侵蝕性二氧化碳強腐蝕條件下樁基及基礎防腐

摘要：根據《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018要求，侵蝕性二氧化碳環境被定義為強腐蝕環境，在此環境下，規范要求樁基宜選用預制鋼筋混凝土樁、可選用預應力高強混凝土管樁、預應力混凝土管樁，不建議采用鋼筋混凝土灌注樁。但是現實情況中，部分工程項目由于特殊的地質條件原因導致部分土層難以穿透，或打樁位置在既有建、構筑物附近，擠土效應明顯的管樁施工會導致已有建、構筑物產生傾斜變形、墻體裂縫、基礎擾動等一系列問題，不適合采用預制樁。因此，樁基型式的選擇陷入兩難的境地。而且對于強腐蝕的環境，基礎防腐做法也更為嚴格，會極大程度地提高造價、增加施工難度。本文以特定項目為研究背景，從侵蝕性二氧化碳反應機理、規范發展歷程、實踐工程經驗等方面，給出侵蝕性二氧化碳強腐蝕條件下，樁基選型建議和基礎防腐做法。

關鍵詞：侵蝕性二氧化碳環境；強腐蝕環境；鋼筋混凝土灌注樁；預應力混凝土管樁；基礎防腐

1 研究背景

游離狀態下二氧化碳是指溶于水中的二氧化碳，侵蝕性二氧化碳是指超過平衡量并能與碳酸鈣發生反應的游離狀態二氧化碳。當土層環境相對密閉，且土層中存在大量有機質和腐殖質時，有機質及腐殖質分解會產生二氧化碳。另外，當酸雨等受污染的地表水滲入土壤中，并與之發生反應，也會產生二氧化碳。一旦二氧化碳含量超過平衡量，就會在地質勘察時，檢測出侵蝕性二氧化碳腐蝕。近期，多地項目，地勘中均給出侵蝕性二氧化碳中腐蝕，甚至強腐蝕的結果，現以遼寧省撫順市某污水處理廠項目為例，對侵蝕性二氧化碳的影響以及應對措施進行研究。

2工程地質

勘察場區地勢較平坦，勘察鉆孔絕對標高為98.54米～100.82米，高差為2.28米。地貌類型為丘陵坡地。經鉆探勘察場區未發現大的斷裂構造，場區穩定。不存在泥石流等地質災害的地質環境條件，未發生過地面沉降、地面塌陷和地裂縫等地質災害。勘探鉆探結果表明，在勘探深度范圍內，地層自上而下依次為：

①素填土層：由碎石、粘土少量砂土組成，稍濕，松散。回填年限小于十年，為欠固結土。層厚1.30米～3.70米，層底埋深1.50米～4.10米，層底高程95.49米～98.48米，該層分布連續。

②粉質黏土層：灰色、灰褐色，團粒結構，層狀構造，干強度中等，韌性中等，搖振反應無，切面略有光澤，稍濕，軟可塑。層厚0.20米～0.80米，層底埋深1.90米～5.70米，層底高程95.47米～98.28米。該層分布基本連續，局部揭露為薄層。

③粗砂層：黃褐色－灰黑色，混粒，由長石石英質組成，松散，稍濕－飽和，含少量礫砂。層厚0.30米～2.60米，層底埋深2.70米～5.00米，層底高程94.32米～96.55米，該層分布較連續。

④-1圓礫層：黃褐色，松散，飽和，局部下部呈稍密狀態，長石石英質，混粒結構，級配好，分選差，一般粒徑在20mm～40mm之間，最大粒徑50mm，含量為52%，充填中粗砂，層厚0.20米～1.60米，層底埋深3.60米～6.10米，層底高程93.42米～95.93米，該層分布較連續。

⑤-2圓礫層：黃褐色，稍密，飽和，局部下部呈中密狀態，長石石英質，混粒結構，級配好，分選差，一般粒徑在20mm～40mm之間，最大粒徑約60mm，含量為55%，充填中粗砂，層厚0.20米～2.20米，層底埋深4.10米～6.70米，層底高程106.79米～108.57米，該層分布較連續。

