建筑工程中钢管桩的腐蚀及其控制技术

莫烨强，张 凯，张克敏，过民龙，杨厚易

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500；2、广东建科创新技术研究院有限公司 广州 510500；3、广州东华职业学院 广州 510540）

0 前言

桩基础是最古老的基础型式之一。从古代开始，打桩就被用来支撑人造建筑。根据历史文物遗址的发掘揭示，我国建筑体系的源头是从余姚河姆渡遗址中发现的干阑式建筑遗迹，作为古代干阑式木结构建筑的基础是由圆木桩、方木桩和板桩组成的桩基础［1］。古人用木桩在华夏大地建造房屋、桥梁、道路。

当第一批钢管桩在20世纪初出现时，它比以往的木桩都更容易被打入坚硬的土壤中。H 型桩、螺旋桩、管桩和板桩分别被指定用于各种类型土壤环境以及苛刻的海洋和深基础应用。

而钢管桩则以其独有的优势，弥补了以往桩基加固施工中加固技术难度大、吨位小、接桩困难等问题，广泛运用在高层建筑与超高层建筑的软土地基的桩基加固工程中［2］。尽管在历史上打入式钢管桩取得了成功，并大规模应用，但腐蚀仍然是一个潜在的致命弱点，钢桩基础的腐蚀会导致其承受轴向和横向荷载的能力下降，在任何建筑项目的打桩工程中都应该加以考虑［3-5］。因此，了解潜在的桩腐蚀的问题很有必要，在桩的预期使用寿命内，采取经济有效的方法克服腐蚀的影响，以避免过大的挠度和破坏。

1 钢管桩的分类

在传统的建筑桩基中，钢管桩只是以桩身材质为金属的一类管桩的总称，在工程施工中常见的钢管桩按桩头可以分为2大类［3］：①开口桩；②闭口桩。按制造方式可以分为3大类：①直焊缝钢管；②螺旋焊缝钢管；③无缝钢管。

2 钢管桩的电化学腐蚀机理

钢管桩在土壤、水或潮湿的室外环境中的腐蚀主要由电化学反应引起［6］。电化学腐蚀过程是一个自然过程，在腐蚀环境下，钢铁原子内的结合能被削弱，导致一个或多个电子离开金属的原子结构形成电流。电流再通过金属离子的输送在电解质中传播。

产生这种现象需要3个条件：①氧气的存在；②电解质的存在；③在金属局部表面产生电位差，在局部区域形成阳极和阴极。这时，金属腐蚀性损失发生在金属表面的阳极区域，在这里局部的腐蚀电流流通伴随着铁离子的分离。

3 钢管桩在不同环境下的腐蚀特点

3.1 土壤环境

钢管桩在土壤中的腐蚀，通常需要氧气和导电液体或土壤（电解液）的存在［7］。土壤条件的变化会影响桩的表面氧气浓度，从而会在桩的表面局部产生电位差。一般来说，钢管桩在土壤中的腐蚀行为可分为两类：①扰动土壤中的腐蚀；②未扰动土壤中的腐蚀。

扰动土是指挖土、回填土或其他土体发生隆起的土壤。扰动土壤中钢的腐蚀速率同时受到土壤电阻率、pH 值、土壤水分和土壤中的氧含量等因素的影响，如表1所示。而氧气在空气中存在，会在土壤受到扰动的时候被引入土壤中。特别是工业填土中采用钢管打桩，由于工业填土的腐蚀性化学物质水平的升高或pH 值的降低，受到的腐蚀风险更大，这时有必要做一些防护措施。

表1 腐蚀等级与土壤电阻的关系［6］Tab.1 Correlation between Corrosion Grade and Soil Resistance

一般来说，未受扰动的土壤在地线以下1～3 m 或地下水位以下处缺氧；钢管桩受腐蚀的威胁不会太大，通常不需要做额外的防护措施。根据DECKER［6］对埋地15年的管桩进行测量，发现地下水位波动区通常是腐蚀的临界区。沿桩长方向的腐蚀速率主要受相对于地下水位的位置的控制，而不是其他任何单一的土壤参数。腐蚀速率峰值一般在地下水位附近，如图1所示。

