多重防腐錨桿抗腐蝕性試驗研究

李 錚 ，汪 波 ，何 川 ，李福海，朱 培，宋 洋

（1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引 言

巖土錨固是利用埋設(shè)在地層中的錨桿，將結(jié)構(gòu)物與地層聯(lián)鎖，依賴錨桿與周圍地層的抗剪特性傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力或使地層自身得到加固，采用錨桿對巖土錨固是一種行之有效的支護措施。錨桿的耐久性是影響其在結(jié)構(gòu)與地層中使用壽命的主要因素，而對錨桿壽命的最大威脅來自腐蝕。一般情況下，在錨桿安裝使用20年后都需對工程進行加固處理，費工、費時且耗資巨大[1]。但錨固系統(tǒng)腐蝕以及耐久性研究理論和實踐還相對欠缺，因錨桿耐久性不足而導(dǎo)致工程失效的情況時有發(fā)生，例如美國世貿(mào)大廈基礎(chǔ)中的實心鋼筋錨桿在因煤渣形成的酸性腐蝕性環(huán)境中發(fā)生銹蝕并斷裂[2]；我國南方某銅礦區(qū)采用普通硅酸鹽水泥砂漿灌注錨桿，由于腐蝕環(huán)境的影響，兩年后表層砂漿變?yōu)槎垢粯拥乃缮Ⅲw[3－4]。造成以上現(xiàn)象主要是由于普通錨桿抗腐蝕性較弱，人們對其耐久性認知不足，需要進一步深入研究。

國內(nèi)外學(xué)者對錨固類結(jié)構(gòu)耐久性和防腐性研究已經(jīng)取得了一定的成果，趙健等[5]采用了室內(nèi)模擬試驗研究并探討了錨桿在多因素耦合腐蝕條件（潮濕空氣和硫酸鈉溶液）下的腐蝕機制；鄧德華等[6]根據(jù)錨固用水泥砂漿的流動性、均質(zhì)性、自收縮性能及抗硫酸鹽侵蝕性能等因素，提出改善錨固體抗腐蝕性能的技術(shù)措施；國外的Indraratna等[7]通過錨桿加固巖體的力學(xué)模型分析了錨桿各項物理參數(shù)對圍巖屈服范圍和變形的影響；Suresh等[8]通過試驗研究了幾種不同型號的防腐錨桿在腐蝕溶液中的溫度敏感性，得到了溫度對錨桿耐久性的影響。然而，既有的研究成果對錨桿的抗腐蝕性涉足尚淺。工程實踐表明，錨桿的防腐性對地下結(jié)構(gòu)的長期工作起著至關(guān)重要的作用，因此，有必要開展針對防腐性錨桿的專項研究。

本文首先介紹了地下結(jié)構(gòu)中錨桿的腐蝕原理，提出針對提高錨桿防腐性能的多重防腐構(gòu)造并介紹了多重防腐錨桿的防腐機制，闡述了多重防腐錨桿在腐蝕環(huán)境中的優(yōu)越性。在防腐錨桿抗腐蝕性試驗中，制作了批量的雙重和多重防腐錨桿試驗構(gòu)件，將構(gòu)件置于不同的腐蝕環(huán)境中每隔一個月觀察防腐錨桿受侵蝕后的外觀變化，并測試錨桿的最大抗拔力，對比分析兩種防腐錨桿中錨筋與水泥砂漿間的粘結(jié)強度和滑移位移的關(guān)系，最終判定雙重和多重防腐錨桿的抗腐蝕性能。

2 多重防腐錨桿的構(gòu)造與性能

由于跨越江海的水下隧道和處于腐蝕性地下環(huán)境的山嶺隧道數(shù)量日益增多，普通砂漿錨桿已難以滿足支護結(jié)構(gòu)的防腐性能要求。工程實踐表明，巖土錨桿的腐蝕來源除空氣之外，還有巖土體環(huán)境及地下水，后兩者對錨桿的腐蝕作用較前者更為明顯。已有研究成果表明，錨桿在地層中的腐蝕以化學(xué)腐蝕和散亂電流腐蝕為主，地層中的腐蝕介質(zhì)通過地下水和空氣共同作用在錨桿外表面，引起砂漿和錨桿的腐蝕，從而導(dǎo)致錨固失效[9]。

