强腐蚀环境下能否采用管桩

强腐蚀环境下能否采用管桩、灌注桩《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、灌注桩？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、灌注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，灌注桩存在钢筋在浇筑混凝土前先与介质接触和混凝土在未硬化前先与介质接触的问题，所以防腐规范规定，管桩和灌注桩可用于中、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。表1强腐蚀环境下管桩、灌注桩的适用性强腐蚀介质名称预应力混凝土管桩混凝土灌注桩SO42-不应采用不应采用Cl-不宜采用不应采用pH值不应采用不应采用侵蚀性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、灌注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、灌注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和灌注桩：○1在侵蚀性CO2强腐蚀环境下，完全可以采用管桩和灌注桩。○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，也可以采用管桩和灌注桩。三、在侵蚀性CO2强腐蚀环境下可以采用管桩和灌注桩有好几个工程（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，按现行的《岩土》规范是属于强腐蚀环境，而按防腐规范第4.9.2条的规定：“管桩和灌注桩可用于中、弱腐蚀环境”，言外之意是在强腐蚀环境下不应或不宜使用。另外，在强腐蚀环境下，按第4.8.5和4.8.6条的规定：“基础的垫层应采用沥青混凝土或碎石灌沥青垫层，基础表面和基础梁表面都要刷耐腐蚀的涂层”。所以他们来函问：○1在侵蚀性CO2强腐蚀环境下是否可以采用管桩或灌注桩？○2条形基础是否需要采用如此复杂的防护措施？1.腐蚀机理碳酸（及CO2）与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙，其体积比氢氧化钙体积增大12%，使混凝土表面比较密实，起到一定的保护作用（但混凝土的碱性有了下降）。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。2.腐蚀性等级按《岩土》规范，见表2。表2水和土对混凝土结构的腐蚀性评价腐蚀等级侵蚀性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的腐蚀性等级差别很大。根据2008年的防腐规范规定：“地下水、土对建筑材料的腐蚀性等级应按《岩土》规范确定”；根据2009年的《岩土》规范规定：“水、土对建筑材料腐蚀的防护应符合防腐规范的规定”。假如前述好几个侵蚀性CO2＞60mg/l的工程都按现行的《岩土》、《防腐》规范进行设计，那就会造成很大的浪费。3.防护措施据《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灌注桩和管桩，应对基础和基础梁提出混凝土强度等级、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。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。在工程实践中，土中侵蚀性CO2的腐蚀速度较慢，而且其含量也在变化。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。4.两本规范如何统一由于防腐规范的弱腐蚀在混凝土强度等级和水灰比方面已有较“严”的要求，因此，若以《岩土》规范的腐蚀性等级为依据时，应在《防腐》规范中以注的形式规定：“对埋在土中受侵蚀性CO2强、中腐蚀的构件可按弱腐蚀的要求进行设防”。四、在pH值强腐蚀环境下不应采用管桩和灌注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，不应采用管桩和灌注桩。1.能否掺外加剂水泥混凝土是碱性材料，理论上是不耐酸的，即使掺入某些外加剂可能提高一点点耐酸性能，也不能认为它是耐酸的。○1某工程采用掺CM抗硫酸盐类防腐剂的混凝土，用于pH值为4的小型池槽，已3年，尚可。○2某资料介绍，在混凝土中掺入粉煤灰会降低耐pH值的性能。○3某资料介绍，在混凝土中掺入矿粉，会提高耐pH值的性能。○4但据某公司的试验表明：在0.5%硫酸浸泡下，掺粉煤灰的混凝土却比矿粉的好。○5有资料介绍：采用石英粉可提高耐pH值的性能。○6有浸泡一年的试验表明：采用耐酸骨料的耐酸性还不如耐碱骨料的混凝土。○7有短期试验表明：管桩的混凝土可耐1%的硫酸。○8有浸泡一年的试验表明：普通水泥混凝土不耐0.5%的硫酸。总之，掺外加剂的措施难以提高混凝土的耐酸性能，不但管桩、灌注桩不能采用这种措施，而且对于预制钢筋混凝土桩在pH值强腐蚀环境下也不推荐采用。如果桩的混凝土采用聚合物水泥混凝土，是可以耐稀酸的（如：1%的硫酸，2%的盐酸、硝酸），但造价太高。2.能否增加混凝土腐蚀裕量在pH值强腐蚀环境下，按防腐规范规定，预制钢筋混凝土桩可采用增加混凝土腐蚀裕量≥30mm的防护措施。管桩的壁已比较薄，不可能再增加30mm。灌注桩虽然可增加混凝土的腐蚀裕量，但碱性的混凝土在未硬化之前便与酸性溶液接触，产生酸碱中和作用，对混凝土的性能有很大影响，况且在这方面也没有试验数据。在工程实践和科学试验中有用含氯盐的海水浇灌混凝土的，也有用含硫酸盐的地下水浇灌混凝土的，但没有用酸水浇灌混凝土的。3.能否在混凝土表面上涂刷防腐蚀涂层在pH值强腐蚀环境下，按防腐规范规定，预制钢筋混凝土桩可采用在桩表面涂刷防腐蚀涂层≥500μm的防腐措施。灌注桩的表面是不可能涂上涂料的。在管桩的表面上也可按预制桩一样刷防腐涂层≥500μm的措施。但管桩的混凝土保护层厚度也应与预制桩一样，按防腐规范第4.9.4条第1款的规定≥45mm。管桩是否遭受内外两面的腐蚀？有人认为，由于管桩的内表面不能涂刷防腐涂料，所以管桩仍不能采用这种措施来抵抗pH值的强腐蚀。但也有人认为，管庄内的水是“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。本人同意后一种意见。在桩表面刷涂层的方法存在两种问题：○1施工困难，需要多次翻桩。○2打桩时，涂层是否会刮掉。现在有些管桩公司可承诺在出厂前将涂层刷好。至于打桩时是否会刮掉涂层，这要看什么土质，如果是粉土或粉砂土，据某工程的经验是不会刮掉；如果是粗砂土或碎石土，会把涂层刮掉；据某工程反映，打桩后拔出来看是光溜溜的，表面已不存在涂层。采用渗透密实型涂料可以避免表面涂层在打桩时刮损的问题。这种涂料常用于防水，但耐蚀性较差。上世纪90年代，我们对渗透型涂料的混凝土做过试验，对0.5%硫酸仅属“尚耐”，没有列入规范。前几年，有一厂家推荐自己生产的渗透型防水密实涂料可耐1%硫酸，但经过半年浸泡的复核试验，结果不耐通过上述几点分析，在pH值强腐蚀环境下仍然是“不应”采用管桩和灌注桩。但“不应”并不是“严禁”。五、在SO42-强腐蚀环境下可采用有合理措施的管桩和灌注桩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。2.腐蚀性等级《岩土》规范的规定见表3。表3水对混凝土结构的腐蚀性评价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。防腐规范水土的腐蚀性等级仍应以《岩土》规范为准。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