鋼管樁的腐蝕與防腐課件

1、鋼管樁的腐蝕與防腐中國建筑科學研究院錢 力 航 2005年7月北京 地址:100013 北京市北三環(huán)東路30號 電話: 01084286025 139013140387/25/20221鋼管樁的腐蝕與防腐 鋼管樁在上海超高層建筑的基礎中已有所應用,如金茂大廈等.隨著我國經濟的高速發(fā)展,鋼管樁的應用必將越來越多.廣大設計施工人員對鋼管樁的性能應該有一些認識.目前大家比較關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.7/25/20222鋼管樁的腐蝕與防腐 腐蝕的現象與原因 鋼鐵受環(huán)境的作用而變?yōu)檠趸F等的現象稱為腐蝕. 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

2、腐蝕的就是其中的水和氧.水和氧與鋼鐵發(fā)生反應生成鐵銹.7/25/20223鋼管樁的腐蝕與防腐 鋼鐵變?yōu)殍F銹的反應是一種電化學反應.也可以說是根據”電池作用”進行的反應. 在鋼鐵的表面由于種種原因存在無數非常細小的陽極和陰極,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,就這樣進行著腐蝕反應.7/25/20224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到達并擴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.7/25/20225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散的屏障,具有抑制氧擴散的

3、作用.而這種已經形成的鐵銹層的保護作用,在大氣中較大,在水中較小.7/25/20226鋼管樁的腐蝕與防腐 當水中溶有食鹽等中性鹽類時,腐蝕的機理原則上沒有變化.但食鹽的存在影響作為氧擴散屏障的鐵銹層的性質.7/25/20227鋼管樁的腐蝕與防腐 如果鋼的金屬組織、應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腐蝕.鋼表面的壓痕也會促進腐蝕.7/25/20228鋼管樁的腐蝕與防腐 在低合金鋼中,合金的元素進入鐵銹層中會引起鐵銹層性質的變化,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

4、倍.而在淡水或土中則沒有太大的變化.7/25/20229鋼管樁的腐蝕與防腐 腐蝕的形態(tài) 構筑物基礎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,陽極反應集中發(fā)生,嚴重腐蝕,成為“孔蝕”.孔蝕最主要的原因是通氣性差.7/25/202210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”.7/25/202211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洩漏的直流電,一旦流入土和水中的鋼結構物,

5、再從鋼結構物流到土和水中,流出的點即發(fā)生腐蝕.電流容易流出的部位會造成深深的孔蝕.7/25/202212鋼管樁的腐蝕與防腐 “腐蝕疲勞”是鋼鐵在腐蝕性的環(huán)境中在拉應力的反復作用下在某一周期以后發(fā)生破裂的現象.腐蝕疲勞與沒有腐蝕作用的疲勞相比,在一定的應力下,達到破壞的反復次數少.并且即使應力較低,如果反復次數非常大,也會出現破壞的特征. 7/25/202213鋼管樁的腐蝕與防腐 應力腐蝕破壞是鋼在靜拉應力的作用下、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)生應力腐蝕的可能性非常小.7/25/202214鋼管樁的腐蝕與

6、防腐 鋼表面鐵銹層的厚度 與板厚減少量的關系 因腐蝕而失去的鐵的量中,相當一部分(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.7/25/202215鋼管樁的腐蝕與防腐 現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-鐵銹的表觀比重; S- 鐵銹層

7、中鐵的含有率(%) ; x -鐵銹層的厚度(mm); A-鐵的比重(7.85)7/25/202216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果為D=2.01, S=52.4%, 代入公式計算: 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7/25/202217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). 所以應當注意,不要誤以為鐵銹層的厚度等于板厚減少量. 鐵銹層的厚度與板厚減少

8、量的關系如下圖所示:7/25/202218鋼管樁的腐蝕與防腐 鋼管樁在土中的腐蝕情況 1 日本建設省土木研究所的調查研究 調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,經過17年后拔出,進行腐蝕調查. 7/25/202219鋼管樁的腐蝕與防腐 調查方法 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. 根據外觀,認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,取樣時還要考慮土層變化情況,7/25/202220鋼管樁的腐

