强腐蚀环境下能否采用管桩

1强腐蚀环境下能否采用管桩中国寰球工程公司何进源《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-2008（以下简称防腐规范）实施至今，各单位反馈意见最多的是：在SO42-、Cl-、pH值、侵蚀性CO2的强腐蚀性环境下能够采用管桩？如若采用，应设哪些防腐措施？本文对这些问题作了解释，供参考。一、防腐规范对管桩适用性的规定由于管桩存在预应力钢筋对腐蚀敏感和管壁较薄的问题，所以防腐规范规定，管桩可用于中、弱腐蚀环境；当用于强腐蚀环境时作了“不应采用”和“不宜采用”的规定，见表1。强腐蚀环境下管桩的适用性表1强腐蚀介质名称预应力混凝土管桩SO42-不应采用Cl-不宜采用pH值不应采用侵蚀性CO2可用于中、弱腐蚀按规范用词说明，“不应”是表示严格，在正常情况下均应这样做的用词；“不宜”是表示允许稍有选择，在条件许可时首先这样做的用词。二、近几年来“正常情况”的变化防腐规范是在2008年发布和实施的。管桩在当时的正常情况是：○1管桩在我国沿海地区推广使用已十年，但许多工程仅侧重于高强度、工期短、造价低等优势，而对管桩在腐蚀环境下的耐久性问题较少研究，所以国家标准图管桩的保护层厚度仅为25、30、35mm，不能满足防腐蚀工程的要求。○2在提高桩身混凝土耐蚀性能方面，许多单位已开展在混凝土中掺抗硫酸盐类防腐剂、耐蚀剂、钢筋阻锈剂和各种矿物掺合料的试验；但这些试验有待总结、鉴定、评估并制定相应的标准。近几年来，管桩的防腐蚀技术有了很大的发展：○1预应力混凝土管桩国家标准图已加大混凝土管桩的厚度，使钢筋的混凝土保护层厚度从原来的35mm提高2到不少于40mm，已基本上满足了防腐蚀的要求；一些单位（如：广东三和管桩公司、建华管桩公司、广东省电力设计院）还制定了耐腐蚀管桩的标准，混凝土保护层厚度有40mm的，有45mm的，也有50mm的，能满足强腐蚀环境的要求。○2已总结了一批外加剂的科技成果，如：编制了行业标准《钢筋阻锈剂的应用规范》及《技术规程》、《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》，编制了水泥、混凝土耐久性的试验方法，一些外加剂经过专家评估，获得国家技术专利；企业标准的外加剂更是百花齐放了。因此，对于前几年认为的“正常情况”有了很大改变。按目前的技术水平，在某些强腐蚀情况下也可以采用管桩：○1在侵蚀性CO2强腐蚀环境下，完全可以采用管桩。○2在pH值强腐蚀环境下，由于目前的经验还不够，因此还是“不应”采用。○3在SO42-、Cl-强腐蚀环境下，只要采用合适的防腐措施，可以采用管桩。三、在侵蚀性CO2强腐蚀环境下可以采用管桩有好几个工程（如：云南西双版纳某工程、广东湛江某工程和三水电厂工程、广西某工程等）地下水的侵蚀性CO2含量＞60mg/l。碳酸（及CO2）与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙，侵蚀性CO2可将混凝土表面难溶的碳酸钙作用生成可溶性的碳酸氢钙，使混凝土深层内的氢氧化钙裸露，又会与碳酸（及CO2）作用生成碳酸钙薄层，这一薄层又会被侵蚀性CO2作用生成可溶性的碳酸氢钙，如此反复不断进行，直至使混凝土完全破坏。按《岩土》规范，腐蚀性等级见表2。水和土对混凝土结构的腐蚀性评价表2腐蚀等级侵蚀性CO2（mg/l）直接临水或强透水层的地下水弱透水层的地下水弱15～3030～60中30～6060～100强＞60—按1995版的防腐规范，只有在侵蚀性CO2的含量大于40mg/l时，地下水对混凝土结构才有“弱”腐蚀。也就是说，不存在强、中腐蚀。上述两本规范对于侵蚀性CO2的腐蚀性等级虽然差别很大，但据《岩土》规范编制人员介绍，在工程实践中，侵蚀性C02的强腐蚀主要表现在水电站混凝土3坝基础廊道坝体的腐蚀，从未发现对混凝土基础腐蚀破坏的事例，因此，对侵蚀性CO2强腐蚀时也可以采用管桩，应对混凝土强度等级、最小水泥用量和最大水灰比的要求，但不必采用表面防腐涂层和耐蚀垫层的措施；另外据《防腐》规范编制人员介绍，对于侵蚀性CO2的防护，提出混凝土强度等级、抗渗等级、水泥用量、水灰比、钢筋的混凝土保护层厚度的规定也就可以了。