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1、2023/9/29,1,钢管桩的腐蚀与防腐,中国建筑科学研究院钱 力 航 2005年7月北京 地址:100013 北京市北三环东路30号 电话:,2023/9/29,2,钢管桩的腐蚀与防腐,钢管桩在上海超高层建筑的基础中已有所应用,如金茂大厦等.随着我国经济的高速发展,钢管桩的应用必将越来越多.广大设计施工人员对钢管桩的性能应该有一些认识.目前大家比较关注的问题一是钢管桩的腐蚀与防腐问题,二是开口钢管桩的桩端阻力问题.,2023/9/29,3,钢管桩的腐蚀与防腐,腐蚀的现象与原因 钢铁受环境的作用而变为氧化铁等的现象称为腐蚀.钢管桩工作的环境是海水、淡水、大气和土等,而使钢管桩发生腐蚀的就是其
2、中的水和氧.水和氧与钢铁发生反应生成铁锈.,2023/9/29,4,钢管桩的腐蚀与防腐,钢铁变为铁锈的反应是一种电化学反应.也可以说是根据”电池作用”进行的反应.在钢铁的表面由于种种原因存在无数非常细小的阳极和阴极,形成了局部电池.在局部电池的阳极上发生铁的溶解,阴极上发生氧的还原,就这样进行着腐蚀反应.,2023/9/29,5,钢管桩的腐蚀与防腐,钢管桩腐蚀的速度决定于单位时间内到达并扩散到钢表面的氧的量.而促使氧增加的主要因素是水中溶存的氧的浓度、流速、混合的程度和温度等.,2023/9/29,6,钢管桩的腐蚀与防腐,由于腐蚀而在钢表面形成的铁锈,在某种程度上成为氧扩散的屏障,具有抑制氧扩
3、散的作用.而这种已经形成的铁锈层的保护作用,在大气中较大,在水中较小.,2023/9/29,7,钢管桩的腐蚀与防腐,当水中溶有食盐等中性盐类时,腐蚀的机理原则上没有变化.但食盐的存在影响作为氧扩散屏障的铁锈层的性质.,2023/9/29,8,钢管桩的腐蚀与防腐,如果钢的金属组织、应力和塑性变形的程度不同,在水中的电位就不同.如两种不同成分钢的连接部位,成为腐蚀电池阳极的一方就会促进腐蚀.钢表面的压痕也会促进腐蚀.,2023/9/29,9,钢管桩的腐蚀与防腐,在低合金钢中,合金的元素进入铁锈层中会引起铁锈层性质的变化,从而影响钢的耐腐蚀性.如在低合金钢中加入适量的磷、铬和铜,则在大气或海水中,其
4、耐腐蚀性为普通钢的23倍.而在淡水或土中则没有太大的变化.,2023/9/29,10,钢管桩的腐蚀与防腐,腐蚀的形态 构筑物基础使用的钢除全面腐蚀外,还会发生“孔蚀”和“腐蚀疲劳”等形态的腐蚀.在钢表面的某些部位,阳极反应集中发生,严重腐蚀,成为“孔蚀”.孔蚀最主要的原因是通气性差.,2023/9/29,11,钢管桩的腐蚀与防腐,例如在缝隙和贝类附着的部位等,氧的供给比其他部位少,供给少的部位成为阳极,供给多的部位成为阴极,这样就形成了“电池”,在阳极部位就发生“孔蚀”.,2023/9/29,12,钢管桩的腐蚀与防腐,使钢发生激烈孔蚀的诸多原因中,还有“迷走电流”的作用.从电气铁路和电焊机洩漏
5、的直流电,一旦流入土和水中的钢结构物,再从钢结构物流到土和水中,流出的点即发生腐蚀.电流容易流出的部位会造成深深的孔蚀.,2023/9/29,13,钢管桩的腐蚀与防腐,“腐蚀疲劳”是钢铁在腐蚀性的环境中在拉应力的反复作用下在某一周期以后发生破裂的现象.腐蚀疲劳与没有腐蚀作用的疲劳相比,在一定的应力下,达到破坏的反复次数少.并且即使应力较低,如果反复次数非常大,也会出现破坏的特征.,2023/9/29,14,钢管桩的腐蚀与防腐,应力腐蚀破坏是钢在静拉应力的作用下、在特定的腐蚀环境(热而浓的碱、硝酸盐、氰化氢水溶液或液体氨等)中发生的.这些腐蚀环境不是在通常的自然环境中遇到的,因此发生应力腐蚀的可