9、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,再用點測微計量測量厚度.取樣和試樣上測點位置如圖所示. 因為沒有鋼管樁打設前壁厚的測試資料,所以原始壁厚是根據實測結果推算的. 調查結果 如表所示 7/25/202221鋼管樁的腐蝕與防腐7/25/202222 深度 m土質表面 原 始 壁 厚 mm 實 測 壁 厚 mm 最小 平均 腐 蝕 速 度 mm/yr最大值 平均值-0.30.00.00.20.20.91.72.55.26.110.211.117.218.124.225.118.229.135.236.1大氣土 細 砂淤泥夾細砂 粘土夾淤泥 。 。 。 細砂涂涂裸下

10、同 15。8115。8115。8115。8115。429。029。218。748。749。5714。04 15。6115。26 15。7615。14 15。6514。76 15。41 15。28 15。398。90 8。998。86 9。158。61 8。738。21 8。709。38 9。520。104 0。0240。032 0。0030。039 0。0090。062 0。0240。008 0。0020。007 0。0020。021 0。0040。008 0。0010。031 0。0020。011 0。0037/25/202223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

11、分腐蝕顯著；表層土中部分腐蝕；細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 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。7/25/202224鋼管樁的腐蝕與防腐 2 日本土質工學會的腐蝕調查 日本土質工學會為在大范圍內各種土質條件下的鋼樁進行腐蝕試驗,從1962年到1966年,在日本10個地方設置了126根鋼樁,樁的斷面為L型,樁長約15 m.然后分別在打設后的第二年、第五年、第十年各拔出4

12、2根,進行腐蝕狀況觀察和板厚減少量的測定. 結果如表所示.7/25/202225樁所在地 土質調查目的根數平均腐蝕速度 (mm/yr兩面)東京電力沖積淤泥普通鋼腐蝕90.0045川崎制鐵填海地普通鋼合金鋼腐蝕 電防腐120.0114廣島大學砂.淤泥普通鋼腐蝕100.0116新日鐵關東砂粘普通鋼腐蝕90.0112關西電力海邊填土普通鋼 耐候性鋼焊接部位蝕150.00837/25/202226鹿島建設砂礫普通鋼腐蝕90.0093住宅公團砂粘互層普通鋼腐蝕電車軌道迷走電流影響 涂裝防腐120.0148農林省淤泥普通鋼腐蝕90.0094武里團地砂.淤泥普通鋼腐蝕鋼管樁內面防腐110.0061川崎制鐵填

13、海地普通鋼腐蝕鋼筋混凝土基礎內鋼筋的影響等300.0127總計126 根平均 0.0106mm/yr7/25/202227鋼管樁的腐蝕與防腐 根據試驗結果可以作出如下判斷: 1 除接近地表部分外,經過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 腐蝕速度隨年數增加而減少; 4 推薦設計用腐蝕速度為0.02mm / yr7/25/202228鋼管樁的腐蝕與防腐 3 日本鋼管樁協會的腐蝕調查 鋼管樁協會在大宮城縣鹽釜市,對正在使用的構筑物鋼管樁進行了腐蝕實態(tài)調查.這些樁已打設4

14、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.7/25/202229鋼管樁的腐蝕與防腐 調查方法 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的試驗片. 在試驗片切取以前,先清除切取部位附近的鐵銹,用超聲波測厚儀測定壁厚.測定的位置和結果如圖所示. 7/25/202230 No.1樁 測得9.3mm 、9.4mm的壁厚較多,比當初的公稱壁厚9.5mm有所減少. No.2、No.3樁與當初的公稱壁厚完全相同.7/25/202231鋼管樁的腐蝕與防腐 從試驗片可見鋼

15、管樁的外表面有凹凸狀的腐蝕,而內表面幾乎看不到腐蝕.用測微計測定的結果是壁厚的平均減少量為 0.052mm,即腐蝕速度為 0.013mm / yr7/25/202232鋼管樁的腐蝕與防腐 4 美國 NBS ( National Bureau 0f Standards) (國家標準署) 的腐蝕調查 美國 NBS 得到美國鋼鐵協會和陸軍工兵隊的協助,對長年埋設在地下的鋼樁等拔出或挖出來,進行實地腐蝕調查,結果如表所示. 7/25/202233U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm 所 在 地 土 質年數 比 阻 抗 .cmpH 腐水位上蝕狀水位處+_2 f t.況水