因此，不管称之为“强腐蚀”或称之为“弱腐蚀”，《岩土》和《防腐》两本规范在防腐措施方面是大致相同的，是可以采用管桩的。四、在pH值强腐蚀环境下不应采用管桩广东某工程来函问：地下水的pH值为3.8，能否采用管桩？按防腐规范，pH值3.8属于强腐蚀，可采用有防护措施的预制钢筋混凝土桩，不应采用管桩。管桩再高的抗渗性能也无法抵御酸性介质的侵蚀。酸性介质的腐蚀性除了与pH值有关外，还与是否含有其他离子有关，据资料介绍，某地区pH值2～3含较多铁离子的硫酸酸性水的腐蚀速度不大。五、在SO42-强腐蚀环境下可采用有合理措施的管桩1.SO42-对混凝土的腐蚀机理硫酸盐对混凝土的腐蚀主要是石膏结晶腐蚀和钙矾石结晶腐蚀：○1SO42-与水泥中的Ca2+化学反应，生成硫酸钙；二水石膏（CaSO4·2H2O）结晶,体积膨胀1倍多.○2硫酸钙与水泥石中铝酸三钙化学反应,生成硫铝酸钙(钙矾石),结晶膨胀力达20MPa。依据上述腐蚀机理，抗硫酸盐硅酸盐水泥规定：高抗的C3S＜50%，C3A＜3%；中抗的C3S＜55%，C3A＜5%。除了上述两种腐蚀机理外，还有碳硫硅钙石型腐蚀，混凝土破坏的形式不是胀裂，而是酥化，这与混凝土所用的碳酸盐骨料和粉料以及水泥中的碳酸盐含量有关。42.腐蚀性等级《岩土》规范的规定见表3。水对混凝土结构的腐蚀性评价表3腐蚀等级腐蚀介质环境类型ⅠⅡⅢ微硫酸盐含量SO42-（mg/L）＜200＜300＜500弱200～500300～1500500～3000中500～15001500～30003000～6000强＞1500＞3000＞6000与《岩土》规范所列的SO42-含量相比，国内有些行业标准的指标定的更宽一些。例如：《铁路》规定，弱透水性环境土中的强腐蚀指标是SO42-含量为＞24000mg/kg，而《岩土》规范按Ⅱ类环境仅为＞4500mg/kg，指标相差5倍。3.氯离子存在对SO42-腐蚀性的影响国内外一些标准、规范有不同的认识：○1氯离子的存在会速进SO42-对混凝土的腐蚀性。例如：《盐渍土》规范在计算硫酸盐总量时的公式为：SO42-总量=SO42-+0.075×Cl-○2氯离子的存在会降低SO42-对混凝土的腐蚀性。例如：前苏联ГOCT的规定，水中Cl-含量（mg/L）为＜3000,3000～5000，＞5000时，SO42-含量（mg/L）分别为250、500、1000时才有腐蚀。又例如：《耐久性》规范规定：“对含有较高浓度氯盐的地下水、土，可不单独考虑硫酸盐的作用”。○3不考虑影响，如《岩土》规范。从腐蚀机理分析和研究成果表明，在Cl-和SO42-共存的水环境中，混凝土受硫酸盐腐蚀的情况会比只有SO42-存在的水环境轻微一些，但轻微多少？目前还不能得出准确的数据。所以在计算SO42-含量时，不考虑Cl-的影响较为安全。4.“干湿交替”的涵义表3所述的水中SO42-含量是指有干湿交替作用的情况，当Ⅰ、Ⅱ类环境无干湿交替作用时，表中的数值应乘以1.3的系数。按《岩土》规范条文说明的解释是“干湿交替是指地下水位变化和毛细水升降时，建筑材料的干湿变化情况”。本人认为:必须强调“干湿变化”这4个字。因为有些情况是“干”与“湿”的变化，有些情况是“潮”与“湿”的变化，这与土壤性质、地下水位变化频率等有关。近海地区的粗砂土壤会有“干”与“湿”的变化；但粉土、粘性土则可能5是“地下水位的变化仅引起建筑材料的潮与湿的变化，而不会引起干与湿的变化”。有些地区一年内地下水位的变化只有1～2次，该变化区也不可能是干湿变化。干湿交替表现在：○1水面的变化区；○2埋入土壤的虹吸区；○3一个面与水接触另一个面暴露于大气中，如：隧道、挡土墙。5.水泥类材料抗硫酸盐侵蚀的试验方法目前这种材料的试验方法比较多，如：《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》GB749-65（已废止）、《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》GB2420-81、《岩土》规范内定的方法、《防腐》规范内定的方法、《硅酸盐水泥在硫酸盐环境中的潜在膨胀性能试验方法》GB/T749-2001、《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的抗硫酸侵蚀试验、《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》JC/T1011-2006的附录A抗压强度、抗蚀系数和膨胀系数试验方法……但至今尚无统一的方法。