一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料及其施工方法

摘要

本发明提供一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料，按重量百分比计，包括如下组分：树脂40~60%；颜料0.3~1%；触变剂1~3%；紫外线吸收剂0.3~0.7%；引发剂1~2.5%；促进剂0.1~1.5%；玻璃纤维布35~55%。本发明还进一步提供了该种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料的施工方法。本发明提供的一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料，施工方便，一次施工即可达到海洋工程桩基础防腐层设计的要求厚度，施工周期短，对环境友好；与桩基础表面粘结强度高，不易脱落，防腐性能优异，具有高耐久性，能够保证桩基础在海洋环境中能满足50年抗氯离子渗透寿命的要求。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程桩基础防腐技术领域，涉及一种海洋工程桩基础防腐材料及其施工 方法，具体涉及一种高耐久性海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料及其施工方法。

背景技术

目前，海洋工程中常用的预应力钢筋混凝土桩基础主要有大管桩和PHC管桩。由于， 海水中氯离子侵蚀造成的桩基础耐久性下降、桩基础使用寿命缩短的问题在海洋工程界倍受 关注。众所周知，海水中的氯离子是强腐蚀性物质，直接暴露于海水中的预应力钢筋混凝土 大管桩及PHC管桩，当盐分渗透进混凝土达到钢筋表面时，会造成钢筋锈蚀，钢筋体积膨胀， 使混凝土胀裂、剥落、造成结构破坏。尤其是处于潮差区段的桩基础直接处于海水腐蚀最严 重的区域，是整个结构最易遭受侵蚀破坏的部位，桩基础耐久性也成为制约大型海洋工程结 构使用寿命的瓶颈技术。

现有技术通常采用高性能混凝土、阻锈剂和增加保护层厚度等从混凝土本体材料出发的 措施提高大管桩和PHC管桩的耐久性。采用上述从混凝土材料本体出发的技术措施，能保证 预应力钢筋混凝土桩基础的服役寿命达到50年。但随着工程质量要求的不断提高，一些大型 海洋工程的设计提出了100年设计基准期甚至更高的要求，仅从混凝土本体材料出发，对于 提高桩基础结构的耐久性作用有限，不能满足高耐久性设计要求。为了保证桩基础100年的 服役寿命，必须采用附加的防腐方式，而且附加的防腐方式在海洋环境中服役50年内不应发 生氯离子渗透。其中，提高预应力钢筋混凝土桩基础的耐久性，延长服役寿命最常用、有效 的附加防腐方式是在桩基础表面涂刷防腐蚀涂料，形成一定厚度的防腐涂层，将桩基础与海 水隔离开来，免受氯离子腐蚀。

现有预应力钢筋混凝土桩基础常用的防腐涂料主要有丙烯酸类涂料、聚氨酯类涂料和改 性环氧类涂料等。根据我国相关标准及规范的规定，500μm厚的这些涂层的抗氯离子渗透寿 命一般为10～20年，不能满足高耐久性防腐要求。而且表面涂层一般需要涂覆底漆、中间漆 和面漆等步骤，并且要求每层干燥固化后方可进行下一层涂覆施工，施工复杂；同时涂层一 道施工厚度较薄，约为50～100μm，需要多道施工方能达到设计要求，施工周期长；涂层的抗 紫外老化性能及力学性能差，容易产生应力开裂造成涂层脱落，失去防护效果。

因此，对于具有50年及以上的抗氯离子渗透要求的桩基础防腐措施，如果采用防腐蚀涂 层的防护方式，在桩基础服役期间需要多次维修，才能保证桩基础不受海水腐蚀破坏。涂层 的维修比较复杂，而且维修成本极高，涂层的维修步骤包括原有涂层的铲除、桩基础的表面 处理、涂刷新的涂层等。维修时，涂层在干燥固化之前不能与海水接触，否则涂层无法干燥 固化，由于涂层大都需要多道施工，现场维修几乎成为不可能完成的任务。

所以，现在希望提出一种新的高耐久性海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料及其 施工方法，要求施工周期短、力学强度高、耐海水腐蚀性好，保证桩基础50年内不发生氯离 子渗透。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种海洋工程预应力钢筋混凝土 桩基础防腐材料及其施工方法，通过采用一种高耐久性海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防 腐材料及其施工方法，用于解决现有技术中涂层防腐措施的缺陷，并能实现海洋工程100年 设计寿命的技术要求。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩 基础防腐材料，按重量百分比计，包括如下组分：

优选地，所述树脂为环氧乙烯基酯树脂。

更优选地，所述环氧乙烯基酯树脂选自双酚A型环氧乙烯基酯树脂MFE-2、双酚A型环 氧乙烯基酯树脂MFE-711中的任意一种。所述环氧乙烯基酯树脂能够用过氧化甲乙酮和异辛 酸钴在常温下反应固化，其中，过氧化甲乙酮与异辛酸钴会发生氧化还原反应，产生自由基， 进而引发树脂进行自由基聚合反应。

