1、2020/8/30,1,鋼管樁的腐蝕與防腐,中國建筑科學(xué)研究院 錢 力 航 2011年3月北京,2020/8/30,2,鋼管樁的腐蝕與防腐,鋼管樁在上海超高層建筑的基礎(chǔ)中已有所應(yīng)用,如金茂大廈等.隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,鋼管樁的應(yīng)用必將越來越多.廣大設(shè)計(jì)施工人員對鋼管樁的性能應(yīng)該有一些認(rèn)識.目前大家比較關(guān)注的問題一是鋼管樁的腐蝕與防腐問題,二是開口鋼管樁的樁端阻力問題.,2020/8/30,3,鋼管樁的腐蝕與防腐,腐蝕的現(xiàn)象與原因 鋼鐵受環(huán)境的作用而變?yōu)檠趸F等的現(xiàn)象稱為腐蝕. 鋼管樁工作的環(huán)境是海水、淡水、大氣和土等,而使鋼管樁發(fā)生腐蝕的就是其中的水和氧.水和氧與鋼鐵發(fā)生反應(yīng)生成鐵銹.,20

2、20/8/30,4,鋼管樁的腐蝕與防腐,鋼鐵變?yōu)殍F銹的反應(yīng)是一種電化學(xué)反應(yīng).也可以說是根據(jù)”電池作用”進(jìn)行的反應(yīng). 在鋼鐵的表面由于種種原因存在無數(shù)非常細(xì)小的陽極和陰極,形成了局部電池.在局部電池的陽極上發(fā)生鐵的溶解,陰極上發(fā)生氧的還原,就這樣進(jìn)行著腐蝕反應(yīng).,2020/8/30,5,鋼管樁的腐蝕與防腐,鋼管樁腐蝕的速度決定于單位時間內(nèi)到達(dá)并擴(kuò)散到鋼表面的氧的量.而促使氧增加的主要因素是水中溶存的氧的濃度、流速、混合的程度和溫度等.,2020/8/30,6,鋼管樁的腐蝕與防腐,由于腐蝕而在鋼表面形成的鐵銹,在某種程度上成為氧擴(kuò)散的屏障,具有抑制氧擴(kuò)散的作用.而這種已經(jīng)形成的鐵銹層的保護(hù)作用,在

3、大氣中較大,在水中較小.,2020/8/30,7,鋼管樁的腐蝕與防腐,當(dāng)水中溶有食鹽等中性鹽類時,腐蝕的機(jī)理原則上沒有變化.但食鹽的存在影響作為氧擴(kuò)散屏障的鐵銹層的性質(zhì).,2020/8/30,8,鋼管樁的腐蝕與防腐,如果鋼的金屬組織、應(yīng)力和塑性變形的程度不同,在水中的電位就不同.如兩種不同成分鋼的連接部位,成為腐蝕電池陽極的一方就會促進(jìn)腐蝕.鋼表面的壓痕也會促進(jìn)腐蝕.,2020/8/30,9,鋼管樁的腐蝕與防腐,在低合金鋼中,合金的元素進(jìn)入鐵銹層中會引起鐵銹層性質(zhì)的變化,從而影響鋼的耐腐蝕性.如在低合金鋼中加入適量的磷、鉻和銅,則在大氣或海水中,其耐腐蝕性為普通鋼的23倍.而在淡水或土中則沒有

4、太大的變化.,2020/8/30,10,鋼管樁的腐蝕與防腐,腐蝕的形態(tài) 構(gòu)筑物基礎(chǔ)使用的鋼除全面腐蝕外,還會發(fā)生“孔蝕”和“腐蝕疲勞”等形態(tài)的腐蝕. 在鋼表面的某些部位,陽極反應(yīng)集中發(fā)生,嚴(yán)重腐蝕,成為“孔蝕”.孔蝕最主要的原因是通氣性差.,2020/8/30,11,鋼管樁的腐蝕與防腐,例如在縫隙和貝類附著的部位等,氧的供給比其他部位少,供給少的部位成為陽極,供給多的部位成為陰極,這樣就形成了“電池”,在陽極部位就發(fā)生“孔蝕”.,2020/8/30,12,鋼管樁的腐蝕與防腐,使鋼發(fā)生激烈孔蝕的諸多原因中,還有“迷走電流” 的作用.從電氣鐵路和電焊機(jī)洩漏的直流電,一旦流入土和水中的鋼結(jié)構(gòu)物,再從

