粉煤灰作為回填材料對鋼管樁腐蝕影響探討

冷雪梅[上海市建筑科學研究院（集團）有限公司，上海 200032]

隨著與國際承包商合作的機會越來越多，由于鋼管樁具有承載力大、規格多、選擇余地大、樁長易調整、擠土有限且對周邊環境影響小、施工速度快、質量有保證、不易腐蝕等特點，近期在上海被應用于多個大型項目。粉煤灰作為回填材料是否會對鋼樁產生腐蝕作用，腐蝕是否會降低基樁的承載能力，這些都對我們提出了新的考驗。本文將對此進行一些初步的探討。

1 粉煤灰與土的性能比較

1.1 顆粒組成

粉煤灰的顆粒組成與收塵設備及排放方式有關。電收塵的粒徑較細，其顆粒組成基本介于中粉土及粗粉土之間；濕排灰、旋風收塵器灰的顆粒組成則介于粗粉土及細砂之間；渣的平均粒徑最粗，顆粒組成介于粗粉土與細礫石之間，分布范圍大，經過沉灰池脫水，品質更加惡化。粉煤灰的顆粒基本介于粉土及細砂之間，可用于承重回填材料。

1.2 化學成分

與上海土相比，粉煤灰除氧化硅、氧化鈉含量較低，氧化鋁較高外，其他的化學組成都較接近，如表 1 表示。

表1 粉煤灰上海土的化學成分 %

1.3 重金屬

上海電廠粉煤灰及上海土的重金屬元素含量見表 2，與土相比較，指標都比較接近，不會對土壤和地下水造成污染。

表2 粉煤灰上海土的微量元素含量 %

1.4 土工性能

粉煤灰的主要礦物組成為硅鋁酸鹽玻璃體，伴有少量石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦及微量游離態氧化鈣。粉煤灰加水后，微量游離態氧化鈣，玻璃體內的鉀、鈉、氧化物及硫酸鹽等成分溶于水，硫酸鈣及氫氧化鈣的結晶使壓實的粉煤灰早期具有一定的力學性能，水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣和硫酸鈣的形成，又增加了粉煤灰的土工性能，因此粉煤灰的土工性能會隨著齡期的增加而發展。

1.4.1 壓實性能

前面已提到，粉煤灰的顆粒組成基本上屬于粉土的范疇，單期最佳含水量略高于粉土，可能與粉煤灰含有不封閉多孔性顆粒、碳粒及玻璃體有關。電收塵細度大，玻璃珠量高，最佳含水量亦較低；旋風收塵器灰細度較低，多孔體較多，最佳含水量較大；沉灰池濕灰粗細不一，處于過飽和狀態，超過最佳含水量，不易用于承重回填。相應地電收塵灰密度最高，沉灰池灰密度最低。常用回填材料的最佳含水量及最大密度見表 3。

表3 各種回填土的最佳用水量及最大密度

1.4.2 滲透性能

粉煤灰的滲透性與它本身的品質有很大關系。各地各廠所產生的粉煤灰的滲透性變化很大，高品質的粉煤灰滲透系數很小，低品質的則較大。由于土的本身有連續空隙，若出現水位差，水就會通過土體空隙進行流動，與粉煤灰差異不大。上海地區粉煤灰滲透系數介于砂土及沉泥質黏土之間。通過多年的研究發現粉煤灰具有與土壤相近的滲透系數，雖然有差異，但在通過排水材料時與回填土的做法相似，故對工程施工的影響并不大。

1.4.3 抗剪強度系數

土和粉煤灰在壓實的條件下均具有硬結性能，而粉煤灰的抗剪強度主要取決于粉煤灰的品質及其密實度。通常電收塵的干排粉煤灰的性能優于沉灰池粉煤灰。

1.4.4 抗壓強度

壓實粉煤灰具有一定的抗壓強度，與土壤相同也是隨著齡期而增長，土的抗壓強度是隨著含水量的增大而減少，故壓實的粉煤灰比淤泥質土壤的抗壓強度高得多。目前在建筑行業大量使用粉煤灰作為建筑物的承重回填材料置換劣質土。

1.4.5 變形模量

粉煤灰的變形模量經過多次試驗，一般在 11.3～31.7 MPa，壓縮模量為 5.5～17.8 MPa，壓縮系數為 0.01～-0.05；粗砂變形模量為33～46 MPa，中砂變形模量為33～46 MPa；細砂壓縮模量為24～37 MPa；粉砂壓縮模量為10～1 MPa 4；粉土變形模量為11～23 MPa。