○1介质：一般都采用5%Na2SO4溶液。○2水泥材料的品种：有选用水泥砂浆，有选用细石混凝土，也有采用普通混凝土的。○3试件尺寸有大有小，计有：10mm×10mm×30mm，10mm×10mm×60mm，40mm×40mm×160mm，25mm×25mm×280mm，100mm×100mm×100mm。○4腐蚀作用有：常温浸泡的，半浸的，高温干湿交替的，也有自膨胀的。○5腐蚀时间有：14天、28天、6个月和若干周期的，更有十多年的。○6评定方法也没有统一，例如：强度为合格的保留率有85%、80%、75%的。本人推荐混凝土试件采用5%Na2SO4常温半浸一年K12＞80%的方法。理由是：○1混凝土试件比胶砂试件更真实一些；○2常温半浸试件表面有结晶产物，而85℃的干湿交替与实际情况不符，也不会产生结晶物；○3结晶膨胀作用刚开始时，混凝土更密实，强度不会下降，所以需要一年的时间。另外，强度保持率不能低于80%，对耐久性设计要求使用年限较长的试件，强度保持率最好不低于90%。6.SO42-强腐蚀环境下管桩的防护措施沿海地区的海水，SO42-的含量会逐渐增高，原先是SO42-约2000mg/l左右，由于工业的发展，河水中含SO42-增加，致使地下水中的SO42-含量高达4000～65000mg/l。沿海地区的地下水常伴有含量较高的氯离子，而且地下水位都比较高，桩承台标高一般在2.5米以下，所以Cl-多属于“弱”腐蚀，此时不能按“有较高浓度氯盐的地下水、土，可不单独考虑硫酸盐的作用”的规定，而应考虑SO42-的强腐蚀作用了。管桩的防护措施有：○1应符合防腐规范第4.9.4和4.9.6条规定。○2管桩混凝土应考虑外加剂（或矿物掺合料），不但对SO42-有抗蚀性，而且对Cl-也应有抗蚀性。○3桩的直径取大一些，使混凝土的保护层厚度不少于45mm。○4尽量采用单桩，需要接桩时接头应在地下水位以下。7.管桩是否遭受内外两面的侵蚀管桩内的水是“死水”，不是“活水”，所以对死水的腐蚀性会从“强”变成“弱”，不存在双面腐蚀。六、在Cl-强腐蚀环境下可采用有合理措施的管桩1.Cl-对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀机理Cl-的渗透能力很强，在有电解质（水）的情况下，它可与铁发生电化学作用生成氯化亚铁，之后在有氧与水的情况下，电化学作用生成氢氧化亚铁和无粘结性能的氢氧化铁，氯离子可置换出来，它又会打头阵去腐蚀钢铁，生成氯化亚铁，如此不断腐蚀。所以有氯离子的含氧水的腐蚀性很强；如果水中缺氧，则只能生成氯化亚铁，附在钢铁的表面上，腐蚀性减弱。2.腐蚀性等级《岩土》规范的规定见表4。表4对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价腐蚀等级水中的Cl-含量（mg/l）土中的Cl-含量（mg/kg）长期浸水干湿交替AB微弱中强＜1000010000～20000————＜100100～500500～5000＞5000＜400400～750750～7500＞7500＜250250～500500～5000＞5000注：A是指地下水位以上的碎石、砂土，稍湿的粉土，坚硬、硬塑的黏性土；B是湿、很湿的粉土，可塑、软塑、流塑的黏性土。表4是引自原苏联1985年的《建筑防腐蚀设计规范》。该规范在二十多年里有什么变化？不大清楚。据了解，前几年俄罗斯在中国建设的工程仍采用这一标7准作为设计依据。钢筋在水中、土中的腐蚀大多数都属于氧去极化腐蚀。钢筋长期浸泡在水中，由于氧溶入较少，不易发生电化学反应，故钢筋不易被腐蚀；处于干湿交替状态的钢筋，由于氧溶入较多，易发生电化学反应。什么情况属于干湿交替？可能有不同的理解，但不同的腐蚀等级的防护措施差别很大，例如，水中的Cl-含量为6000mg/l时，如果认定