建筑工程中鋼管樁的腐蝕及其控制技術(shù)

莫燁強，張 凱，張克敏，過民龍，楊厚易

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500；2、廣東建科創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司 廣州 510500；3、廣州東華職業(yè)學(xué)院 廣州 510540）

0 前言

樁基礎(chǔ)是最古老的基礎(chǔ)型式之一。從古代開始，打樁就被用來支撐人造建筑。根據(jù)歷史文物遺址的發(fā)掘揭示，我國建筑體系的源頭是從余姚河姆渡遺址中發(fā)現(xiàn)的干闌式建筑遺跡，作為古代干闌式木結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)是由圓木樁、方木樁和板樁組成的樁基礎(chǔ)［1］。古人用木樁在華夏大地建造房屋、橋梁、道路。

當(dāng)?shù)谝慌摴軜对?0世紀(jì)初出現(xiàn)時，它比以往的木樁都更容易被打入堅硬的土壤中。H 型樁、螺旋樁、管樁和板樁分別被指定用于各種類型土壤環(huán)境以及苛刻的海洋和深基礎(chǔ)應(yīng)用。

而鋼管樁則以其獨有的優(yōu)勢，彌補了以往樁基加固施工中加固技術(shù)難度大、噸位小、接樁困難等問題，廣泛運用在高層建筑與超高層建筑的軟土地基的樁基加固工程中［2］。盡管在歷史上打入式鋼管樁取得了成功，并大規(guī)模應(yīng)用，但腐蝕仍然是一個潛在的致命弱點，鋼樁基礎(chǔ)的腐蝕會導(dǎo)致其承受軸向和橫向荷載的能力下降，在任何建筑項目的打樁工程中都應(yīng)該加以考慮［3-5］。因此，了解潛在的樁腐蝕的問題很有必要，在樁的預(yù)期使用壽命內(nèi)，采取經(jīng)濟有效的方法克服腐蝕的影響，以避免過大的撓度和破壞。

1 鋼管樁的分類

在傳統(tǒng)的建筑樁基中，鋼管樁只是以樁身材質(zhì)為金屬的一類管樁的總稱，在工程施工中常見的鋼管樁按樁頭可以分為2大類［3］：①開口樁；②閉口樁。按制造方式可以分為3大類：①直焊縫鋼管；②螺旋焊縫鋼管；③無縫鋼管。

2 鋼管樁的電化學(xué)腐蝕機理

鋼管樁在土壤、水或潮濕的室外環(huán)境中的腐蝕主要由電化學(xué)反應(yīng)引起［6］。電化學(xué)腐蝕過程是一個自然過程，在腐蝕環(huán)境下，鋼鐵原子內(nèi)的結(jié)合能被削弱，導(dǎo)致一個或多個電子離開金屬的原子結(jié)構(gòu)形成電流。電流再通過金屬離子的輸送在電解質(zhì)中傳播。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象需要3個條件：①氧氣的存在；②電解質(zhì)的存在；③在金屬局部表面產(chǎn)生電位差，在局部區(qū)域形成陽極和陰極。這時，金屬腐蝕性損失發(fā)生在金屬表面的陽極區(qū)域，在這里局部的腐蝕電流流通伴隨著鐵離子的分離。

3 鋼管樁在不同環(huán)境下的腐蝕特點

3.1 土壤環(huán)境

鋼管樁在土壤中的腐蝕，通常需要氧氣和導(dǎo)電液體或土壤（電解液）的存在［7］。土壤條件的變化會影響樁的表面氧氣濃度，從而會在樁的表面局部產(chǎn)生電位差。一般來說，鋼管樁在土壤中的腐蝕行為可分為兩類：①擾動土壤中的腐蝕；②未擾動土壤中的腐蝕。

擾動土是指挖土、回填土或其他土體發(fā)生隆起的土壤。擾動土壤中鋼的腐蝕速率同時受到土壤電阻率、pH 值、土壤水分和土壤中的氧含量等因素的影響，如表1所示。而氧氣在空氣中存在，會在土壤受到擾動的時候被引入土壤中。特別是工業(yè)填土中采用鋼管打樁，由于工業(yè)填土的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)水平的升高或pH 值的降低，受到的腐蝕風(fēng)險更大，這時有必要做一些防護措施。

表1 腐蝕等級與土壤電阻的關(guān)系［6］Tab.1 Correlation between Corrosion Grade and Soil Resistance

一般來說，未受擾動的土壤在地線以下1～3 m 或地下水位以下處缺氧；鋼管樁受腐蝕的威脅不會太大，通常不需要做額外的防護措施。根據(jù)DECKER［6］對埋地15年的管樁進行測量，發(fā)現(xiàn)地下水位波動區(qū)通常是腐蝕的臨界區(qū)。沿樁長方向的腐蝕速率主要受相對于地下水位的位置的控制，而不是其他任何單一的土壤參數(shù)。腐蝕速率峰值一般在地下水位附近，如圖1所示。