1.4.6 壓縮性能

粉煤灰在固結情況方面多與淤泥質黏土相同。當受到垂直壓力時，隨著孔隙中的水被擠出，多余的孔隙水壓力逐漸降低，外加荷載使粉煤灰結構產生體積的變化。

2 鋼管樁在粉煤灰中的腐蝕情況

預制高強混凝土薄壁鋼管樁（Precast thin-wall steel and spun concrete composite pile） 是采用牌號為 Q 235 B或 Q 345 B 的鋼板（鋼帶）經卷曲成型焊接制成的鋼管內澆注混凝土，經離心成型，混凝土抗壓強度≥ 80 MPa，具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。由于鋼材抗壓、抗拉強度高，材質均勻，延性好，加工成鋼管后剛性好，抗彎、抗剪能力強，作為優點十分突出的一種樁型，其綜合效益也相當明顯，可以用于超高層的建筑或一些異型建筑。由于其大量采用 A 3 低碳鋼，其本身的抗壓、抗拉、抗剪的強度就很高，在沉樁過程中由于產生了土塞現象，大大地提高了它的承載能力，而鋼管樁的腐蝕通常是一種復雜的電化學反應，粉煤灰回填覆土后的銹蝕可從堿度、電導率及宏電池等三方面加以討論。

2.1 堿度

鋼在水溶液中銹蝕速度與溶液的堿度有關。pH 值＜4 是銹蝕嚴重；pH 值在 4～10 范圍內具有一定的銹蝕速度，此時，pH值的變化影響不大；pH＞10 時銹蝕生成物不易溶解于水，銹蝕速度降低。根據《腐蝕數據手冊》在 100 ℃以內的情況下，氫氧化鈉濃度＜30% 時建筑鋼鐵不產生腐蝕。

粉煤灰與土層的堿度比較見表 4。粉煤灰的 pH 值在回填初期為 10～12，具有較高的抗銹性能；回填后由于自然衰減，pH 值逐步降至 8.3。上海地區土壤可以分成 3 種：沼澤型土壤、草甸型土壤及濱海鹽土，相應的 pH 值為 6.57、7～8、 8～8.5，分別為中性土壤、堿性土壤及強堿性土壤。粉煤灰平衡后的堿度接近或略高于一般土壤，因此，與一般土壤相比，干排粉煤灰對預埋鐵件的銹蝕速度與土壤相同。

表4 粉煤灰與土層的堿度比較

2.2 電導率

影響鋼鐵腐蝕的另一個重要參數是電導率。粉煤灰回填土堆鋼鐵的銹蝕速度與其電導率的關系沒有直接的數據，但土壤電導率與鐵件的銹蝕關系有報道，見表 5。

表5 土壤電導率與鐵件的銹蝕關系

表6 是粉煤灰及土壤的電導率，它為干、濕粉煤灰及土壤的 1∶1 水溶液電導率的試驗結果。濕粉煤灰的電導率由于經過水池存放，其離子濃度低于干粉，已與一般土質接近，按表 4 的分析均屬“銹蝕”，沒有明顯差別。如果把 pH 值與電位一起考慮其相關性見圖 1。pH值在 8～14 范圍，對鋼筋來說就處于鈍化區。

表6 粉煤灰及土壤的電導率

圖1 電位與 pH 值關系

2.3 電池銹蝕

宏觀電池銹蝕是指同一鋼鐵部件與不相同的電介質溶液相接觸，由于電介質溶液的溶度不同會形成電池銹蝕。在建筑工程中，工程樁一般均在一個單一的介質中，不會產生電池銹蝕現象。

2.4 鋼管樁在土壤中的腐蝕情況

由于鋼管樁埋在基礎下，與外界隔絕，其內壁處于密閉狀態，可不考慮其腐蝕；其外側與地下水接觸稍有腐蝕，可以采用涂防腐層，增加余量以及陰極保護。根據國外資料，鋼管的腐蝕速度 70 a 為 0.075～0.9 mm。國內規定的年腐蝕率見表 7。

表7 鋼管腐蝕速率

國內的規定比國外要嚴，設計時可根據建筑物的重要性類別，既考慮涂防腐層又適當增加鋼管的厚度。

3 結 語

綜上所述，通過分別對粉煤灰及鋼管柱的分析探討，粉煤灰回填材料的土工性質與粉土相當，長期強度還略有增長，化學成分和重金屬元素和土壤無差別，使用粉煤灰對地下水無污染，濕排粉煤灰渣堿性比土壤略高，鋼鐵銹蝕處于鈍化區，所以粉煤灰作為回填材料用于鋼管樁，幾乎可以等同于土壤，不需要另外采取特殊的處理。這為濕排粉煤灰渣提供了一條新的利用途徑。