目前，錨桿的防腐措施主要有隔離法和絕緣法，其原理均是使存在于地層或巖體裂隙中的水與空氣盡量不與錨筋接觸[10－11]。通常采用的隔離方法有注漿包裹保護、錨桿涂（樹脂）鍍（鋅）法、套管隔離法等。采用上述兩種防腐措施的錨桿稱為雙重防腐錨桿，3種及以上防腐措施的錨桿稱為多重防腐錨桿。多重防腐錨桿一般由全螺紋實心錨桿體、波紋套管、注漿囊、鋼質(zhì)脹殼錨固件、拱形墊板等部分組成，此處以DCP型多重防腐錨桿[12]為例（見圖1），其構(gòu)造特點主要有：錨桿體外設(shè)置了注漿囊和波紋套管，注漿固結(jié)后在錨桿體與波紋套管內(nèi)壁的空腔和波紋套管外壁與鉆孔（巖）壁的空腔形成雙層注漿粘結(jié)包裹的支護體系；鋼質(zhì)漲殼錨固件能夠及時形成端頭錨固支護；全螺紋實心錨桿還可采用熱浸鍍鋅或其他方式達到多重防腐效果。

圖1 DCP型多重防腐錨桿構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure of the DCP multiple anticorrosive bolts

普通砂漿錨桿或中空注漿錨桿僅考慮注漿層作為防腐措施，而錨桿在實際工程中服役時注漿層并不能視為絕對不透水、不透氣，水泥漿層中毛細孔道的存在加上錨桿安裝時注漿不飽滿、注漿體受巖層錯動變形的影響產(chǎn)生開裂、錨桿體在鉆孔中的偏置等，都容易導(dǎo)致水和空氣對錨桿體的侵蝕而加快錨桿腐蝕[13－14]。實際工程中普通錨桿受水和空氣侵蝕情況主要有以下幾種：①錨筋不居中導(dǎo)致沿錨桿軸向注漿層薄的地方易受腐蝕；②錨桿安裝過程中注漿體可能因干固或巖層錯動剪切開裂，水和腐蝕介質(zhì)蓄積在裂隙中引起錨桿體銹蝕；③注漿時空氣不易排出，鉆孔位置存在氣穴，暴露在氣穴處的鋼筋極易受腐蝕。

由于普通防腐錨桿防腐效果不理想，故在其錨筋表面涂上防腐層，再在水泥漿中設(shè)置一圈既耐久又能隔離腐蝕介質(zhì)的套管（高密度聚乙烯HDPE波紋管）形成錨桿的多重防腐體系。涂（樹脂）鍍（鋅）防腐層是防止錨筋銹蝕的主要措施，設(shè)置套管并在套管內(nèi)壁與錨筋間的環(huán)狀空間、套管外壁與錨桿安裝用鉆孔孔壁間的環(huán)狀空間灌注水泥注漿體，兩層注漿體和套管可以有效地將腐蝕介質(zhì)與錨桿體隔離開，達到防腐目的。在多重防腐錨桿中，水、氣等介質(zhì)均難以穿透套管接觸到錨桿體。因此，由注漿不飽滿、巖體和注漿體產(chǎn)生裂紋、錨桿體在鉆孔中偏斜等原因造成的錨桿腐蝕得到了改善。

3 試驗方法與方案

3.1 試驗構(gòu)件

本試驗使用的錨桿試件采用兩種不同防腐方式：第1種為雙重防腐錨桿（見圖2(a)），在錨筋外壁涂刷環(huán)氧樹脂涂層后進行試件灌漿成型；第2種為多重防腐錨桿（見圖2(b)），它與第1種的區(qū)別在于水泥注漿層中設(shè)有高密度聚乙烯波紋管。

圖2 試驗構(gòu)件示意圖Fig.2 Structural representation of test members

雙重防腐錨桿采用直徑為25 mm的錨筋，多重防腐錨桿采用直徑為20 mm、長度介于300～400 mm之間的帶肋鋼筋，成型模具內(nèi)直徑為50 mm的PVC管，PVC管長介于300～400 mm間，詳見圖3。

