01 mm，認為模型樁已經(jīng)穩(wěn)定［13］，此時記錄樁頂位移。水平加載試驗裝置如圖3。

圖3 水平加載試驗裝置Fig.3 Test device of horizontal loading

1.4 試驗方案

1.4.1 CFRP材料耐久性試驗

為了探究CFRP材料相對于普通鋼筋材料耐侵蝕性能的提升，取不同腐蝕時長的試件在拉力機上進行試驗，如圖4～5所示。

圖4 CFRP布拉伸試驗過程Fig.4 CFRP sheet tensile test process

圖5 CFRP筋拉伸試驗過程Fig.5 CFRP bar tensile test process

1.4.2 模型樁水平承載特性試驗

模型樁試驗工況見表3。模型樁長1.5 m，樁身截面0.1 m×0.1 m，保護層厚度10 mm。CFRP復合樁主筋為4根直徑10 mm的CFRP筋，混凝土樁主筋為直徑相同的普通鋼筋。樁身采用C40混凝土，水泥、水、砂子、石子的質(zhì)量配比為1∶0.41∶1.48∶2.21，骨料預先進行顆粒集配篩選，水泥標號為42.5，實測養(yǎng)護28 d后立方體試塊抗壓強度為42.3 MPa。待模型樁養(yǎng)護28 d后，在樁身黏貼1層CFRP布，并在樁身兩側(cè)黏貼應變片，應變片位置如圖6所示。

表3 試驗工況Tab.3 Test conditions

圖6 應變片布置圖Fig.6 Layout diagram of sensors

2 試驗結(jié)果分析

2.1 樁身材料試驗結(jié)果

分別對腐蝕后的CFRP布、CFRP筋、鋼筋進行拉伸試驗，每個腐蝕時長選取5組材料進行試驗，然后取5組試驗結(jié)果的平均值作為抗拉強度值（其中鋼筋為屈服強度、CFRP材料為極限強度），結(jié)果見表4。

表4 腐蝕前后抗拉強度變化規(guī)律Tab.4 Changes of tensile strength before and after corrosion

由表4可知，3種材料的抗拉強度均有一定程度退化，但退化速率明顯不同。腐蝕前鋼筋屈服強度為341.1 MPa，CFRP布極限強度為3 432.2 MPa，CFRP筋為1 987.5 MPa。腐蝕180 d后，鋼筋、CFRP筋、CFRP布的抗拉強度分別為297，3 204.7，1 881.4 MPa，比未腐蝕時的抗拉強度降低了12.93%，5.34%，6.64%。可以看出，CFRP復合材的耐侵蝕性能更好，這是因為CFRP復合材內(nèi)部的碳纖維在酸堿溶液中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。CFRP復合材強度下降的主要原因是樹脂基體與溶液發(fā)生水解反應，造成黏結(jié)應力下降。鋼筋強度降低主要是因為鋼筋在溶液中發(fā)生了銹蝕，隨著腐蝕時間增加導致鋼筋有效面積減少［14-15］。

2.2 模型樁抗彎剛度試驗結(jié)果

2.2.1 荷載-撓度曲線

為了對比不同腐蝕階段兩種樁型樁身抗彎剛度變化，開展不同腐蝕階段的抗彎剛度試驗，圖7為CFRP復合樁荷載-撓度曲線。

圖7 CFRP復合樁荷載-撓度曲線Fig.7 CFRP composite pile load-deflection curves

與普通鋼筋混凝土樁相比，復合樁樁身包裹CFRP布，不能直觀觀察到樁身裂縫的發(fā)展程度。同時CFRP布與樁身界面可能發(fā)生黏結(jié)破壞，主要表理為樁身外表面被撕掉［16］。CFRP材料為線彈性材料，從圖7中可以看出，CFRP復合樁沒有明顯的屈服過程。樁身破壞時的3個荷載點通過CFRP布發(fā)出的聲響和斷裂特征綜合確定［17］。CFRP布發(fā)出輕微聲響時為第1個荷載點；一部分纖維絲發(fā)生斷裂，發(fā)出連續(xù)聲響時為第2個荷載點；纖維布發(fā)生斷裂，樁身突然破壞時為第3個荷載點。未腐蝕階段的3個荷載點為7.5，13.5，18.5 kN；腐蝕90 d后為6.5，13.5，18.5 kN；腐蝕180 d后為6.5，12.5，17.0 kN。

加載初期，CFRP筋的彈性模量約為鋼筋的0.7倍，相同荷載下CFRP復合樁的撓曲變形大于鋼筋混凝土樁的。荷載達到7.5 kN時，兩者撓度值相同。隨著荷載增大，CFRP布開始發(fā)揮包裹作用。荷載加載到18.5 kN時，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的撓度為7.46，11.45 mm，CFRP復合樁比鋼筋混凝土樁的撓度小34.85%。對比圖8（b）、8（c）發(fā)現(xiàn)，3個腐蝕時期的曲線趨勢相同，荷載為18.5 kN時，腐蝕90 d后的CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的撓度為7.81，13.63 mm，CFRP復合樁比鋼筋混凝土樁的撓度小42.70%。腐蝕180 d后，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的撓度分別為8.55，16.27 mm，CFRP復合樁比鋼筋混凝土樁的撓度小47.45%。

圖8 2種樁型荷載-撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves of two types of piles