5、鋼結(jié)構(gòu)物流到土和水中,流出的點(diǎn)即發(fā)生腐蝕.電流容易流出的部位會造成深深的孔蝕.,2020/8/30,13,鋼管樁的腐蝕與防腐,“腐蝕疲勞”是鋼鐵在腐蝕性的環(huán)境中在拉應(yīng)力的反復(fù)作用下在某一周期以后發(fā)生破裂的現(xiàn)象.腐蝕疲勞與沒有腐蝕作用的疲勞相比,在一定的應(yīng)力下,達(dá)到破壞的反復(fù)次數(shù)少.并且即使應(yīng)力較低,如果反復(fù)次數(shù)非常大,也會出現(xiàn)破壞的特征.,2020/8/30,14,鋼管樁的腐蝕與防腐,應(yīng)力腐蝕破壞是鋼在靜拉應(yīng)力的作用下、在特定的腐蝕環(huán)境(熱而濃的堿、硝酸鹽、氰化氫水溶液或液體氨等)中發(fā)生的.這些腐蝕環(huán)境不是在通常的自然環(huán)境中遇到的,因此發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性非常小.,2020/8/30,15,鋼

6、管樁的腐蝕與防腐,鋼表面鐵銹層的厚度 與板厚減少量的關(guān)系 因腐蝕而失去的鐵的量中,相當(dāng)一部分(一般1/2以上)用于鋼表面鐵銹層的形成,剩余的一部分作為鐵銹一度殘留在鋼表面,而后剝離.另一部分不在表面生成鐵銹,而以離子狀態(tài)流失.這幾部分鐵的比例根據(jù)淡水、海水、大氣、土等的環(huán)境變化而定.作為鋼表面鐵銹殘存的鐵的比例,一般在土中較高,大氣中較低.并隨液體的流動而變化.,2020/8/30,16,鋼管樁的腐蝕與防腐,現(xiàn)假定因腐蝕而失去的鐵全部用于在鋼表面形成鐵銹,則鋼表面鐵銹層的厚度與板厚減少量的關(guān)系如下式所示: y = D S x / 100 A 式中 y-鋼材的板厚減少量(mm); D-鐵銹的表觀

7、比重; S- 鐵銹層中鐵的含有率(%) ; x -鐵銹層的厚度(mm); A-鐵的比重(7.85),2020/8/30,17,鋼管樁的腐蝕與防腐,例 y = D S x / 100 A 在海洋環(huán)境中鋼管樁鐵銹層的測試結(jié)果為D=2.01, S=52.4%, 代入公式計(jì)算: y = (2.0152.4x) / (1007.85) = 0.134 x x / y = 7.46 即鐵銹層的厚度為板厚減少量的7.46倍,2020/8/30,18,鋼管樁的腐蝕與防腐,這一算例表明,若因腐蝕而失去的鐵約一半用于形成鐵銹,則鐵銹層的厚度比板厚減少量大得多(34倍). 所以應(yīng)當(dāng)注意,不要誤以為鐵銹層的厚度等于板

8、厚減少量. 鐵銹層的厚度與板厚減少量的關(guān)系如下圖所示:,2020/8/30,19,鋼管樁的腐蝕與防腐,鋼管樁在土中的腐蝕情況 1 日本建設(shè)省土木研究所的調(diào)查研究 調(diào)查對象是幸谷橋的鋼管樁 鋼管樁外徑486mm、壁厚16 mm、9mm 1958年1011月施工,經(jīng)過17年后拔出,進(jìn)行腐蝕調(diào)查.,2020/8/30,20,鋼管樁的腐蝕與防腐,調(diào)查方法 為了解鋼管樁在深度方向大致的腐蝕程度和腐蝕形態(tài),先用肉眼觀察表面附著物的顏色和狀態(tài),以及附著物清除后的腐蝕形態(tài)和程度. 然后取樣測試,定量地了解鋼管樁各部位的腐蝕量. 根據(jù)外觀,認(rèn)為腐蝕大的表層部位連續(xù)取樣,腐蝕小的深層部位間隔取樣,取樣時還要考慮土