圖3 防腐錨桿實物圖Fig.3 Factual pictures of anticorrosive bolts

3.2 腐蝕環(huán)境的模擬

試驗中使用無水硫酸鈉及無水氯化鈉來配置不同濃度的溶液以模擬實際工程中的腐蝕環(huán)境。溶液具體參數(shù)見表1。

表1 腐蝕環(huán)境參數(shù)Table 1 The parameters for corrosive environment

3.3 試驗儀器

本研究需要記錄腐蝕時間并測試防腐錨桿腐蝕后拉拔力大小。拉拔力測試在100 t液壓式萬能試驗機（見圖4）上進行。為了與試驗機加載裝置相適應(yīng)，自行設(shè)計開發(fā)了變空間粘結(jié)力拉拔儀（見圖5），利用拔出法測試錨桿腐蝕后抗拔力值。測試錨筋與注漿層之間的滑移位移時，在錨桿頂端固定千分表（見圖6）。

圖4 液壓式萬能試驗機Fig.4 Universal testing machine of hydraulic type

圖5 變空間黏結(jié)力拉拔儀Fig.5 Cohesive drawing instrument with variable space

圖6 測量錨桿位移Fig.6 Measuring displacement of anchor

3.4 試驗步驟

試驗的具體步驟如下：

（1）將試驗構(gòu)件水平放置在萬能試驗機的活動平臺上，工作活塞連同活動平臺一同上升，頂壓固定橫梁對其進行加載。通過對大量構(gòu)件加載研究發(fā)現(xiàn)：10 kN荷載可將錨桿體PVC模具開裂去除，同時水泥漿產(chǎn)生可見裂縫而不損壞內(nèi)部的高密度聚乙烯HDPE波紋管。

（2）將大量加載后表面產(chǎn)生可見裂縫的試驗構(gòu)件置于不同條件的腐蝕環(huán)境內(nèi)，使腐蝕介質(zhì)進入錨桿注漿層裂縫中。

（3）每隔一個月，從每種腐蝕環(huán)境下的雙重和多重防腐錨桿中各取出5根，觀察構(gòu)件注漿層的表觀變化，分別測試雙重和多重防腐錨桿拉拔力并記錄兩類錨桿極限拉拔力平均值，最后觀察錨筋的銹蝕程度。

（4）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出防腐錨桿構(gòu)件在不同腐蝕環(huán)境中極限拉拔力與時間的對應(yīng)關(guān)系圖，分析比較不同時間點上構(gòu)件的抗腐蝕能力。

（5）測試兩種防腐錨桿在不同腐蝕環(huán)境中錨筋與注漿層間的滑移位移，分析試驗構(gòu)件腐蝕后粘結(jié)強度與滑移位移的關(guān)系。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗構(gòu)件表觀變化

通過對不同腐蝕程度的水泥漿錨桿試件表觀變化對比發(fā)現(xiàn)，在腐蝕初期，由于試件腐蝕程度較小，其外觀上的變化與加載后未腐蝕的錨桿相比并不明顯，但隨著腐蝕程度及環(huán)境的不同，試件表面開始發(fā)生不同的變化。

經(jīng)1個月的腐蝕后，兩種錨桿灌漿料表面經(jīng)加載產(chǎn)生的細微裂縫未發(fā)現(xiàn)明顯的延伸或貫通現(xiàn)象；經(jīng)6個月的腐蝕后，部分雙重防腐錨桿灌漿料表面的裂縫明顯加大甚至呈現(xiàn)出貫通的現(xiàn)象，而多重防腐錨桿未出現(xiàn)貫通裂縫（見圖7）。雙重防腐錨桿經(jīng)拉拔試驗后，部分試件出現(xiàn)明顯的銹跡并產(chǎn)生部分銹層，局部銹坑較深；而多重防腐錨桿經(jīng)拉拔試驗后，錨筋未發(fā)現(xiàn)明顯的銹跡（見圖8）。