6、能性非常小.,2023/9/29,15,钢管桩的腐蚀与防腐,钢表面铁锈层的厚度 与板厚减少量的关系 因腐蚀而失去的铁的量中,相当一部分(一般1/2以上)用于钢表面铁锈层的形成,剩余的一部分作为铁锈一度残留在钢表面,而后剥离.另一部分不在表面生成铁锈,而以离子状态流失.这几部分铁的比例根据淡水、海水、大气、土等的环境变化而定.作为钢表面铁锈残存的铁的比例,一般在土中较高,大气中较低.并随液体的流动而变化.,2023/9/29,16,钢管桩的腐蚀与防腐,现假定因腐蚀而失去的铁全部用于在钢表面形成铁锈,则钢表面铁锈层的厚度与板厚减少量的关系如下式所示:y=D S x/100 A式中 y-钢材的板厚减
7、少量(mm);D-铁锈的表观比重;S-铁锈层中铁的含有率(%);x-铁锈层的厚度(mm);A-铁的比重(7.85),2023/9/29,17,钢管桩的腐蚀与防腐,例 y=D S x/100 A 在海洋环境中钢管桩铁锈层的测试结果为D=2.01,S=52.4%,代入公式计算:y=(2.0152.4x)/(1007.85)=0.134 x x/y=7.46 即铁锈层的厚度为板厚减少量的7.46倍,2023/9/29,18,钢管桩的腐蚀与防腐,这一算例表明,若因腐蚀而失去的铁约一半用于形成铁锈,则铁锈层的厚度比板厚减少量大得多(34倍).所以应当注意,不要误以为铁锈层的厚度等于板厚减少量.铁锈层的厚
8、度与板厚减少量的关系如下图所示:,2023/9/29,19,钢管桩的腐蚀与防腐,钢管桩在土中的腐蚀情况 1 日本建设省土木研究所的调查研究 调查对象是幸谷桥的钢管桩 钢管桩外径486mm、壁厚16 mm、9mm 1958年1011月施工,经过17年后拔出,进行腐蚀调查.,2023/9/29,20,钢管桩的腐蚀与防腐,调查方法 为了解钢管桩在深度方向大致的腐蚀程度和腐蚀形态,先用肉眼观察表面附着物的颜色和状态,以及附着物清除后的腐蚀形态和程度.然后取样测试,定量地了解钢管桩各部位的腐蚀量.根据外观,认为腐蚀大的表层部位连续取样,腐蚀小的深层部位间隔取样,取样时还要考虑土层变化情况,2023/9/
9、29,21,钢管桩的腐蚀与防腐,试样尺寸为 1010 cm,在柠檬酸二铵水溶液中浸泡冼净,再用点测微计量测量厚度.取样和试样上测点位置如图所示.因为没有钢管桩打设前壁厚的测试资料,所以原始壁厚是根据实测结果推算的.调查结果 如表所示,2023/9/29,22,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,23,2023/9/29,24,钢管桩的腐蚀与防腐,从表中可见：1 外观：大气中涂膜损坏部分腐蚀显著；表层土中部分腐蚀；细砂层中除全面腐蚀外有局部腐蚀，到淤泥夹砂层中局部腐蚀更多；从粘土夹淤泥层以下几乎没有腐蚀。2 在土中腐蚀速度总平均为0。007mm/yr.3 腐蚀速度表层部位明显大于深层部位；同
10、在表层，淤泥夹砂大于细砂；4 腐蚀速度最大部位平均不过0。024mm/yr,2mm的壁厚可耐腐蚀80年。,2023/9/29,25,钢管桩的腐蚀与防腐,2 日本土质工学会的腐蚀调查 日本土质工学会为在大范围内各种土质条件下的钢桩进行腐蚀试验,从1962年到1966年,在日本10个地方设置了126根钢桩,桩的断面为L型,桩长约15 m.然后分别在打设后的第二年、第五年、第十年各拔出42根,进行腐蚀状况观察和板厚减少量的测定.结果如表所示.,2023/9/29,26,2023/9/29,27,2023/9/29,28,钢管桩的腐蚀与防腐,根据试验结果可以作出如下判断:1 除接近地表部分外,经过10