9、層變化情況,2020/8/30,21,鋼管樁的腐蝕與防腐,試樣尺寸為 1010 cm,在檸檬酸二銨水溶液中浸泡冼凈,再用點(diǎn)測微計(jì)量測量厚度.取樣和試樣上測點(diǎn)位置如圖所示. 因?yàn)闆]有鋼管樁打設(shè)前壁厚的測試資料,所以原始壁厚是根據(jù)實(shí)測結(jié)果推算的. 調(diào)查結(jié)果 如表所示,2020/8/30,22,鋼管樁的腐蝕與防腐,2020/8/30,23,2020/8/30,24,鋼管樁的腐蝕與防腐,從表中可見： 1 外觀 ：大氣中涂膜損壞部分腐蝕顯著；表層土中部分腐蝕；細(xì)砂層中除全面腐蝕外有局部腐蝕，到淤泥夾砂層中局部腐蝕更多；從粘土夾淤泥層以下幾乎沒有腐蝕。 2 在土中腐蝕速度總平均為0。007mm/yr. 3

10、 腐蝕速度表層部位明顯大于深層部位；同在表層，淤泥夾砂大于細(xì)砂； 4 腐蝕速度最大部位平均不過0。024mm / yr, 2mm的壁厚可耐腐蝕80年。,2020/8/30,25,鋼管樁的腐蝕與防腐,2 日本土質(zhì)工學(xué)會的腐蝕調(diào)查 日本土質(zhì)工學(xué)會為在大范圍內(nèi)各種土質(zhì)條件下的鋼樁進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),從1962年到1966年,在日本10個地方設(shè)置了126根鋼樁,樁的斷面為L型,樁長約15 m.然后分別在打設(shè)后的第二年、第五年、第十年各拔出42根,進(jìn)行腐蝕狀況觀察和板厚減少量的測定. 結(jié)果如表所示.,2020/8/30,26,2020/8/30,27,2020/8/30,28,鋼管樁的腐蝕與防腐,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果

11、可以作出如下判斷: 1 除接近地表部分外,經(jīng)過10年的樁表面幾乎保持原狀; 2 各地10 年總平均腐蝕速度(兩面)為0.0106mm /yr單面為0.0053 mm /yr 最大值為0.0297mm /yr; 3 腐蝕速度隨年數(shù)增加而減少; 4 推薦設(shè)計(jì)用腐蝕速度為0.02mm / yr,2020/8/30,29,鋼管樁的腐蝕與防腐,3 日本鋼管樁協(xié)會的腐蝕調(diào)查 鋼管樁協(xié)會在大宮城縣鹽釜市,對正在使用的構(gòu)筑物鋼管樁進(jìn)行了腐蝕實(shí)態(tài)調(diào)查.這些樁已打設(shè)4年. 土層狀況是地表至3m為填土,38m為淤泥,以下持力層為泥巖(基巖). 鋼管樁 外徑 508 mm、 壁厚9.5mm 、樁長711m.,2020

12、/8/30,30,鋼管樁的腐蝕與防腐,調(diào)查方法 露出三根鋼管樁,在基底以下約1020cm的樁頂附近(深度約2.3m)切下60110mm的試驗(yàn)片. 在試驗(yàn)片切取以前,先清除切取部位附近的鐵銹,用超聲波測厚儀測定壁厚.測定的位置和結(jié)果如圖所示.,2020/8/30,31,No.1樁 測得9.3mm 、9.4mm的壁厚較多,比當(dāng)初的公稱壁厚9.5mm有所減少. No.2、No.3樁與當(dāng)初的公稱壁厚完全相同.,2020/8/30,32,鋼管樁的腐蝕與防腐,從試驗(yàn)片可見鋼管樁的外表面有凹凸?fàn)畹母g,而內(nèi)表面幾乎看不到腐蝕.用測微計(jì)測定的結(jié)果是壁厚的平均減少量為 0.052mm,即腐蝕速度為 0.013m