16、位下Bonnet CarreSpill way砂.淤泥.粘土1740010506.78.1UMUSparrows Point砂.淤泥.粘76.6P0.9P2.8SQuachita River淤泥質粘土.粘土40137012400 4.97.3_UGrenada Dam有機質粘性土123800154003.64.9MP3.1_Sardis Dam淤泥質砂.粘土2016902.9_P1.57/25/202234U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm 所 在 地 土 質年數 比 阻 抗 .cmpH 腐水位上蝕狀水位處況水位下Chef Ment

17、eur Pass淤泥質砂.粘土323004006.97.8_MP3.7WilmingtonMarineTerminal有機質淤泥.砂.粘土23_P3.8_Lumber River亞砂.淤泥質粘土37110049002.35.9_P1.5P1.5Memphis Floodwall粘土.淤泥質粘土7100086007.67.8UP0.9_Memphis Floodwall粘土.淤泥質粘土7103079006.87.8UU_7/25/202235U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm 所 在 地 土 質年數 比 阻 抗 .cmpH 腐水位上蝕狀水位處況水位下Vickb

18、urg Floodwall亞砂.粘土.炭渣78507007.48.2P1.0P1.2_ Vickburg Floodwall淤泥質砂.粘土.炭渣762592007.18.6MM_SordisDam粘土20300075105.46.0_MSGrenadaDam North粘質砂土.淤泥質土111700165004.04.4P2.7_GrenadaDam South淤泥質砂114300110006.9P4.1_7/25/202236U :幾乎無腐蝕 M:輕全面腐蝕 S:輕局部孔蝕0.6mmP:孔蝕mm 所 在 地 土 質 年數 比 阻 抗 .cmpH 腐水位上蝕狀水位處況水位下Berwick lo

19、ck West粘土1180012908.1SSSBerwick lock East粘土1175016107.98.1_P1.9SAlgiers Lock淤泥質粘土.有機質粘性土1234513007.78.4_P1.0_Enid Dam淤泥質.粘土.砂淤泥128000102005.15.3M_7/25/202237鋼管樁的腐蝕與防腐 從調查可知: 除在Ph值特別低的土中以外,鋼樁的腐蝕出乎預想地少; 特別是在水位以下的腐蝕對鋼材強度沒有影響; 土的性質與腐蝕速度一般沒有什么關系. 可以認為在沒有擾動的土中,腐蝕輕微的原因是缺少氧 7/25/202238鋼管樁的腐蝕與防腐 土的腐蝕性 日本建設省土

20、木研究所和土質工學會從土的比阻抗、復極作用、酸性和pH值、氧化還原電位、細菌腐蝕、溶解成分等對土的腐蝕性進行了研究,得到的結論與前面所講的大致相同.7/25/202239鋼管樁的腐蝕與防腐海水的腐蝕性 海水中鋼管樁腐蝕速度的分布狀況如圖所示7/25/202240鋼管樁的腐蝕與防腐從圖中可見: 在飛沫帶腐蝕速度最大,因為水花和潮汐的作用,使鋼表面經常存在海水薄膜,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.因為涂膜的損傷常常很大,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.7/25/202241鋼管樁的腐蝕與防腐 潮汐漲落帶受海水周期性反

21、復浸潤,腐蝕速度似乎應與飛沫帶一樣大.但實際上比較小.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進了腐蝕.而且海水的上下部相差不大.腐蝕僅次于飛沫帶.7/25/202242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)生的有機物及細菌等會促進鋼管樁 的腐蝕,夏季的腐蝕更嚴重.7/25/202243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.7/25/202244鋼管樁的腐蝕與防腐