⑥砂巖強風化：黃褐色，主要礦物成分為長石、云母，中粗粒結構，塊狀結構，硅質膠結，巖芯風化呈碎塊狀，呈強風化狀態，回轉可鉆進，巖石產狀走向為NE72-75°，傾角32.1°，RQD為30%—40%。層頂埋深為4.10米～6.70米，鉆入該層最大厚度8.40米，未穿透該層。

3地下水情況

勘察區地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，場地地下水的補給來源主要為大氣降水及側向地表徑流，主要排泄方式為側向徑流。主要含水層為粗砂，圓礫層。穩定水位埋深2.00米—3.60米，穩定水位高程96.15米—97.06米。地下水位年漲幅變化約1米—2米。

本項目地下水對于混凝土腐蝕程度為強腐蝕（侵蝕性二氧化碳腐蝕），按照《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018規定，腐蝕性等級為強時，宜選用預制鋼筋混凝土樁、可選用預應力高強混凝土管樁、預應力混凝土管樁，腐蝕性等級為中、弱時，可采用鋼筋混凝土灌注樁。由于本項目為強腐蝕，因此不可采用鋼筋混凝土灌注樁，但由于本項目第四層為圓礫層，當地沒有預制樁的施工經驗，且試樁時發現，高強預應力混凝土管樁無法穿透圓礫層，地勘單位在成樁可能性中也不建議采用高強混凝土預制樁。這就導致本項目只能大面積換填級配砂石或者強夯處理，對于部分區域第一層素填土厚度達到5m且周邊有原有建、構筑物，因此換填和強夯方案均不合適。

按照《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018規定，對于強腐蝕環境，墊層應采用耐腐蝕材料，基礎的表面防護可以采用以下四種方法：（1）環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度大于等于500μm；（2）聚合物水泥砂漿，厚度大于等于10mm；（3）樹脂玻璃鱗片涂層，厚度大于等于300μm；（4）環氧瀝青或聚氨酯瀝青貼玻璃布，厚度大于等于1mm。對于侵蝕性二氧化碳強腐蝕環境下，如果按照《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018做法，勢必會極大地增加工程項目造價。

4侵蝕性二氧化碳強腐蝕條件下的防腐蝕分析

4.1反應機理

混凝土碳化是一個極其復雜的物理化學反應，其影響因素有很多，內部因素有水泥品種及用量、骨料級配、外加劑品種及摻量、水灰比等；外部因素有侵蝕性二氧化碳濃度、相對濕度、養護方法、有無覆蓋層等，特別是水灰比和水泥用量是影響碳化進程的重要因素[5]。二氧化碳溶于水形成碳酸，碳酸與水泥中的氫氧化鈣反應生成碳酸鈣，體積膨脹約10%左右，生成的結晶體會產生膨脹壓力，當膨脹壓力大于混凝土的極限抗拉強度時，混凝土會發生脹裂破[1]，這種碳酸鈣結晶體包裹在樁體表面使得表面比較密實，也起到一定保護作用，但是侵蝕性二氧化碳與表面密實的碳酸鈣繼續反應生成碳酸氫鈣，周而復始，使混凝土深層結構逐步腐蝕。這個過程反應進程較慢，且侵蝕性二氧化碳腐蝕大多出現在水庫大壩等大體積混凝土結構中，對于普通混凝土的基礎、樁基的腐蝕，至今并無工程事故案例[2]。

Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O

CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3-

張令茂[6]研究了混凝土有覆蓋層對于混凝土碳化的影響，研究表明，在混凝土表面有覆蓋層的情況下，二氧化碳氣體先穿過覆蓋層，然后再進入混凝土內部，發生碳化反應，材料孔隙率越低，孔隙細小而曲折，則二氧化碳透過量少，碳化過程速率明顯減慢。混凝土表面如果有覆蓋層，如防腐蝕涂料、防水涂料等，可以在表面形成致密的、透氣性小的薄膜，可以有效地防止碳化現象的發生。

