一种基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构

1.本发明属于桩基工程领域，具体涉及一种基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构，尤其适用于海洋基础工程中各类型基础桩型的耐久性提升设计。


背景技术：

2.随着海洋工程建设的飞速发展，各种类型的桩基工程纷纷涌现。钢筋混凝土作为一种基础的材料结构形式，在海洋桩基工程中受到广泛应用。钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种基础材料组成，其中混凝土材料由于内部天然存在的孔道或微裂隙等，为海洋环境下各种侵蚀性物质进入提供了天然通道，随着时间积累导致内部环境恶化，如氯离子浓度不断上升、孔隙液环境中性化等，而孔隙内部环境恶化破坏了混凝土材料各组分以及钢筋的稳定存在的条件，使得混凝土材料组分陆续分解、钢筋腐蚀，桩基承载能力下降。因此，各类陆岸基础桩型在海洋环境下的耐久性面临挑战。
3.现有钢筋混凝土结构耐久性提升方法主要有：混凝土防腐法、钢筋防腐法、涂料防腐法、阴极保护法四种，其中，前三种方法通过提升混凝土、钢筋两种材料的抗侵蚀性达到结构耐久性目的，如使用高强混凝土、耐腐蚀钢筋、涂料刷漆等；最后一种方法则利用电化学原理进行保护。现有防腐措施在结构使用过程中无法主动调整应对可能出现的海洋环境恶化，而且大多容易随时间发展而逐渐失效，使用寿命较短，工序复杂。同时，现有技术方法针对二氧化碳等物质侵入导致的碳化问题难以提供有效的主动应对措施。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，针对现有陆岸基础桩型在海洋工程中存在的耐久性不足，提供一种基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构，降低了现有方法对高强度、高密度钢筋混凝土材料的需求，不仅主动阻止侵蚀性物质侵入，还能有效优化混凝土的孔隙液环境，综合提升桩结构耐久性。
5.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构，包括桩体，还包括渗透压力管路系统和有压碱性溶液接入口，所述桩体包括钢筋笼和混凝土，钢筋笼和渗透压力管路系统均设置在桩体结构内部，混凝土包裹住钢筋笼和渗透压力管路系统；有压碱性溶液接入口位于桩体顶部，有压碱性溶液接入口的上部与碱性水箱系统连接，有压碱性溶液接入口的下部接入渗透压力管路系统，所述碱性水箱系统用于提供有压碱性溶液。
6.按上述方案，所述渗透压力管路系统包括渗透管固定圈盘、开孔渗透管和渗透管封闭圈盘，渗透管固定圈盘与钢筋笼连接（通过卡扣卡在钢筋笼上或者焊接在钢筋笼上），位于渗透压力管路系统的顶部和中部，顶部的渗透管固定圈盘与有压碱性溶液接入口连接并连通；渗透管封闭圈盘与钢筋笼连接（卡扣或者焊接），位于开孔渗透管底部，开孔渗透管分布式布设有多根，各根开孔渗透管上部与渗透管固定圈盘连通、下部与渗透管封闭圈盘连通，开孔渗透管管壁上设置若干水平开孔，所述渗透管封闭圈盘用于对碱性溶液水构成
封闭环路。
7.按上述方案，所述开孔渗透管选用钢管（可为桩结构提供额外的结构承载力）。
8.按上述方案，所述开孔渗透管的开孔设置在管壁的外径向以及两个法向，管壁径向向内不开孔。
9.按上述方案，所述开孔渗透管管径设置为10mm-20mm，所述开孔渗透管管壁上设置的开孔直径为2.5mm-5mm（开孔渗透管半径的1/4左右，对应开孔的圆周角度为30
°
左右）。
10.按上述方案，所述开孔渗透管的开孔沿桩身长度均匀布设（降低施工难度）；或者根据桩身设计水位，在腐蚀严重的干湿交替区以高密度布设（或开孔渗透管的开孔尽可能布设大一些），在腐蚀程度轻的水下区以低密度布设。
11.按上述方案，所述钢筋笼包括受力筋和构造筋两个部分。
12.按上述方案，所述碱性水箱系统采用与有压碱性溶液接入口具有高度差的悬挂式碱性溶液箱，所述碱性水箱系统供给的压力水头由所设的高度差提供。
13.按上述方案，所述碱性水箱系统采用带压力装置的碱性溶液箱（水头通过压力装置供给）。
14.按上述方案，所述碱性溶液采用饱和石灰水（氢氧化钙饱和液）。
15.本发明的有益效果：1、利用碱性水箱系统为混凝土桩内预埋的渗透压力管路系统提供有压碱性溶液，有压碱性溶液通过有压碱性溶液接入口依次进入渗透管固定圈盘、开孔渗透管和渗透管封闭圈盘，并通过开孔渗透管管壁上的孔洞进入混凝土孔隙内部，形成自内向外的渗透压力梯度，可提供抵抗侵蚀性物质侵入的动力条件；同时，有压碱性溶液作用使得海洋环境干湿交替区的混凝土孔隙，从外环境控制的非饱和状态转变为渗透水压控制的饱和状态，这改变了现有技术下混凝土干湿交替区域内侵蚀性物质运移的基本模式，使得该区域内侵蚀性物质的侵入速率较现有技术有大幅下降，极大降低治理难度；2、利用渗透压力管路系统，在混凝土孔隙内部形成自内向外的渗透压力梯度，与侵蚀性物质输运作用力形成动力平衡，与现有技术相比，可以降低对高强度、高密实度钢筋混凝土材料的需求，节省