圖1 鋼樁深度與腐蝕速率的關(guān)系［6］Fig.1 Relationship between Steel Pile Depth and Corrosion Rate

這時由于地下水具有阻止氧氣擴散屏障的作用，在靜水、淡水或鹽水中，由于氧含量降低，鋼樁或板樁的腐蝕隨深度增加而減小。而工程施工中在未受擾動的地基上鉆孔的鋼樁通常不需要保護。

3.2 海洋環(huán)境

在海洋環(huán)境中，海水由于含鹽量高，比淡水更容易腐蝕。無防護措施的鋼管樁設(shè)施壽命會隨暴露條件的不同而不同。在海洋環(huán)境中金屬腐蝕最重要的因素是鋼管樁表面與水接觸的時間以及潮濕區(qū)存在的腐蝕介質(zhì)。如直接接觸受污染的海水時，鋼管樁的腐蝕風(fēng)險更嚴(yán)重。

一般海洋環(huán)境可分為5個區(qū)帶：海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)［8］。理論上通常浪濺區(qū)的金屬腐蝕最為嚴(yán)重，其次是潮差區(qū)，這是因為該區(qū)域的氧氣充足。

決定金屬鋼在大氣中暴露率的關(guān)鍵因素是濕度（濕度或降水），特別是在潮濕、氯化物和氧氣豐富的海洋大氣中。在相對濕度超過50%時，就為腐蝕提供了必要的水分；而濕度在80%或以上，裸露的鋼樁的腐蝕更為嚴(yán)重。

在海上飛濺區(qū)域，可以采用涂層或混凝土防護的形式進行保護。而鋼管樁在海洋中應(yīng)用時可以通過設(shè)計余量來提供在重量最輕時的最大強度和耐久性。而在無保護措施時的鋼管樁有效壽命，無論材質(zhì)是碳鋼或高強度鋼，均取決于其在使用中施加的應(yīng)力及其由于腐蝕而減少的截面。所以在任何可能的情況下，鋼樁的設(shè)計最好使高彎矩或拉應(yīng)力發(fā)生的區(qū)域要遠(yuǎn)離腐蝕集中區(qū)域。必要時，可適當(dāng)進行陰極保護，以顯著降低樁的腐蝕速率。

相比之下，水位以下的區(qū)域是缺氧的，該區(qū)域發(fā)生的腐蝕通常比浪濺區(qū)要輕。在某些情況下，泥漿線處的腐蝕會增加，但通常并不嚴(yán)重［9］。

3.3 微生物環(huán)境

雖然氧氣不能穿透土壤，但土壤中的硫酸鹽還原細(xì)菌可以造成腐蝕。硫酸鹽還原細(xì)菌可以存在于水和土壤中，在鋼管樁表面生長，并形成一個腐蝕坑，其中腐蝕坑是小陽極，其余的鋼表面成為大陰極。

在海洋環(huán)境中，鋼管樁除了常年受海水侵蝕外，還經(jīng)常受到大量的海洋微生物、植物和動物的附著造成生物污損，如藤壺、牡蠣等。導(dǎo)致鋼樁的嚴(yán)重腐蝕，常出現(xiàn)低水位加速腐蝕（ALWC）［10］，其定義是指貫穿大氣-海水躍變區(qū)域的金屬材料在緊鄰低潮線下發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕的現(xiàn)象，其腐蝕速率可達到1 mm∕a。此現(xiàn)象與微生物引起的腐蝕有關(guān)。

4 腐蝕控制技術(shù)

當(dāng)已知腐蝕環(huán)境的時候，工程師們通常采用理論方法來處理腐蝕的問題，保證鋼管樁在土壤或水中長周期服役而不受腐蝕而影響其承載能力。但是在理想情況下設(shè)計出來的鋼管樁的費用遠(yuǎn)超出業(yè)主的預(yù)算費用。所以實際工程中面臨的挑戰(zhàn)是如何平衡成本和樁的使用壽命的問題。

在腐蝕環(huán)境下，通常采用以下措施來保證鋼管樁在其設(shè)計使用壽命內(nèi)安全服役。

4.1 設(shè)計余量

對于任何腐蝕損傷，最簡單的方法是對鋼管樁的橫截面進行超尺寸計算，增加鋼管樁的壁厚提供了一個腐蝕余量，以確保在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命內(nèi)有足夠的承重能力［11］。