图1 钢桩深度与腐蚀速率的关系［6］Fig.1 Relationship between Steel Pile Depth and Corrosion Rate

这时由于地下水具有阻止氧气扩散屏障的作用，在静水、淡水或盐水中，由于氧含量降低，钢桩或板桩的腐蚀随深度增加而减小。而工程施工中在未受扰动的地基上钻孔的钢桩通常不需要保护。

3.2 海洋环境

在海洋环境中，海水由于含盐量高，比淡水更容易腐蚀。无防护措施的钢管桩设施寿命会随暴露条件的不同而不同。在海洋环境中金属腐蚀最重要的因素是钢管桩表面与水接触的时间以及潮湿区存在的腐蚀介质。如直接接触受污染的海水时，钢管桩的腐蚀风险更严重。

一般海洋环境可分为5个区带：海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海底泥土区［8］。理论上通常浪溅区的金属腐蚀最为严重，其次是潮差区，这是因为该区域的氧气充足。

决定金属钢在大气中暴露率的关键因素是湿度（湿度或降水），特别是在潮湿、氯化物和氧气丰富的海洋大气中。在相对湿度超过50%时，就为腐蚀提供了必要的水分；而湿度在80%或以上，裸露的钢桩的腐蚀更为严重。

在海上飞溅区域，可以采用涂层或混凝土防护的形式进行保护。而钢管桩在海洋中应用时可以通过设计余量来提供在重量最轻时的最大强度和耐久性。而在无保护措施时的钢管桩有效寿命，无论材质是碳钢或高强度钢，均取决于其在使用中施加的应力及其由于腐蚀而减少的截面。所以在任何可能的情况下，钢桩的设计最好使高弯矩或拉应力发生的区域要远离腐蚀集中区域。必要时，可适当进行阴极保护，以显著降低桩的腐蚀速率。

相比之下，水位以下的区域是缺氧的，该区域发生的腐蚀通常比浪溅区要轻。在某些情况下，泥浆线处的腐蚀会增加，但通常并不严重［9］。

3.3 微生物环境

虽然氧气不能穿透土壤，但土壤中的硫酸盐还原细菌可以造成腐蚀。硫酸盐还原细菌可以存在于水和土壤中，在钢管桩表面生长，并形成一个腐蚀坑，其中腐蚀坑是小阳极，其余的钢表面成为大阴极。

在海洋环境中，钢管桩除了常年受海水侵蚀外，还经常受到大量的海洋微生物、植物和动物的附着造成生物污损，如藤壶、牡蛎等。导致钢桩的严重腐蚀，常出现低水位加速腐蚀（ALWC）［10］，其定义是指贯穿大气-海水跃变区域的金属材料在紧邻低潮线下发生严重的腐蚀的现象，其腐蚀速率可达到1 mm∕a。此现象与微生物引起的腐蚀有关。

4 腐蚀控制技术

当已知腐蚀环境的时候，工程师们通常采用理论方法来处理腐蚀的问题，保证钢管桩在土壤或水中长周期服役而不受腐蚀而影响其承载能力。但是在理想情况下设计出来的钢管桩的费用远超出业主的预算费用。所以实际工程中面临的挑战是如何平衡成本和桩的使用寿命的问题。

在腐蚀环境下，通常采用以下措施来保证钢管桩在其设计使用寿命内安全服役。

4.1 设计余量

对于任何腐蚀损伤，最简单的方法是对钢管桩的横截面进行超尺寸计算，增加钢管桩的壁厚提供了一个腐蚀余量，以确保在基础结构的设计使用寿命内有足够的承重能力［11］。

对于钢管桩的类型不同，金属腐蚀损失的数量还取决于金属表面暴露在土壤或水中的面积。例如，板桩和H 型桩的整个表面都会受到腐蚀。而对于封闭型钢管桩，通常只在桩的外表面发生严重腐蚀；但开放式钢管桩除了外表面出现腐蚀，内表面也容易发生腐蚀。如果开放式钢管桩的长期处于地下水位以下，且桩顶上部密封，则桩体形成封闭的气密套管，桩体内表面的腐蚀可以忽略不计。根据国外的资料显示钢管桩的腐蚀速度70 年为0.075～（-0.9）mm［12］，国内的规定比国外要求更严，在设计时根据建筑物的类型，增加桩厚余量作为应变措施，以应对高于预期的腐蚀速率。

