玻璃纤维增强复合包覆层寿命预测

玻璃纤维增强复合包覆的防腐蚀技术，在国外的应用历史已经超过60年，而对其耐久性的认识是随着实践经验的积累而加深的。在20世纪70年代末，国际上复合材料科学界普遍认为其可靠寿命在30年以上，因为欧洲战后建立的玻璃钢储罐已经有30余年的使用寿命，而时至现在都认同玻璃钢的设计寿命可以在60年以上，因为这些结构一直完好地应用至今。日本海港工程研究所已经把玻璃钢列入具有50～100年寿命的工程方案。在著名的美国Pontchartrain湖大桥（LPC大桥）的1987年修复工程中，就是采用了纤维增强复合层（FRP）进行桩基修补，在1996年进行第二次修复时，专家们对多种修复方案进行比选，并对1987年的修补部位进行取芯试验，结果表明，1987年的FRP修补不仅有效地阻止了破坏的发展，而且复合层与桩体的黏结抗拉强度超过了桩的本体抗拉强度，因此对东海大桥的桩基进行机械缠绕玻璃纤维增强复合包覆层的防腐蚀技术具有保障性。

中交上海港湾工程设计研究院于20世纪80年代初开始对此项技术进行研究，并于1983年在上海石化总厂化工码头中首次应用于钢管桩防腐蚀试验，为国内首创。1986—2001年先后7次开包检测，未见任何锈蚀，如图7-14所示。1988年，又与华东理工大学合作完成了“FRP复合层在海水介质中的腐蚀特性”的课题研究，经过两年多的加速浸泡腐蚀、盐雾、介电特性、电子探针等试验与分析手段，综合评述了不同铺层、不同树脂的纤维复合材料在海水介质中的腐蚀特性，并从理论推算2.5mm以上复合层耐腐蚀寿命为58.1年。

玻璃钢的吸水过程是符合Fick扩散渗透定律的。

当只有单方向扩散时

图7-14　包覆层开包检测结果

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，即为理想扩散状态，即

平板试样单面扩散的质量变化若为Mt，且无限长时间后的饱和吸液量为M∞，则有

当Mt/M∞＜0.55时，可近似地给出的解为

当Mt/M∞＞0.55时，近似有(www.xing528.com)

苏联Tikhomrova等曾以Fick方程中的扩散系数D为变值，给出如下积分解，并用以推算塑料衬里的寿命

塑料衬里的寿命定义为Mt/M∞=0.999。

实际上，经常遇到的扩散渗透应是长时间的过程，寿命问题是Mt→M∞的过程，这时的曲线斜率（即扩散系数D）应小得多，此时应该用Mt/M∞＞0.55时的解，可仿照Tikhomrova的方法，定义Mt/M∞=0.99，当扩散系数D已知时，即可预测寿命，变换式（7-7）得到

根据试验求得在常温下海水中的Cl-对含玻纤毡的玻璃钢的扩散系数约为

D=0.92×10-10cm2/s

t=｛-4l2ln［（π2/8）（1-Mt/M∞）］｝/（Dπ2）

=｛-4×0.252×ln［（π2/8）×0.001］｝/（π2×0.92×10-10）

=58.1（年）

上面是根据扩散方程从理论上预测2.5mm的包覆层FRP能够坚持多长时间而不致使介质完全穿透包覆层。当然，这种推算只能是粗略的，还需做更多的论证。

作耐腐蚀玻璃钢设计时，按限定应变准则设计，FRP的寿命与所受的应变相关，管桩包覆层不承受其他外载荷，只承受收缩应力。据计算这种收缩应力造成的应变是0.02%，如果按图7-15进行寿命推测，那也是数百年之久了。

另外，根据工程实践进行类比推断寿命也是可以的。根据东京海港工程研究所的资料，他们已把FRP包覆列入具有50～100年寿命的工程方案。所以，我们有理由认为，东海风电二期钢管桩玻璃纤维复合包覆层完全能达到30年以上的防腐蚀寿命。

图7-15　内表面开裂的试验时间与应变