對于鋼管樁的類型不同，金屬腐蝕損失的數(shù)量還取決于金屬表面暴露在土壤或水中的面積。例如，板樁和H 型樁的整個表面都會受到腐蝕。而對于封閉型鋼管樁，通常只在樁的外表面發(fā)生嚴(yán)重腐蝕；但開放式鋼管樁除了外表面出現(xiàn)腐蝕，內(nèi)表面也容易發(fā)生腐蝕。如果開放式鋼管樁的長期處于地下水位以下，且樁頂上部密封，則樁體形成封閉的氣密套管，樁體內(nèi)表面的腐蝕可以忽略不計。根據(jù)國外的資料顯示鋼管樁的腐蝕速度70 年為0.075～（-0.9）mm［12］，國內(nèi)的規(guī)定比國外要求更嚴(yán)，在設(shè)計時根據(jù)建筑物的類型，增加樁厚余量作為應(yīng)變措施，以應(yīng)對高于預(yù)期的腐蝕速率。

4.2 升級材質(zhì)

采用高屈服強度的鋼代替低碳鋼做鋼管樁，是另一種在腐蝕環(huán)境下的延長工程壽命方法。增加樁的最小屈服強度可以使其在發(fā)生腐蝕時仍能保持其承載能力［6］。

4.3 有機涂層

由于樁在打樁過程中存在著潛在的破壞，所以很少在樁上使用防腐蝕涂層。然而，當(dāng)認(rèn)為必要時，有機樹脂涂料可以是一個經(jīng)濟的選擇。在土壤、淡水和海水中，有專門為鋼板和支撐樁設(shè)計的專門油漆和涂層系統(tǒng)。混凝土護套和纖維包裹層在海上應(yīng)用中也非常經(jīng)濟有效的防護方法。其中環(huán)氧粉末涂料、聚氨酯涂料、改性環(huán)氧玻璃鱗片涂料和聚酯玻璃鱗片涂料常用在鋼管樁防護中［13］。廣東LNG 接收站的鋼管樁設(shè)計保護年限20 年，其在浪濺區(qū)以下部分屬于飛濺表濕區(qū)，采用改性氧玻璃鱗片涂料作為防腐蝕涂層，采用多次噴涂方法使干膜厚度在800 μm。而在浸沒區(qū)，同樣采用改性氧玻璃鱗片涂料，但是這區(qū)域的干膜厚度為500 μm［13］。

4.4 陰極保護

陰極保護是一種用保護反向電流補償樁內(nèi)腐蝕電流的腐蝕保護方法。直流電流的作用是迫使金屬表面變成收集電流的陰極。如果電流足夠大，所有金屬表面將變成陰極到外部陽極。采用陰極保護，還可以對鋼管的腐蝕進行可靠的監(jiān)測。

有許多案例研究涵蓋了各種海洋和內(nèi)陸設(shè)施中驅(qū)動鋼管樁的腐蝕［14-17］。在這些研究中得到的歷史腐蝕速率可以為工程師提供一個有效的參考依據(jù)，以了解他如何根據(jù)成本，有效地調(diào)整樁的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)控制項目的安全壽命內(nèi)的腐蝕。

4.5 多種方法組合

在水下結(jié)構(gòu)的防護方法中，工程常用的是采用陰極保護聯(lián)合涂料的防腐措施，來確保水下鋼管樁不受侵蝕。這時就要考慮所采用的陰極保護技術(shù)與涂料類型應(yīng)能兼容，除了選擇良好的附著性、耐腐蝕性、耐電位性和耐堿性的涂層性能外，陰極保護電位也應(yīng)避免過大而引起金屬材質(zhì)氫脆及涂層氫鼓包現(xiàn)象。在工程中，犧牲陽極與熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層的綜合使用優(yōu)勢明顯，涂層破損后可由陰極保護系統(tǒng)進行保護，同時正常工況下鋼管柱涂層覆蓋完好，其所需的陰極保護電流遠(yuǎn)低于單獨使用陰極保護。而我國首次采用了高性能熔結(jié)環(huán)氧復(fù)合涂層與犧牲陽極陰極保護聯(lián)合防護技術(shù)在橋梁鋼管樁上應(yīng)用［18］。

5 結(jié)論及展望

樁基作為一個隱蔽工程，由于樁身安裝在地下，長期在密閉潮濕、永久浸泡、干濕交替等環(huán)境下服役，不僅受到土壤環(huán)境及侵蝕性介質(zhì)的腐蝕作用，而且在接近地面部分或裸露部位還受到大氣環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，其面臨侵蝕的情況遠(yuǎn)比地面上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。而廣東擁有漫長的海岸線，在廣東工業(yè)發(fā)達的沿海地區(qū)，樁基還長期面臨著海洋氯離子侵蝕環(huán)境與工業(yè)環(huán)境廢水復(fù)雜腐蝕環(huán)境的侵蝕。而且廣東目前仍處于新建與維修改造并重的階段，并逐步進入老舊建筑工程的維修改造為重點的階段；因此，如何針對工程運行的不同階段，盡早制定科學(xué)、合理的維修管理計劃，可以顯著降低整個工程的成本，保證以最少的維修資金投入獲得更好的工程性能和更長的使用壽命，是目前工程技術(shù)人員面臨的主要問題。