圖7 錨桿表觀裂縫Fig.7 Cracks on bolts surface

4.2 防腐錨桿極限拉拔力分析

將試驗構(gòu)件置于變空間粘結(jié)力拉拔儀中，利用萬能試驗機的下夾頭固定錨筋，上夾頭拉升變空間粘結(jié)力拉拔儀進行拉拔試驗，測試雙重與多重防腐錨桿在不同腐蝕環(huán)境中的極限抗拔力，如表2所示，防腐錨桿極限抗拔力與腐蝕時間的變化關(guān)系如圖9所示。

以圖9(a)為例，可以看出，防腐錨桿在氯化鈉溶液內(nèi)，侵蝕時間的延長和氯化鈉濃度的加大均會使防腐錨桿極限抗拔力發(fā)生不同程度的降低，但同一濃度下多重防腐錨桿的拉拔力始終大于雙重錨桿且差值隨時間越來越大。處于1.5%氯化鈉溶液中雙重防腐錨桿經(jīng)6個月腐蝕后，其極限荷載較第1個月降低30.2%，而多重防腐錨桿極限荷載降低了17.8%（試驗構(gòu)件的錨固長度為300 mm，相較于實際錨桿3～12 m的錨固段長度，存在尺寸效應(yīng)，拉拔力衰減明顯[15]）；腐蝕環(huán)境濃度提高后（3.0%氯化鈉溶液），雙重防腐錨桿極限抗拔力衰減程度更甚于同等條件下多重防腐錨桿。結(jié)果表明，在氯化鈉溶液腐蝕環(huán)境下，多重防腐錨桿抗腐蝕能力明顯高于雙重防腐錨桿。

表2 防腐錨桿拉拔試驗極限荷載Table 2 Ultimate load of corrosion anchor pull-out test

圖9 不同環(huán)境下的錨桿拉拔力Fig.9 Drawing force of bolts in different conditions

圖9(b)～(d)的結(jié)果同樣表明：不同腐蝕環(huán)境中多重防腐錨桿抗腐蝕性能均優(yōu)于雙重防腐錨桿，試驗分析過程類似，故不贅述。其中，圖9(b)所示硫酸鹽溶液中錨桿拉拔力隨時間均出現(xiàn)先升后降的變化過程，這是由于腐蝕初期，硫酸鹽溶液產(chǎn)生結(jié)晶填充了試驗構(gòu)件經(jīng)加載產(chǎn)生的細微裂縫，阻礙了腐蝕因子的侵蝕，反而使其拉拔力在初期有所提高[16]。圖9(c)所示混合溶液中，錨桿拉拔力在前兩個月變化不大，這是由于硫酸根與氯離子在注漿層中擴散，與水泥水化產(chǎn)物的合成物和Cl-生成Friede鹽[17－18]堵塞孔隙，延緩腐蝕因子擴散，短期內(nèi)起到相互牽制效應(yīng)?？偟膩碚f，對于同一種防腐錨桿而言，硫酸鹽溶液中錨桿試件經(jīng)腐蝕后的極限抗拔力衰減程度始終大于其他腐蝕環(huán)境中的試驗構(gòu)件，表明錨桿在硫酸鹽溶液中腐蝕程度最為嚴重。

值得一提的是在標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護環(huán)境中，對錨桿起腐蝕作用的主要為空氣中的腐蝕因子，通過實測值表明，錨桿極限抗拔力減小緩慢。其中，在標準養(yǎng)護（95%濕度）下極限拉拔荷載隨著齡期的延長而逐漸降低，多重防腐錨桿較雙重防腐錨桿仍然具有優(yōu)越的防腐蝕性。在自然養(yǎng)護（70%濕度）下，兩種防腐錨桿的拉拔力衰減程度幾乎相同，雙重與多重防腐錨桿的抗腐蝕性能較為接近。

4.3 防腐錨桿粘結(jié)強度與滑移位移變化關(guān)系

雙重和多重防腐錨桿進行粘結(jié)強度試驗，將千分表固定在每根錨桿頂端，在儀器拉拔錨桿的同時測量錨筋與水泥砂漿間的粘結(jié)強度值和滑移位移。試驗記錄錨桿發(fā)生8 mm滑移位移中荷載的變化過程，其中前4 mm滑移位移每間隔0.2 mm觀測并記錄一次荷載值，后4 mm滑移位移每間隔0.5 mm觀測并記錄一次荷載值。以下給出防腐錨桿在腐蝕1、4、6個月時的荷載位移變化圖（見圖10～12）。