11、年的桩表面几乎保持原状;2 各地10 年总平均腐蚀速度(两面)为0.0106mm/yr单面为0.0053 mm/yr 最大值为0.0297mm/yr;3 腐蚀速度随年数增加而减少;4 推荐设计用腐蚀速度为0.02mm/yr,2023/9/29,29,钢管桩的腐蚀与防腐,3 日本钢管桩协会的腐蚀调查 钢管桩协会在大宫城县盐釜市,对正在使用的构筑物钢管桩进行了腐蚀实态调查.这些桩已打设4年.土层状况是地表至3m为填土,38m为淤泥,以下持力层为泥岩(基岩).钢管桩 外径 508 mm、壁厚9.5mm、桩长711m.,2023/9/29,30,钢管桩的腐蚀与防腐,调查方法 露出三根钢管桩,在基底以下
12、约1020cm的桩顶附近(深度约2.3m)切下60110mm的试验片.在试验片切取以前,先清除切取部位附近的铁锈,用超声波测厚仪测定壁厚.测定的位置和结果如图所示.,2023/9/29,31,No.1桩 测得9.3mm、9.4mm的壁厚较多,比当初的公称壁厚9.5mm有所减少.No.2、No.3桩与当初的公称壁厚完全相同.,2023/9/29,32,钢管桩的腐蚀与防腐,从试验片可见钢管桩的外表面有凹凸状的腐蚀,而内表面几乎看不到腐蚀.用测微计测定的结果是壁厚的平均减少量为 0.052mm,即腐蚀速度为 0.013mm/yr,2023/9/29,33,钢管桩的腐蚀与防腐,4 美国 NBS(Nat
13、ional Bureau 0f Standards)(国家标准署)的腐蚀调查 美国 NBS 得到美国钢铁协会和陆军工兵队的协助,对长年埋设在地下的钢桩等拔出或挖出来,进行实地腐蚀调查,结果如表所示.,2023/9/29,34,U:几乎无腐蚀 M:轻全面腐蚀 S:轻局部孔蚀0.6mmP:孔蚀mm,2023/9/29,35,U:几乎无腐蚀 M:轻全面腐蚀 S:轻局部孔蚀0.6mmP:孔蚀mm,2023/9/29,36,U:几乎无腐蚀 M:轻全面腐蚀 S:轻局部孔蚀0.6mmP:孔蚀mm,2023/9/29,37,U:几乎无腐蚀 M:轻全面腐蚀 S:轻局部孔蚀0.6mmP:孔蚀mm,2023/9/2
14、9,38,钢管桩的腐蚀与防腐,从调查可知:除在Ph值特别低的土中以外,钢桩的腐蚀出乎预想地少;特别是在水位以下的腐蚀对钢材强度没有影响;土的性质与腐蚀速度一般没有什么关系.可以认为在没有扰动的土中,腐蚀轻微的原因是缺少氧,2023/9/29,39,钢管桩的腐蚀与防腐,土的腐蚀性 日本建设省土木研究所和土质工学会从土的比阻抗、复极作用、酸性和pH值、氧化还原电位、细菌腐蚀、溶解成分等对土的腐蚀性进行了研究,得到的结论与前面所讲的大致相同.,2023/9/29,40,钢管桩的腐蚀与防腐,海水的腐蚀性 海水中钢管桩腐蚀速度的分布状况如图所示,2023/9/29,41,钢管桩的腐蚀与防腐,从图中可见:
15、在飞沫带腐蚀速度最大,因为水花和潮汐的作用,使钢表面经常存在海水薄膜,通过薄膜供给丰富的氧,造成钢表面极大 的腐蚀.海上漂浮的树木、船只和波浪使腐蚀加速.因为涂膜的损伤常常很大,电防腐的效果就没有了.所以,这里是海洋环境中防腐最困难的地方.,2023/9/29,42,钢管桩的腐蚀与防腐,潮汐涨落带受海水周期性反复浸润,腐蚀速度似乎应与飞沫带一样大.但实际上比较小.原因是潮汐涨落带与海水之间,由于氧供给之差形成了巨大的电池,而潮汐涨落带作为阴极,腐蚀减少了.与之相接的海水上部作为阳极而促进了腐蚀.而且海水的上下部相差不大.腐蚀仅次于飞沫带.,2023/9/29,43,钢管桩的腐蚀与防腐,在海水中
16、和潮汐涨落带,海草与生物附着在钢表面,氧的浓淡形成电池、生物死亡发生的有机物及细菌等会促进钢管桩 的腐蚀,夏季的腐蚀更严重.,2023/9/29,44,钢管桩的腐蚀与防腐,海上大气部位因飞来的海盐粒子和水花多,腐蚀环境比陆上大气厉害得多.而且象临海工业带亚硫酸气体的影响使腐蚀加大.,2023/9/29,45,钢管桩的腐蚀与防腐,海底土中部位由于与海水的接触少,氧的供给少,腐蚀最小.但在污染海域,污泥堆积的场所,也可能比海水中的腐蚀大.,2023/9/29,46,钢管桩的腐蚀与防腐,在海洋环境中钢的腐蚀调查结果如表所示,由于影响腐蚀的因素很多,测试方法不同,得到 的腐蚀量的值也是不同的.,202
17、3/9/29,47,海洋环境中普通钢的平均腐蚀速度,2023/9/29,48,海洋环境中普通钢的平均腐蚀速度,2023/9/29,49,钢管桩的腐蚀与防腐,应考虑的腐蚀量 所要考虑的腐蚀的量是实际壁厚承载力必需的壁厚.设计时采用的腐蚀量应符合下式要求;腐蚀量(mm)平均腐蚀速度(mm/y耐用年数(yr)实际壁厚承载力必须的壁厚腐蚀量在腐蚀较少的情况下，可以这样推算在腐蚀大的情况下，应采用防腐措施,2023/9/29,50,钢管桩的腐蚀与防腐,再看一个在日本千叶海滩的试验,在暴露的钢管桩第五年,按图取样,测定结果如表所示.从试验结果可以明显看出,钢管桩内表面的腐蚀极小.,2023/9/29,51
18、,2023/9/29,52,钢管桩的腐蚀与防腐,防腐蚀方法 1 低合金耐腐蚀性钢 耐海水钢 针对钢的耐海水性,添加元素的效果,随暴露的环境、元素的组合与添加量而异.综合的评价是对飞沫带加磷、铜、镍,海水中加硅、铬、铝,镍和钼对减少海水中的孔蚀有效.据此开发了不同系列的低合金钢.耐海水性钢耐腐蚀性实例如下图所示,2023/9/29,53,耐海水性钢耐腐蚀性试验,2023/9/29,54,耐海水性钢耐腐蚀性试验,2023/9/29,55,钢管桩的腐蚀与防腐,耐候性钢(耐大气腐蚀 性钢)添加磷、铜、铬可使钢的耐大气腐蚀性大幅增加,而镍、硅、钼、铝对此也颇有效.据此开发了两种耐大气腐蚀性钢:高耐候性钢
19、:含磷、铜、铬 焊接结构用耐候性钢:含铜、铬为主 耐候 性钢是使铁锈緻密,抑制氧的浸透,阻止腐蚀.如对水面上钢管桩弯曲部分,其耐腐蚀性为普通钢的23倍.为充分发挥这种钢的耐腐蚀性,使其干燥、避免飞沫是必要的.,2023/9/29,56,钢管桩的腐蚀与防腐,2 涂装法 涂装法常在桥墩、栈桥等地上突出部位使用.钢管桩在土中使用的涂料,必须防腐性好,在土中不易老化,粘结性好,打桩时涂层不会因磨擦而剥离或损伤.要满足这些性质,常用焦油环氧涂料(tar epoxy).在海水或淡水中还使用厚膜富锌防锈漆和焦油环氧涂料.特别是飞沫带防腐常常将厚膜富锌防锈漆和焦油环氧涂料或环氧涂料组合使用.,2023/9/2