优选地，所述颜料选自铜铬黑、碳黑、氧化铁黑中的任意一种。

优选地，所述触变剂选自气相二氧化硅、聚酰胺蜡、有机膨润土中的任意一种。

优选地，所述紫外线吸收剂选自双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯、2-羟基-4-正辛 氧基二苯甲酮中的任意一种。

优选地，所述引发剂为过氧化甲乙酮。

更优选地，所述过氧化甲乙酮的活性氧含量为8.0～9.0wt％。

优选地，所述促进剂为异辛酸钴。

更优选地，所述异辛酸钴的有效钴含量为0.5～1.0wt％。

优选地，所述玻璃纤维布选自中碱玻璃纤维布CWR400D、无碱玻璃纤维布EWR400中 的任意一种。

更优选地，所述玻璃纤维布具备如下特征：克重不小于350g/m²，经向断裂强力不小于 1400N/2.5cm，纬向断裂强力不小于1200N/2.5cm。

本发明第二方面提供一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料在海洋工程桩基础 防腐中的应用。

本发明第三方面提供一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料的施工方法，包括 如下步骤：

1)桩的表面清理：清除预应力钢筋混凝土桩表面的污渍，使用树脂胶泥在桩表面涂 抹后固化，待用；

优选地，所述污渍为预应力钢筋混凝土桩表面需包覆区的油污及其它脏物、水泥浮浆及 其它松散物。

优选地，所述树脂胶泥的各组分及重量份为：环氧乙烯基酯树脂100份，过氧化甲乙酮 1.5份，异辛酸钴0.5份，水泥100份。

更优选地，所述环氧乙烯基酯树脂选自双酚A型环氧乙烯基酯树脂MFE-2、双酚A型环 氧乙烯基酯树脂MFE-711中的任意一种。

更优选地，所述过氧化甲乙酮的活性氧含量为8.0～9.0wt％。

更优选地，所述异辛酸钴的有效钴含量为0.5～1.0wt％。

更优选地，所述水泥为强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥。

优选地，所述树脂胶泥在桩表面涂抹是指使用树脂胶泥填满、抹平桩表面缺陷，使桩表 面平整。

优选地，所述固化时间为12-24h。更优选地，所述固化时间为24h。

2)树脂胶液的配制：按配比取颜料、触变剂、紫外线吸收剂、促进剂依次加入树脂 中搅拌均匀，再边搅拌边加入引发剂，待搅拌均匀后静置；

优选地，所述搅拌时间分别为1-2min。

优选地，整个胶液配制过程中，所述搅拌速率为800～1000r/min。

优选地，所述静置时间为3-5min。更优选地，所述静置时间为5min。

3)玻璃钢防腐层的包覆：在步骤1)经清理后的桩表面需包覆区均匀涂刷一层步骤 2)配制的树脂胶液，再缠绕一层玻璃纤维布，重复多次上述步骤后，在最外层 再均匀涂刷一层步骤2)配制的树脂胶液，然后在该层外缠绕一层聚酯薄膜；

优选地，所述玻璃纤维布进行缠绕时应拉紧，并使用刮板将玻璃纤维布刮平，缠绕完成 后，使用消泡辊进行辊压。能够有效排除玻璃纤维布与树脂界面之间的可见气泡。

优选地，所述重复步骤的次数为4次。

优选地，所述聚酯薄膜进行缠绕后，使用刮板将聚酯薄膜刮平。能够有效排除聚酯薄膜 与树脂界面之间的可见气泡。

4)将表面经步骤3)包覆后的预应力钢筋混凝土桩放置一段时间，即可使用。

优选地，步骤4)中，所述预应力钢筋混凝土桩放置12-24h后进行搬运操作。

更优选地，所述预应力钢筋混凝土桩放置24h后进行搬运操作。

优选地，步骤4)中，所述预应力钢筋混凝土桩放置大于等于7天后进行打桩作业。

更优选地，所述预应力钢筋混凝土桩放置7天后进行打桩作业。

如上所述，本发明的一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料及其施工方法，首 先，通过采用最佳的组分配方，并采用优化条件的施工方法，成型方式灵活、施工简单，一 次施工即可达到设计要求的厚度，包覆厚度达到2.0mm，施工周期短，对环境友好。其次， 该防腐材料的力学强度高，不易产生应力开裂，其弯曲强度不小于450MPa；与桩基础表面 粘结强度高，不易脱落，作为界面粘结强度表征的正拉强度不小于3.3MPa。最后，该防腐材 料的防腐性能优异，氯离子扩散系数达到2.50×10^-11cm²/s以下，并且在海洋环境中能满足50 年以上的抗氯离子渗透寿命的要求，具有高耐久性，能够保证桩基础在50年内不受海水腐蚀。 因此，本发明提出的高耐久性海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料及其施工方法与涂 层防腐措施相比具有巨大优势，在海洋工程桩基础防腐领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料的施工工艺流程示 意图。