2.2.2 抗彎剛度

通過CM-2B靜態(tài)應變采集儀記錄荷載作用下樁身截面的應變，然后利用強度理論計算2種樁型的抗彎剛度，結(jié)果見圖9。

圖9 2種樁型抗彎剛度變化曲線Fig.9 Variation curves of bending stiffness of two types of piles

未腐蝕時，CFRP復合樁抗彎剛度比鋼筋混凝土樁的大12.42 kN·m2。隨著腐蝕時間增加，2種樁型的抗彎剛度不斷降低。腐蝕90，180 d后，鋼筋混凝土樁的抗彎剛度下降了11.41%和26.50%，復合樁下降了2.32%和7.89%。可見人造海水對2種樁型產(chǎn)生了不利的侵蝕影響，特別是鋼筋混凝土樁。CFRP復合樁表現(xiàn)出明顯的耐腐蝕性優(yōu)勢，表明樁身包裹CFRP布對抗侵蝕性能和抗彎剛度有顯著提升［18］。

2.3 水平承載力試驗結(jié)果

2.3.1 水平荷載-位移曲線

由水平承載樁靜載試驗，得到腐蝕0，90，180 d后的CFRP復合樁水平荷載-位移曲線，如圖10所示。隨著腐蝕時間增加，復合樁的樁頂位移不斷增加，單樁水平承載力逐漸降低。當水平荷載小于1 k N時，CFRP復合樁的水平位移隨著荷載增加呈線性增加。當荷載繼續(xù)增大，大于1 kN時，水平位移隨荷載增加呈非線性變化。當荷載施加至4 kN時，腐蝕0，90和180 d的CFRP樁頂位移分別為12.11，13.12和14.22 mm，腐蝕180 d后的位移值較未腐蝕時增加17.4%。表明人工海水對CFRP復合樁水平承載力會造成一定程度的影響。

圖10 CFRP復合樁水平荷載-位移曲線Fig.10 Horizontal load-displacement curves of CFRP composite pile

圖11為2種樁型的水平荷載-位移曲線對比圖。未腐蝕階段，在加載初期，鋼筋的彈性模量大于CFRP筋的，造成鋼筋混凝土樁的樁頂位移小于CFRP復合樁的樁頂位移。當荷載增至2.5 kN時，2種樁型的位移相同。隨著荷載繼續(xù)增加，CFRP布發(fā)揮包裹作用，很大程度上減小了復合樁的水平位移。當荷載加載至4 kN時，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的樁頂位移分別為12.11，13.31 mm。未腐蝕時，復合樁承載性能更好。腐蝕90 d后，2種樁型的樁頂位移變化趨勢與未腐蝕時相同，荷載為2.5 kN時，二者樁頂位移相等。荷載增加至4 kN時，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的樁頂位移分別為13.12，15.68 mm，CFRP復合樁比鋼筋混凝土樁的樁頂位移小16.33%。腐蝕180 d后，荷載為2.5 kN時，二者樁頂位移相等。荷載增加至4 kN時，復合樁和鋼筋混凝土樁的位移為14.22，18.65 mm，復合樁比鋼筋混凝土樁的位移小23.75%。

圖11 2種樁型水平荷載-位移曲線對比Fig.11 Comparisons of horizontal load-displacement curves of two types of piles

腐蝕180 d后，水平荷載為4 kN時，與未腐蝕時相比，鋼筋混凝土樁樁頂位移增加40.12%，復合樁僅增加17.42%。CFRP復合樁腐蝕后的水平承載性能優(yōu)于鋼筋混凝土樁。

2.3.2 樁身彎矩曲線

在樁身兩側(cè)黏貼應變片，利用CM-2B靜態(tài)應變采集儀收集樁身應變，并通過計算求得樁身彎矩分布［19］。圖12為水平荷載4 kN時各腐蝕階段2種樁型的樁身彎矩對比圖。未腐蝕階段，2種樁型表現(xiàn)出柔性長樁的特性［20］，彎矩沿樁身先增大后減小。鋼筋混凝土樁和復合樁的樁身最大彎矩在樁深0.45 m處（0.3倍樁長），分別為423.9，389.1 N·m；腐蝕90，180 d后，樁身承載特性出現(xiàn)退化，鋼筋混凝土樁樁身最大彎矩分別為467.4，514.1 N·m，CFRP復合樁樁身最大彎矩變?yōu)?08.5，417.5 N·m。與未腐蝕階段相比，腐蝕180 d后的鋼筋混凝土樁最大彎矩增加21.29%，復合樁僅增加7.30%。

圖12 2種樁型彎矩曲線對比Fig.12 Comparisons of bending moment curves of two types of piles

3 結(jié) 論

（1）海洋工程中應采用抗腐蝕性能強的CFRP復合樁，該樁以CFRP筋作為受力筋，并在樁身黏貼CFRP布。與普通鋼筋混凝土樁相比，CFRP復合樁耐腐蝕性能更好，腐蝕后水平承載性能下降較小。

（2）與未腐蝕階段相比，腐蝕180 d后，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的樁身抗彎剛度分別下降7.89%和26.50%。在樁頂施加4 kN的水平荷載，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的水平位移分別增加17.42%和40.12%，CFRP復合樁和鋼筋混凝土樁的最大彎矩分別增加7.30%和21.29%。

（3）本文先采用腐蝕溶液對試件進行浸泡腐蝕，然后進行力學特性試驗。而海洋樁基的真實工作狀態(tài)是在荷載與環(huán)境耦合作用下進行的，尋找一種荷載與環(huán)境耦合作用的海洋樁基試驗方法是今后的研究方向。