粉煤灰作為回填材料對鋼管樁腐蝕影響探討

冷雪梅[上海市建筑科學(xué)研究院（集團）有限公司，上海 200032]

隨著與國際承包商合作的機會越來越多，由于鋼管樁具有承載力大、規(guī)格多、選擇余地大、樁長易調(diào)整、擠土有限且對周邊環(huán)境影響小、施工速度快、質(zhì)量有保證、不易腐蝕等特點，近期在上海被應(yīng)用于多個大型項目。粉煤灰作為回填材料是否會對鋼樁產(chǎn)生腐蝕作用，腐蝕是否會降低基樁的承載能力，這些都對我們提出了新的考驗。本文將對此進行一些初步的探討。

1 粉煤灰與土的性能比較

1.1 顆粒組成

粉煤灰的顆粒組成與收塵設(shè)備及排放方式有關(guān)。電收塵的粒徑較細(xì)，其顆粒組成基本介于中粉土及粗粉土之間；濕排灰、旋風(fēng)收塵器灰的顆粒組成則介于粗粉土及細(xì)砂之間；渣的平均粒徑最粗，顆粒組成介于粗粉土與細(xì)礫石之間，分布范圍大，經(jīng)過沉灰池脫水，品質(zhì)更加惡化。粉煤灰的顆?；窘橛诜弁良凹?xì)砂之間，可用于承重回填材料。

1.2 化學(xué)成分

與上海土相比，粉煤灰除氧化硅、氧化鈉含量較低，氧化鋁較高外，其他的化學(xué)組成都較接近，如表 1 表示。

表1 粉煤灰上海土的化學(xué)成分 %

1.3 重金屬

上海電廠粉煤灰及上海土的重金屬元素含量見表 2，與土相比較，指標(biāo)都比較接近，不會對土壤和地下水造成污染。

表2 粉煤灰上海土的微量元素含量 %

1.4 土工性能

粉煤灰的主要礦物組成為硅鋁酸鹽玻璃體，伴有少量石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦及微量游離態(tài)氧化鈣。粉煤灰加水后，微量游離態(tài)氧化鈣，玻璃體內(nèi)的鉀、鈉、氧化物及硫酸鹽等成分溶于水，硫酸鈣及氫氧化鈣的結(jié)晶使壓實的粉煤灰早期具有一定的力學(xué)性能，水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣和硫酸鈣的形成，又增加了粉煤灰的土工性能，因此粉煤灰的土工性能會隨著齡期的增加而發(fā)展。

1.4.1 壓實性能

前面已提到，粉煤灰的顆粒組成基本上屬于粉土的范疇，單期最佳含水量略高于粉土，可能與粉煤灰含有不封閉多孔性顆粒、碳粒及玻璃體有關(guān)。電收塵細(xì)度大，玻璃珠量高，最佳含水量亦較低；旋風(fēng)收塵器灰細(xì)度較低，多孔體較多，最佳含水量較大；沉灰池濕灰粗細(xì)不一，處于過飽和狀態(tài)，超過最佳含水量，不易用于承重回填。相應(yīng)地電收塵灰密度最高，沉灰池灰密度最低。常用回填材料的最佳含水量及最大密度見表 3。

表3 各種回填土的最佳用水量及最大密度

1.4.2 滲透性能

粉煤灰的滲透性與它本身的品質(zhì)有很大關(guān)系。各地各廠所產(chǎn)生的粉煤灰的滲透性變化很大，高品質(zhì)的粉煤灰滲透系數(shù)很小，低品質(zhì)的則較大。由于土的本身有連續(xù)空隙，若出現(xiàn)水位差，水就會通過土體空隙進行流動，與粉煤灰差異不大。上海地區(qū)粉煤灰滲透系數(shù)介于砂土及沉泥質(zhì)黏土之間。通過多年的研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰具有與土壤相近的滲透系數(shù)，雖然有差異，但在通過排水材料時與回填土的做法相似，故對工程施工的影響并不大。

1.4.3 抗剪強度系數(shù)

土和粉煤灰在壓實的條件下均具有硬結(jié)性能，而粉煤灰的抗剪強度主要取決于粉煤灰的品質(zhì)及其密實度。通常電收塵的干排粉煤灰的性能優(yōu)于沉灰池粉煤灰。

1.4.4 抗壓強度

壓實粉煤灰具有一定的抗壓強度，與土壤相同也是隨著齡期而增長，土的抗壓強度是隨著含水量的增大而減少，故壓實的粉煤灰比淤泥質(zhì)土壤的抗壓強度高得多。目前在建筑行業(yè)大量使用粉煤灰作為建筑物的承重回填材料置換劣質(zhì)土。

1.4.5 變形模量

粉煤灰的變形模量經(jīng)過多次試驗，一般在 11.3～31.7 MPa，壓縮模量為 5.5～17.8 MPa，壓縮系數(shù)為 0.01～-0.05；粗砂變形模量為33～46 MPa，中砂變形模量為33～46 MPa；細(xì)砂壓縮模量為24～37 MPa；粉砂壓縮模量為10～1 MPa 4；粉土變形模量為11～23 MPa。

1.4.6 壓縮性能

粉煤灰在固結(jié)情況方面多與淤泥質(zhì)黏土相同。當(dāng)受到垂直壓力時，隨著孔隙中的水被擠出，多余的孔隙水壓力逐漸降低，外加荷載使粉煤灰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生體積的變化。