图2显示为本发明的一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料试样的单面扩散质 量变化率与时间的关系示意图。

图3显示为本发明的一种海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料试样的质量变化率 与时间关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用 于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

以下实施例中使用的实验材料均可自市场上购买。

实施例1～实施例3

1、实验方法

清除干净预应力钢筋混凝土管桩表面需包覆区的油污及其它脏物、水泥浮浆及其它松散 物。然后，使用树脂胶泥填满、抹平桩表面缺陷，使桩表面平整。其中，树脂胶泥的各组分 及重量份为：环氧乙烯基酯树脂100份，过氧化甲乙酮1.5份，异辛酸钴0.5份，水泥100份。

待树脂胶泥固化12-24h优选24h后，开始包覆玻璃钢。同时，按配比取颜料、触变剂、 紫外线吸收剂、促进剂依次加入树脂中搅拌均匀，再边搅拌边加入引发剂，待搅拌均匀后静 置3-5min优选5min，即得树脂胶液。整个胶液配制过程中，搅拌时间分别为1-2min，所述 搅拌速率为800～1000r/min。

根据手糊成型方式，先在经清理后的桩表面需包覆区均匀涂刷一层树脂胶液，再缠绕一 层玻璃纤维布，缠绕玻璃纤维布时应拉紧，并使用刮板将玻璃纤维布刮平，缠绕完成后，使 用消泡辊进行辊压，能够有效排除玻璃纤维布与树脂界面之间的可见气泡。重复多次上述步 骤后，在最外层再均匀涂刷一层树脂胶液，然后在该层外缠绕一层聚酯薄膜，并用刮板刮平， 有效排除聚酯薄膜与树脂界面之间的可见气泡。其中，重复步骤的次数为4次，从而形成五 层树脂四层玻璃纤维布的玻璃钢防腐层。

将表面经包覆处理后的预应力钢筋混凝土桩放置12-24h优选24h后可进行搬运操作， 将表面经包覆处理后的预应力钢筋混凝土桩放置大于等于7天后可进行打桩作业。其中，形 成玻璃钢防腐层的防腐材料的原料组分的组成及重量百分比如表1所示。

表1实施例1-3中海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料配方表

2、抗氯离子渗透寿命试验及计算方法

2.1玻璃钢抗氯离子渗透寿命计算方法

本发明中提出的防腐材料为防腐性能优异的玻璃钢复合材料。海水中的氯离子向玻璃钢 复合材料内部的扩散符合Fick第二扩散定律：

$\frac{\partial C}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(D\frac{\partial C}{\partial x}\right)---(1-1)$

式中，C——扩散介质浓度；

t——扩散时间；

——由表面沿垂直表面方向上的浓度梯度；

D——扩散系数。

当D与C无关时，为理想扩散状态：

$\frac{\partial C}{\partial t}=D\frac{{\partial }^{2}C}{\partial x^2}---(1-2)$

我们假设玻璃钢保护层的厚度为无限大，则初始条件及边界条件为：

C(x，t)＝C₀，；

C(0，t)＝Cs；

C(∞，t)＝C₀；

式中，x——玻璃钢的厚度，扩散方向为正方向，x≥0；

t——扩散时间，s；

C₀——玻璃钢内部氯离子的初始浓度，％；

Cs——玻璃钢表面氯离子浓度，％；

根据边界条件求解偏微分方程，结果为：

$\frac{C-C_S}{C_0-C_S}=\mathrm{erf}\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}---(1-3)$

式中，C——时间t时玻璃钢内部x处的氯离子浓度，％；

为高斯误差函数。

是一个标准化比例，其取值范围为[0，1]，可以取整个扩散过程的平均值1/2来描 述在整个扩散过程中发生的平均扩散过程，也即：

$\frac{C-C_S}{C_0-C_S}=\frac{1}{2}=\mathrm{erf}\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}---(1-4)$

根据高斯误差函数的性质，当η﹤0.6时：

η≈erfη    (1-5)

所以，

$\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}=\frac{1}{2}---(1-6)$

即：

$t=\frac{x^2}{D}---(1-7)$

这个公式是在假设玻璃钢包覆层厚度为无限厚的条件下得到的，实际上玻璃钢包覆层的 厚度不是无限的，但对于扩散中的氯离子来说，包覆层的厚度并不影响氯离子的扩散行为， 把在无限厚的玻璃钢中扩散的氯离子在某一具体厚度中取出来，氯离子的扩散行为是不受影 响的。也就是说，这个公式也是适用于厚度有限的玻璃钢包覆层的。