4.2 升级材质

采用高屈服强度的钢代替低碳钢做钢管桩，是另一种在腐蚀环境下的延长工程寿命方法。增加桩的最小屈服强度可以使其在发生腐蚀时仍能保持其承载能力［6］。

4.3 有机涂层

由于桩在打桩过程中存在着潜在的破坏，所以很少在桩上使用防腐蚀涂层。然而，当认为必要时，有机树脂涂料可以是一个经济的选择。在土壤、淡水和海水中，有专门为钢板和支撑桩设计的专门油漆和涂层系统。混凝土护套和纤维包裹层在海上应用中也非常经济有效的防护方法。其中环氧粉末涂料、聚氨酯涂料、改性环氧玻璃鳞片涂料和聚酯玻璃鳞片涂料常用在钢管桩防护中［13］。广东LNG 接收站的钢管桩设计保护年限20 年，其在浪溅区以下部分属于飞溅表湿区，采用改性氧玻璃鳞片涂料作为防腐蚀涂层，采用多次喷涂方法使干膜厚度在800 μm。而在浸没区，同样采用改性氧玻璃鳞片涂料，但是这区域的干膜厚度为500 μm［13］。

4.4 阴极保护

阴极保护是一种用保护反向电流补偿桩内腐蚀电流的腐蚀保护方法。直流电流的作用是迫使金属表面变成收集电流的阴极。如果电流足够大，所有金属表面将变成阴极到外部阳极。采用阴极保护，还可以对钢管的腐蚀进行可靠的监测。

有许多案例研究涵盖了各种海洋和内陆设施中驱动钢管桩的腐蚀［14-17］。在这些研究中得到的历史腐蚀速率可以为工程师提供一个有效的参考依据，以了解他如何根据成本，有效地调整桩的设计标准，以实现控制项目的安全寿命内的腐蚀。

4.5 多种方法组合

在水下结构的防护方法中，工程常用的是采用阴极保护联合涂料的防腐措施，来确保水下钢管桩不受侵蚀。这时就要考虑所采用的阴极保护技术与涂料类型应能兼容，除了选择良好的附着性、耐腐蚀性、耐电位性和耐碱性的涂层性能外，阴极保护电位也应避免过大而引起金属材质氢脆及涂层氢鼓包现象。在工程中，牺牲阳极与热熔结环氧粉末涂层的综合使用优势明显，涂层破损后可由阴极保护系统进行保护，同时正常工况下钢管柱涂层覆盖完好，其所需的阴极保护电流远低于单独使用阴极保护。而我国首次采用了高性能熔结环氧复合涂层与牺牲阳极阴极保护联合防护技术在桥梁钢管桩上应用［18］。

5 结论及展望

桩基作为一个隐蔽工程，由于桩身安装在地下，长期在密闭潮湿、永久浸泡、干湿交替等环境下服役，不仅受到土壤环境及侵蚀性介质的腐蚀作用，而且在接近地面部分或裸露部位还受到大气环境中腐蚀介质的侵蚀作用，其面临侵蚀的情况远比地面上部结构严重。而广东拥有漫长的海岸线，在广东工业发达的沿海地区，桩基还长期面临着海洋氯离子侵蚀环境与工业环境废水复杂腐蚀环境的侵蚀。而且广东目前仍处于新建与维修改造并重的阶段，并逐步进入老旧建筑工程的维修改造为重点的阶段；因此，如何针对工程运行的不同阶段，尽早制定科学、合理的维修管理计划，可以显著降低整个工程的成本，保证以最少的维修资金投入获得更好的工程性能和更长的使用寿命，是目前工程技术人员面临的主要问题。