圖10 防腐錨桿荷載-位移圖（1個月）Fig.10 Load-displacement diagrams of anticorrosive bolts(one month)

圖11 防腐錨桿荷載-位移圖（4個月）Fig.11 Load-displacement diagrams of anticorrosive bolts(four months)

圖12 防腐錨桿荷載-位移圖（6個月）Fig.12 Load-displacement diagrams of anticorrosive bolts(six months)

從兩種置于不同環(huán)境中的防腐錨桿經(jīng)過不同腐蝕時間后的荷載-位移圖可知：

（1）當錨筋與注漿層粘結(jié)強度達到最大值時，雙重防腐錨桿在腐蝕1、4、6個月時滑移位移分別集中在1.75～2.32、1.96～3.21、2.08～3.86 mm區(qū)間；而多重防腐錨桿集中在1.48～2.09、1.69～2.37、1.84～2.70 mm區(qū)間。相比于雙重防腐錨桿，無論在哪一種腐蝕環(huán)境中多重防腐錨桿受力均產(chǎn)生更小的滑移位移，抗腐蝕性和耐久性有明顯提升。

（2）腐蝕性離子在溶液中和水泥漿內(nèi)部的組成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹性物質(zhì)，逐漸引起注漿層開裂，隨著時間的增長導(dǎo)致裂縫擴展，注漿層與錨筋之間的粘結(jié)強度也不斷降低，在濃度為5%的硫酸納溶液中最為明顯，但多重防腐錨桿由于注漿層中套管具有良好的隔離性，其粘結(jié)強度降低的程度遠小于雙重防腐錨桿，相同粘結(jié)強度下產(chǎn)生的滑移位移也較小。

（3）防腐錨桿粘結(jié)強度超過極值后，出現(xiàn)平緩的下降過程，同一種腐蝕環(huán)境中多重防腐錨桿的殘余強度值更大。

5 結(jié) 論

（1）腐蝕溶液中的雙重防腐錨桿試件，腐蝕介質(zhì)經(jīng)細微裂縫滲透到錨桿試件內(nèi)部，與金屬錨桿直接接觸引起鋼筋銹蝕，銹層產(chǎn)生膨脹又會加劇注漿層的裂縫，導(dǎo)致雙重防腐錨桿的抗拔力有較大下降。

（2）多重防腐錨桿由于在水泥漿中設(shè)置了套管，兩層注漿體與套管共同作用將腐蝕介質(zhì)與錨桿體隔離開，因此，在不同腐蝕壞境中其拉拔力始終高于雙重防腐錨桿，防腐優(yōu)越性十分明顯，并且在同一濃度下拉拔力差值隨時間的延長而不斷增大，試驗結(jié)果表明，多重防腐錨桿的防腐優(yōu)勢隨著時間增加更為顯著。

（3）在腐蝕初期，由于硫酸鹽結(jié)晶的物理腐蝕作用，防腐錨桿拉拔力出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象；混合溶液的腐蝕因子在短期內(nèi)產(chǎn)生了相互牽制效應(yīng)，防腐錨桿的拉拔力在前兩個月變化不大。

（4）標準養(yǎng)護下的錨桿，氧氣、水和二氧化碳與金屬錨桿發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致拉拔力下降，極限拉拔荷載隨著齡期的延長而逐漸降低；自然養(yǎng)護下，水分的散失引起注漿層開裂導(dǎo)致其強度下降，但兩種防腐錨桿的拉拔力衰減程度幾乎相同。

（5）不同腐蝕環(huán)境中的構(gòu)件在腐蝕后，多重防腐錨桿產(chǎn)生相同滑移位移對應(yīng)的粘結(jié)強度更大，且粘結(jié)強度超過極值后的殘余強度始終大于雙重防腐錨桿，粘結(jié)強度與滑移位移的變化關(guān)系同樣表明，多重防腐錨桿抗腐蝕性能更加優(yōu)越。

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