海水侵蝕環境下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中心，河南 開封 475004）

0 引 言

海洋環境下的混凝土結構加固工程中，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，FRP）因其輕質高強、耐酸堿腐蝕的特性，被逐漸應用到特殊環境中［1-2］。已有研究表明［3］，在海洋環境下，FRP材料與普通混凝土材料組成的復合結構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、樁身位移等參數分析CFRP復合樁耐腐蝕性能，研究結果可為海洋環境下樁基工程設計提供參考。

1 模型試驗

1.1 模型槽與土體參數

采用河南大學結構試驗室模型槽，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果的影響［12］。槽壁由鋼板拼裝組成。對模型槽內壁進行潤滑處理，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?？箯潉偠仍囼炓妶D2。

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，認為模型樁已經穩定［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，實測養護28 d后立方體試塊抗壓強度為42.3 MPa。待模型樁養護28 d后，在樁身黏貼1層CFRP布，并在樁身兩側黏貼應變片，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 試驗結果分析

2.1 樁身材料試驗結果

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），結果見表4。

表4 腐蝕前后抗拉強度變化規律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%?？梢钥闯?，CFRP復合材的耐侵蝕性能更好，這是因為CFRP復合材內部的碳纖維在酸堿溶液中具有優良的耐腐蝕性能。CFRP復合材強度下降的主要原因是樹脂基體與溶液發生水解反應，造成黏結應力下降。鋼筋強度降低主要是因為鋼筋在溶液中發生了銹蝕，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展程度。同時CFRP布與樁身界面可能發生黏結破壞，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布發出的聲響和斷裂特征綜合確定［17］。CFRP布發出輕微聲響時為第1個荷載點；一部分纖維絲發生斷裂，發出連續聲響時為第2個荷載點；纖維布發生斷裂，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）發現，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%?？梢娙嗽旌Ｋ畬?種樁型產生了不利的侵蝕影響，特別是鋼筋混凝土樁。CFRP復合樁表現出明顯的耐腐蝕性優勢，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。隨著荷載繼續增加，CFRP布發揮包裹作用，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于鋼筋混凝土樁。

2.3.2 樁身彎矩曲線

在樁身兩側黏貼應變片，利用CM-2B靜態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為408.5，417.5 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 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是在荷載與環境耦合作用下進行的，尋找一種荷載與環境耦合作用的海洋樁基試驗方法是今后的研究方向。