扩散系数可由玻璃钢在海水中的质量变化率，按下式计算：

$D=\pi {\left(\frac{x}{4M^{\infty }}\right)}^2{\left(\frac{M_2-M_1}{\sqrt{t_2}-\sqrt{t_1}}\right)}^2---(1-8)$

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，％。

为质量变化率线性拟合曲线的斜率，由计算得到的扩散系数，根据公式(1-7)可 计算出玻璃钢的抗氯离子渗透寿命。

2.2氯离子扩散系数计算方法

包覆在桩基础表面的玻璃钢防腐层在服役过程中，仅外表面与海水接触，内表面与干燥 的桩基础表面密封粘结，海水向玻璃钢内部的扩散是单方向的。为通过玻璃钢在海水中的质 量变化率计算单方向扩散系数，需要进行玻璃钢试样在海水中单面浸泡的质量变化率试验。

2.2.1试验方法

玻璃钢试样质量变化率试验按国家标准GB/T1462-2005《玻璃纤维增强塑料吸水性能实 验方法》进行，试验介质为3.5％质量分数NaCl溶液，试验温度为25℃。质量变化率W_t按 下式计算：

$W_t=\frac{M_t-M_0}{M_0}\times 100\%$

式中，M₀为玻璃钢试样的初始质量，M_t为浸泡时间为t时试玻璃钢样的质量。

玻璃钢试样单面扩散质量变化率试验：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。

玻璃钢试样最大质量变化率试验：玻璃钢试样6个面均不包覆耐水环氧树脂直接放入溶 液中浸泡，绘制质量变化率与时间(s^1/2)关系曲线，曲线最高点即为玻璃钢试样最大质量变化 率。

2.2.2吸水率结果

以表1中实施例3配制的防腐材料为例，玻璃钢试样在3.5％质量分数NaCl溶液中单面 扩散质量变化率与时间(s^1/2)的关系如图2所示，最大质量变化率曲线与时间(s^1/2)的关系如图3 所示。

2.3抗氯离子渗透寿命计算

由图2中所示曲线的斜率、图3中所示曲线的最大质量变化率数据，根据上述公式(1-8) 计算实施例3中防腐材料的扩散系数，带入上述公式(1-7)，计算实施例3中防腐材料的抗氯 离子渗透寿命，并采用游标卡尺测量包覆厚度；具体数据结果见表2。

表2防腐材料的扩散系数及理论服役寿命

由表2可见，本发明中实施例3中防腐材料的抗氯离子渗透寿命超过50年，具有较高的 耐久性，能够满足海洋工程结构对防腐材料50年抗氯离子渗透寿命的要求，在高耐久性海洋 工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐领域具有广泛的应用前景。

3、性能测试结果

按表1中实施例1-3配比，根据上述施工步骤分别制得的海洋工程预应力钢筋混凝土桩 基础防腐材料，固化7天之后，剥取部分试样进行性能测试。根据国家标准GB/T 1449-2005 《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》测试试样的弯曲强度；根据国家标准GB/T 50367-2006 《混凝土结构加固设计规范》中附录F测试试样的正拉强度；采用游标卡尺测量包覆厚度； 并根据上述条款2中提供计算方法计算试样的抗氯离子渗透寿命(Fick第二扩散定律)和氯 离子扩散系数；相关性能数据结果见表3。

表3防腐材料的性能及抗氯离子渗透寿命

由表3可见，本发明提出的高耐久性防腐材料及其施工方法具有施工简单，一次施工即 可达到设计要求的包覆厚度2.0mm。该防腐材料的力学强度高，弯曲强度不小于450MPa； 与桩基础表面粘结强度高，作为界面粘结强度表征的正拉强度不小于3.3MPa。该防腐材料的 防腐性能优异，氯离子扩散系数达到2.50×10^-11cm²/s以下，抗氯离子渗透寿命均超过50年， 具有较高的耐久性，能够满足海洋工程结构对防腐材料的性能要求，高耐久性海洋工程预应 力钢筋混凝土桩基础防腐领域具有广泛的应用前景。

实施例4～实施例6

采用如上述实施例1～实施例3中相同的实验方法，其中，形成玻璃钢防腐层的防腐材料 的原料组分的组成及重量百分比如表4所示。

表4实施例4-6中海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料配方表

采用表4中组成配方制备的海洋工程预应力钢筋混凝土桩基础防腐材料，具有与实施例 1～实施例3中表3相近的性能结果，也具有力学强度高、界面粘结强度高、防腐性能好的优 点，防腐材料的抗氯离子渗透寿命超过50年，具有较高的耐久性，能够满足海洋工程结构对 防腐材料的性能要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。