20、9,57,钢管桩的腐蚀与防腐,3 有机材料覆盖 有机材料主要有树脂砂浆、聚乙烯、强化塑料等.该法防腐性好,成本低.使用最多的是聚乙烯覆盖.4 无机材料覆盖 无机材料主要是水泥混凝土硬化体,用于飞沫带和潮汐涨落带等腐蚀特别厉害的地方.水泥混凝土硬化体应加入金属丝网和钢筋以及树脂合成纤维等复合材料硬化体厚度一般为 6 cm.,2023/9/29,58,钢管桩的腐蚀与防腐,5 电防腐法 电防腐法是根据腐蚀的机理,用直流电消除钢材表面局部电池阴阳极电位差的防腐方法.,2023/9/29,59,钢管桩的腐蚀与防腐,如图所示,直流电源装置的“-”极与水或土中的钢材连接作为阴极,让电流从阳极流入.,2023
21、/9/29,60,钢管桩的腐蚀与防腐,由于电流主要流入阴极,使钢材表面阴极的电位降低,降低到与阳极电位相等,局部电池的电位差消除了,腐蚀 也就消除了.在海水或土中,钢铁的自然状态电位约为-600650mV,防腐电位为-770mV.,2023/9/29,61,电防腐的方式:1 外部电源方式 2 流电阳极方式,1 外部电源方式 在水中或土中如图设置电极,将交流电变成直流电,通过配线管从阳极输入电流.电流可根据腐蚀速度调节,电极不必经常更换,适用于半永久性大型护壁工程.,2023/9/29,62,钢管桩的腐蚀与防腐,2 流电阳极方式 通过电线将锌、铝、镁或其合金与钢管桩连接形成流电防腐系统.该法施工
22、方便,成本低,毋须维护管理.适用于平均水位以下,对飞沫带不适用.,2023/9/29,63,钢管桩的腐蚀与防腐,在日本,建筑、土木、港湾、治山、治水等领域的各种法令、指示、标准中,对腐蚀量的限制和防腐方法都有具体的规定.对建筑而言,简要地说:1 进行腐蚀试验的,采用年腐蚀速度乘以80年或耐用年数;2 不试验的,直接采用 2 mm.,2023/9/29,64,钢管桩的腐蚀与防腐,谢 谢！(以上内容引自 日本钢管桩协会 一书)(下接钢管桩的闭塞效果),2023/9/29,65,开口钢管桩的闭塞效果,2023/9/29,66,开口钢管桩的闭塞效果,几个概念1 土芯 从钢管桩下端开口涌入的土;2 土芯
23、率 土芯长度 LP与贯入深度 L 之比;3 闭塞系数 开口桩的桩端阻力Qb与闭口桩的桩端阻力Qb之比,即=Qb/Qb 式中 Qb-开口桩的桩端阻力,在静载条件下等于管壁端阻力、内壁摩阻力与土芯自重之和;,2023/9/29,67,开口钢管桩的闭塞效果,同济大学宰金璋等研究了上海软土开口钢管桩土芯长度、贯入深度与桩径的关系,如右图所示.609.6 钢管桩的土芯率约为0.7;1200 钢管桩的土芯率接近1.0.,2023/9/29,68,开口钢管桩的闭塞效果,进入砂层钢管桩的闭塞系数如右图所示:609.6的开口桩进入砂层(2.53.0)D时,闭塞系数 0.8,2023/9/29,69,开口钢管桩的闭塞效果,日本不少学者对钢管桩的闭塞效果进行了研究,提出了许多计算方法,如山原浩、田岛重男、山肩水井、后藤胜见等,在此就不一一列举了.,2023/9/29,70,谢 谢 大 家!,2023/9/29,71,开口钢管桩的闭塞效果,2023/9/29,72,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,73,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,74,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,75,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,76,钢管桩的腐蚀与防腐,2023/9/29,77,