经济成本；3、本发明中为混凝土孔隙环境所补充的碱性溶液，能够降低水化产物中氢氧化钙固相的溶解，有助于维持混凝土孔隙液环境的天然高碱性状态，不仅可降低混凝土组分固液相之间的氢氧根浓度梯度，有效防止混凝土溶蚀现象的发生，而且对二氧化碳等酸性气体的侵入导致的碳化破坏起到修复作用，这对提高混凝土材料自身以及钢筋笼的稳定性有明显帮助；同时，避免孔隙溶液中性化有助于维持钢筋笼开始锈蚀的氯离子临界浓度在较高水平，降低治理成本；综合上述碱性溶液起到优化或修复孔隙微环境的作用；4、本发明渗透压力管路系统采用的分布式布设管路方案，可以利用渗流场叠加原理有效降低该技术中所需的渗透压力，与单一布设管路方式相比，进一步降低了渗流对混凝土孔隙结构的扰动，使得结构更加安全可靠；而且渗透管封闭圈盘对碱性溶液水构成封闭环路，防止溶液流失，进一步减少对碱性溶液的消耗量。
附图说明
16.图1是本发明基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构的整体示意图；
图2是本发明基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构的俯视图；图3是分布式布设的渗透压力管路系统的示意图；图中：1-有压碱性溶液接入口；2-钢筋笼；3-混凝土；4-渗透压力管路系统；5-渗透管固定圈盘；6-开孔渗透管；7-渗透管封闭圈盘。
具体实施方式
17.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
18.如图1-图2所示，本发明所述的一种基于碱性溶液反渗饱和的耐久型钢筋混凝土桩结构，包括桩体，还包括渗透压力管路系统4和有压碱性溶液接入口1，所述桩体包括钢筋笼2和混凝土3，钢筋笼2和渗透压力管路系统4均设置在桩体结构内部，和其在普通钢筋混凝土桩结构中发挥相同的作用，为桩结构提供承载能力，增强结构强度和刚度的作用；根据结构设计需要，包括受力筋和构造筋两个部分；混凝土3是耐久型钢筋混凝土桩结构的构成部分，包裹住钢筋笼2和渗透压力管路系统4，起到提供结构承载力，保护钢筋笼2和压力渗透管路系统4的作用；渗透压力管路系统4起到提供碱性压力水出流，并在混凝土孔隙中形成渗透压力梯度的作用；有压碱性溶液接入口1位于桩体顶部，暴露在桩体混凝土顶面的有压碱性溶液接入口1上部与碱性水箱系统连接，碱性水箱系统用于提供有压碱性溶液，具体实施方式不限，碱性水箱系统可以是与有压碱性溶液接入口1具有高度差的悬挂式碱性溶液箱，碱性水箱系统供给的压力水头由所设的高度差提供；也可以是带压力装置的碱性溶液箱，水头通过压力装置驱动；有压碱性溶液接入口1下部接入渗透压力管路系统4。
19.如图3所示，本发明中的渗透压力管路系统4包括渗透管固定圈盘5、开孔渗透管6和渗透管封闭圈盘7，渗透管固定圈盘5与钢筋笼2连接（通过卡扣卡在钢筋笼2上或者焊接在钢筋笼2上）位于渗透压力管路系统4的顶部和中部，顶部的渗透管固定圈盘5与有压碱性溶液接入口1连接并连通，根据施工需要固定间距预制作，可以起到固定并连通开孔渗透管的作用，方便在成桩时将其固定于模板之中浇筑钢筋混凝土桩；开孔渗透管6分布式布设有多根，实施例中，开孔渗透管6布设8根或以上，各根开孔渗透管6上部连接并连通渗透管固定圈盘5、下部连接并连通渗透管封闭圈盘7，起到纵向引导渗透压力水的作用，开孔渗透管6上可均匀布设若干水平开孔，降低施工难度，也可根据桩身设计水位，在腐蚀严重的干湿交替区以高密度布设，在腐蚀程度较轻的水下区以低密度布设；开孔渗透管6的开孔设置在管壁的外径向以及两个法向，管壁径向向内不开孔，实施例中每个水平向设置有三个开孔，各开孔相隔90
°
（也可根据实际情况仅在管壁的外径向每个水平间隔范围仅开设两个开孔约间隔120
°
），水平开孔用于让碱性溶液在此位置上形成渗流，起到优化混凝土孔隙液环境和抵抗侵蚀性物质进入的作用；同时，多根开孔渗透管6分布式布设，可以在混凝土孔隙中形成叠加的渗流场，降低技术对渗透压力的需求；此外，在开孔渗透管6材料方面可选用钢管等刚性材料，可为桩结构提供额外的结构承载力，开孔渗透管6管径设置为10mm-20mm，对应的，开孔渗透管6管壁上设置的开孔直径为2.5mm-5mm（约为开孔渗透管半径的1/4），各个开孔的圆周角度为30
°
左右；渗透管封闭圈盘7与钢筋笼2卡扣连接或者焊接，位于开孔渗透管底部，对碱性溶液水构成封闭环路，防止溶液流失，减少技术对碱性溶液的消耗量。
20.本发明实施例中碱性溶液可以采用饱和石灰水（氢氧化钙饱和液），可直接补充液相中氢氧化钙的浓度，避免水泥水化产物中固体氢氧化钙的溶解，进一步维持其他水化产
物的稳定性；以饱和石灰水为例可避免引入其他离子，引起腐蚀及环境污染；同时，当溶液渗流至混凝土表层后可与侵入的二氧化钙形成碳酸钙沉淀，在一定程度上可以密实孔隙。
21.本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，根据本发明做出各种相应的更改和变型，相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。