13、m / yr,2020/8/30,33,鋼管樁的腐蝕與防腐,4 美國 NBS ( National Bureau 0f Standards) (國家標(biāo)準(zhǔn)署) 的腐蝕調(diào)查 美國 NBS 得到美國鋼鐵協(xié)會和陸軍工兵隊(duì)的協(xié)助,對長年埋設(shè)在地下的鋼樁等拔出或挖出來,進(jìn)行實(shí)地腐蝕調(diào)查,結(jié)果如表所示.,2020/8/30,34,U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm,2020/8/30,35,U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm,2020/8/30,36,U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm,2020/8/

14、30,37,U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm,2020/8/30,38,鋼管樁的腐蝕與防腐,從調(diào)查可知: 除在Ph值特別低的土中以外,鋼樁的腐蝕出乎預(yù)想地少; 特別是在水位以下的腐蝕對鋼材強(qiáng)度沒有影響; 土的性質(zhì)與腐蝕速度一般沒有什么關(guān)系. 可以認(rèn)為在沒有擾動的土中,腐蝕輕微的原因是缺少氧,2020/8/30,39,鋼管樁的腐蝕與防腐,土的腐蝕性 日本建設(shè)省土木研究所和土質(zhì)工學(xué)會從土的比阻抗、復(fù)極作用、酸性和pH值、氧化還原電位、細(xì)菌腐蝕、溶解成分等對土的腐蝕性進(jìn)行了研究,得到的結(jié)論與前面所講的大致相同.,2020/8/30,40,鋼管樁的腐蝕與防腐,海水

15、的腐蝕性 海水中鋼管樁腐蝕速度的分布狀況如圖所示,2020/8/30,41,鋼管樁的腐蝕與防腐,從圖中可見: 在飛沫帶腐蝕速度最大,因?yàn)樗ê统毕淖饔?使鋼表面經(jīng)常存在海水薄膜,通過薄膜供給豐富的氧,造成鋼表面極大 的腐蝕.海上漂浮的樹木、船只和波浪使腐蝕加速.因?yàn)橥磕さ膿p傷常常很大,電防腐的效果就沒有了.所以,這里是海洋環(huán)境中防腐最困難的地方.,2020/8/30,42,鋼管樁的腐蝕與防腐,潮汐漲落帶受海水周期性反復(fù)浸潤,腐蝕速度似乎應(yīng)與飛沫帶一樣大.但實(shí)際上比較小.原因是潮汐漲落帶與海水之間,由于氧供給之差形成了巨大的電池,而潮汐漲落帶作為陰極,腐蝕減少了.與之相接的海水上部作為陽極而促

16、進(jìn)了腐蝕.而且海水的上下部相差不大.腐蝕僅次于飛沫帶.,2020/8/30,43,鋼管樁的腐蝕與防腐,在海水中和潮汐漲落帶,海草與生物附著在鋼表面,氧的濃淡形成電池、生物死亡發(fā)生的有機(jī)物及細(xì)菌等會促進(jìn)鋼管樁 的腐蝕,夏季的腐蝕更嚴(yán)重.,2020/8/30,44,鋼管樁的腐蝕與防腐,海上大氣部位因飛來的海鹽粒子和水花多,腐蝕環(huán)境比陸上大氣厲害得多.而且象臨海工業(yè)帶亞硫酸氣體的影響使腐蝕加大.,2020/8/30,45,鋼管樁的腐蝕與防腐,海底土中部位由于與海水的接觸少,氧的供給少,腐蝕最小.但在污染海域,污泥堆積的場所,也可能比海水中的腐蝕大.,2020/8/30,46,鋼管樁的腐蝕與防腐,在海