22、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.7/25/202245鋼管樁的腐蝕與防腐 在海洋環(huán)境中鋼的腐蝕調查結果如表所示,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.7/25/202246 部 位 試 驗 材測 定 數 量暴露時間 yr 腐蝕速度 mm/yr 海 上 大 腐蝕試驗片 19 0.416 0.128 氣 部 位 平 均 19 0.128 飛 鋼 板 樁 8 640 0.112 鋼 管 樁 1 8 0.25 沫 H 鋼 樁 2 57 0.198 腐蝕試驗片 16 0.415 0.363 帶 平

23、均 27 0.272 潮 鋼 板 樁 35 540 0.044 汐 鋼 管 樁 4 38.5 0.070 漲 H 鋼 樁 2 57 0.055 落 腐蝕試驗片 27 0.416 0.137 帶 平 均 68 0.083海洋環(huán)境中普通鋼的平均腐蝕速度7/25/202247海洋環(huán)境中普通鋼的平均腐蝕速度 部 位 試 驗 材測 定 數 量 暴露時間 yr 腐 蝕 速 度 mm/yr 干 潮 位鋼 板 樁 42 542 0.047平 均 42 0.047 海 鋼 板 樁 59 542 0.039 鋼 管 樁 5 38.5 0.062 水 H 鋼 樁 3 523.6 0.049 腐蝕試驗片 61 0.3

24、16 0.143 中 平 均 128 0.090 海 H 鋼 樁 2 57 0.033 底土 腐蝕試驗片 3 35 0.103 中 平 均 5 0.0757/25/202248鋼管樁的腐蝕與防腐 應考慮的腐蝕量 所要考慮的腐蝕的量是實際壁厚承載力必需的壁厚.設計時采用的腐蝕量應符合下式要求; 腐蝕量(mm) 平均腐蝕速度(mm/y耐用年數(yr) 實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，應采用防腐措施 7/25/202249鋼管樁的腐蝕與防腐 再看一個在日本千葉海灘的試驗,在暴露的鋼管樁第五年,按圖取樣,測定結果如表所示. 從試驗結果可以明顯看出,鋼管樁

25、內表面的腐蝕極小.7/25/202250 位 置鋼管樁 凹凸 平 均(mm) 最 大 海 面 上 D.L+2.4m 外 面 內 面 0.21 0.08 0.51 0.42 海 中 D.L- 4.5m 外 面 內 面 0.40 0.07 1.13 0.33 制 造 時 原 壓 痕 0.07 0.307/25/202251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. 據此開發(fā)了不同系列的低合金鋼. 耐海水性鋼耐腐蝕性實例如下圖

26、所示7/25/202252耐海水性鋼耐腐蝕性試驗7/25/202253耐海水性鋼耐腐蝕性試驗7/25/202254鋼管樁的腐蝕與防腐 耐候性鋼(耐大氣腐蝕 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 焊接結構用耐候性鋼: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.7/25/202255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

27、的涂料,必須防腐性好,在土中不易老化,粘結性好,打樁時涂層不會因磨擦而剝離或損傷.要滿足這些性質,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.7/25/202256鋼管樁的腐蝕與防腐 3 有機材料覆蓋 有機材料主要有樹脂砂漿、聚乙烯、強化塑料等.該法防腐性好,成本低.使用最多的是聚乙烯覆蓋. 4 無機材料覆蓋 無機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加入金屬絲網和鋼筋以及樹脂合成纖維等復合材料硬化體厚度一般為 6 cm.

28、7/25/202257鋼管樁的腐蝕與防腐 5 電防腐法 電防腐法是根據腐蝕的機理,用直流電消除鋼材表面局部電池陰陽極電位差的防腐方法.7/25/202258鋼管樁的腐蝕與防腐 如圖所示,直流電源裝置的 “-”極與水或土中的鋼材連接作為陰極,讓電流從陽極流入.7/25/202259鋼管樁的腐蝕與防腐 由于電流主要流入陰極,使鋼材表面陰極的電位降低,降低到與陽極電位相等,局部電池的電位差消除了,腐蝕 也就消除了. 在海水或土中,鋼鐵的自然狀態(tài)電位約為-600650mV, 防腐電位為-770mV.7/25/202260 電防腐的方式: 1 外部電源方式 2 流電陽極方式 1 外部電源方式 在水中或土中如圖設置電極,將交流電變成直流電,通過配線管