2 鋼管樁在粉煤灰中的腐蝕情況

預(yù)制高強混凝土薄壁鋼管樁（Precast thin-wall steel and spun concrete composite pile） 是采用牌號為 Q 235 B或 Q 345 B 的鋼板（鋼帶）經(jīng)卷曲成型焊接制成的鋼管內(nèi)澆注混凝土，經(jīng)離心成型，混凝土抗壓強度≥ 80 MPa，具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。由于鋼材抗壓、抗拉強度高，材質(zhì)均勻，延性好，加工成鋼管后剛性好，抗彎、抗剪能力強，作為優(yōu)點十分突出的一種樁型，其綜合效益也相當(dāng)明顯，可以用于超高層的建筑或一些異型建筑。由于其大量采用 A 3 低碳鋼，其本身的抗壓、抗拉、抗剪的強度就很高，在沉樁過程中由于產(chǎn)生了土塞現(xiàn)象，大大地提高了它的承載能力，而鋼管樁的腐蝕通常是一種復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，粉煤灰回填覆土后的銹蝕可從堿度、電導(dǎo)率及宏電池等三方面加以討論。

2.1 堿度

鋼在水溶液中銹蝕速度與溶液的堿度有關(guān)。pH 值＜4 是銹蝕嚴(yán)重；pH 值在 4～10 范圍內(nèi)具有一定的銹蝕速度，此時，pH值的變化影響不大；pH＞10 時銹蝕生成物不易溶解于水，銹蝕速度降低。根據(jù)《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》在 100 ℃以內(nèi)的情況下，氫氧化鈉濃度＜30% 時建筑鋼鐵不產(chǎn)生腐蝕。

粉煤灰與土層的堿度比較見表 4。粉煤灰的 pH 值在回填初期為 10～12，具有較高的抗銹性能；回填后由于自然衰減，pH 值逐步降至 8.3。上海地區(qū)土壤可以分成 3 種：沼澤型土壤、草甸型土壤及濱海鹽土，相應(yīng)的 pH 值為 6.57、7～8、 8～8.5，分別為中性土壤、堿性土壤及強堿性土壤。粉煤灰平衡后的堿度接近或略高于一般土壤，因此，與一般土壤相比，干排粉煤灰對預(yù)埋鐵件的銹蝕速度與土壤相同。

表4 粉煤灰與土層的堿度比較

2.2 電導(dǎo)率

影響鋼鐵腐蝕的另一個重要參數(shù)是電導(dǎo)率。粉煤灰回填土堆鋼鐵的銹蝕速度與其電導(dǎo)率的關(guān)系沒有直接的數(shù)據(jù)，但土壤電導(dǎo)率與鐵件的銹蝕關(guān)系有報道，見表 5。

表5 土壤電導(dǎo)率與鐵件的銹蝕關(guān)系

表6 是粉煤灰及土壤的電導(dǎo)率，它為干、濕粉煤灰及土壤的 1∶1 水溶液電導(dǎo)率的試驗結(jié)果。濕粉煤灰的電導(dǎo)率由于經(jīng)過水池存放，其離子濃度低于干粉，已與一般土質(zhì)接近，按表 4 的分析均屬“銹蝕”，沒有明顯差別。如果把 pH 值與電位一起考慮其相關(guān)性見圖 1。pH值在 8～14 范圍，對鋼筋來說就處于鈍化區(qū)。

表6 粉煤灰及土壤的電導(dǎo)率

圖1 電位與 pH 值關(guān)系

2.3 電池銹蝕

宏觀電池銹蝕是指同一鋼鐵部件與不相同的電介質(zhì)溶液相接觸，由于電介質(zhì)溶液的溶度不同會形成電池銹蝕。在建筑工程中，工程樁一般均在一個單一的介質(zhì)中，不會產(chǎn)生電池銹蝕現(xiàn)象。

2.4 鋼管樁在土壤中的腐蝕情況

由于鋼管樁埋在基礎(chǔ)下，與外界隔絕，其內(nèi)壁處于密閉狀態(tài)，可不考慮其腐蝕；其外側(cè)與地下水接觸稍有腐蝕，可以采用涂防腐層，增加余量以及陰極保護。根據(jù)國外資料，鋼管的腐蝕速度 70 a 為 0.075～0.9 mm。國內(nèi)規(guī)定的年腐蝕率見表 7。

表7 鋼管腐蝕速率

國內(nèi)的規(guī)定比國外要嚴(yán)，設(shè)計時可根據(jù)建筑物的重要性類別，既考慮涂防腐層又適當(dāng)增加鋼管的厚度。

3 結(jié) 語

綜上所述，通過分別對粉煤灰及鋼管柱的分析探討，粉煤灰回填材料的土工性質(zhì)與粉土相當(dāng)，長期強度還略有增長，化學(xué)成分和重金屬元素和土壤無差別，使用粉煤灰對地下水無污染，濕排粉煤灰渣堿性比土壤略高，鋼鐵銹蝕處于鈍化區(qū)，所以粉煤灰作為回填材料用于鋼管樁，幾乎可以等同于土壤，不需要另外采取特殊的處理。這為濕排粉煤灰渣提供了一條新的利用途徑。