17、洋環(huán)境中鋼的腐蝕調(diào)查結(jié)果如表所示,由于影響腐蝕的因素很多,測試方法不同,得到 的腐蝕量的值也是不同的.,2020/8/30,47,海洋環(huán)境中普通鋼的平均腐蝕速度,2020/8/30,48,海洋環(huán)境中普通鋼的平均腐蝕速度,2020/8/30,49,鋼管樁的腐蝕與防腐,應(yīng)考慮的腐蝕量 所要考慮的腐蝕的量是實(shí)際壁厚承載力必需的壁厚.設(shè)計(jì)時采用的腐蝕量應(yīng)符合下式要求; 腐蝕量(mm) 平均腐蝕速度(mm/y耐用年數(shù)(yr) 實(shí)際壁厚承載力必須的壁厚腐蝕量 在腐蝕較少的情況下，可以這樣推算在腐蝕大的情況下，應(yīng)采用防腐措施,2020/8/30,50,鋼管樁的腐蝕與防腐,再看一個在日本千葉海灘的試驗(yàn),在暴露

18、的鋼管樁第五年,按圖取樣,測定結(jié)果如表所示. 從試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出,鋼管樁內(nèi)表面的腐蝕極小.,2020/8/30,51,2020/8/30,52,鋼管樁的腐蝕與防腐,防腐蝕方法 1 低合金耐腐蝕性鋼 耐海水鋼 針對鋼的耐海水性,添加元素的效果,隨暴露的環(huán)境、元素的組合與添加量而異.綜合的評價是對飛沫帶加磷、銅、鎳,海水中加硅、鉻、鋁,鎳和鉬對減少海水中的孔蝕有效. 據(jù)此開發(fā)了不同系列的低合金鋼. 耐海水性鋼耐腐蝕性實(shí)例如下圖所示,2020/8/30,53,耐海水性鋼耐腐蝕性試驗(yàn),2020/8/30,54,耐海水性鋼耐腐蝕性試驗(yàn),2020/8/30,55,鋼管樁的腐蝕與防腐,耐候性鋼(耐大氣腐

19、蝕 性鋼) 添加磷、銅、鉻可使鋼的耐大氣腐蝕性大幅增加,而鎳、硅、鉬、鋁對此也頗有效.據(jù)此開發(fā)了兩種耐大氣腐蝕性鋼: 高耐候性鋼:含磷、銅、鉻 焊接結(jié)構(gòu)用耐候性鋼:含銅、鉻為主 耐候 性鋼是使鐵銹緻密,抑制氧的浸透,阻止腐蝕. 如對水面上鋼管樁彎曲部分,其耐腐蝕性為普通鋼的23倍.為充分發(fā)揮這種鋼的耐腐蝕性,使其干燥、避免飛沫是必要的.,2020/8/30,56,鋼管樁的腐蝕與防腐,2 涂裝法 涂裝法常在橋墩、棧橋等地上突出部位使用.鋼管樁在土中使用的涂料,必須防腐性好,在土中不易老化,粘結(jié)性好,打樁時涂層不會因磨擦而剝離或損傷.要滿足這些性質(zhì),常用焦油環(huán)氧涂料(tar epoxy). 在海水或淡水中還使用厚膜富鋅防銹漆和焦油環(huán)氧涂料. 特別是飛沫帶防腐常常將厚膜富鋅防銹漆和焦油環(huán)氧涂料或環(huán)氧涂料組合使用.,2020/8/30,57,鋼管樁的腐蝕與防腐,3 有機(jī)材料覆蓋 有機(jī)材料主要有樹脂砂漿、聚乙烯、強(qiáng)化塑料等.該法防腐性好,成本低.使用最多的是聚乙烯覆蓋. 4 無機(jī)材料覆蓋 無機(jī)材料主要是水泥混凝土硬化體,用于飛沫帶和潮汐漲落帶等腐蝕特別厲害的地方. 水泥混凝土硬化體應(yīng)加入金屬絲網(wǎng)和鋼筋以及樹脂合成纖維等復(fù)合材料硬化體厚度一般為 6 cm.,2020/8/30,58,鋼管樁的腐