宋少民等[7]研究了大摻量粉煤灰外加劑對于混凝土碳化的影響，研究表明，粉煤灰摻量在40%至50%范圍內，碳化速度較小，試驗采用濃度為20%的碳化箱，測得28天的碳化深度僅為20mm。試驗測定的28天碳化深度，大致相當于自然環境下50年的碳化深度[8]。而實際工程中，基礎、樁基的保護層厚度多采用50mm，所以混凝土終凝之后的碳化影響可以忽略。

4.2侵蝕性二氧化碳強腐蝕條件下樁型選擇

《工業建筑防腐蝕設計規范》GB50046-95，僅規定在侵蝕性二氧化碳含量大于40mg/L時，地下水對混凝土結構有弱腐蝕，并未規定強、中腐蝕的情況，可以理解為不存在強、中腐蝕的情況。但是在新版規范《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018中明確指出，地下水對混凝土結構的腐蝕性應按照《巖土工程勘察規范》確定，在《巖土工程勘察規范》中指出對于侵蝕性二氧化碳含量大于60mg/L時，應被定義為強腐蝕[3]。但是《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018條文說明有指出，腐蝕等級為強時，混凝土灌注樁因混凝土硬化之前過早與腐蝕性介質接觸，所以不宜采用，但采用可靠措施時可以采用[4]，可見規范對于強腐蝕下不宜使用混凝土灌注樁的主要理由是，混凝土硬化過程中，水泥與腐蝕介質反應。但考慮到：（1）侵蝕性二氧化碳與水泥中CaO的不利反應是分為兩步進行，并且速率較慢；（2）硅酸鹽水泥的初凝時間不早于45min，終凝時間不遲于390min，普通硅酸鹽水泥初凝時間不早于45min，終凝時間不遲于600min，在加入早凝劑后初凝時間可以縮短到半個小時左右。可見在水泥初凝前，與侵蝕性二氧化碳發生反應的時間有限，不利作用可以忽略。

4.3侵蝕性二氧化碳強腐蝕條件下基礎防腐做法

《工業建筑防腐蝕設計標準》GB/T50046-2018中規定的強腐蝕做法，主要是針對硫酸根離子、氯離子和PH，并非針對侵蝕性二氧化碳，而且考慮到侵蝕性二氧化碳的反應機理，只需要在混凝土基礎的表面涂刷一定厚度的防護層（即有覆蓋層），起到隔絕侵蝕性二氧化碳的作用即可。建議可以按照中腐蝕或者弱腐蝕進行防腐蝕設計，表層可涂環氧瀝青涂層、聚氨酯涂層或聚合物水泥砂漿抹面。

4.4技術措施

通過反應機理以及規范的發展歷程來看，對于侵蝕性二氧化碳強腐蝕環境的樁基，是可以采用混凝土灌注樁的；對于侵蝕性二氧化碳強腐蝕環境下的混凝土基礎，可以按照中腐蝕或弱腐蝕進行防腐蝕設計。但應額外采用以下技術防護措施：

（1）嚴格控制樁基混凝土材料的基本要求，最低混凝土強度等級為C40，最小凝膠材料用量340kg/立方米，最大水膠比0.4，膠凝材料中最大氯離子質量比0.08%，最大堿含量3.0kg/立方米。

（2）摻入抗滲劑、防水劑，提高水泥的密實性，抗滲等級不低于P10；摻入早強劑、早凝劑，提高水泥硬化速度，減少混凝土硬化之前與侵蝕性二氧化碳的接觸時間；摻入阻銹劑，保證鋼筋不與碳酸發生反應，產生銹蝕。

（3）采用礦渣硅酸鹽水泥，并摻入40%～50%的粉煤灰外加劑，盡量減少水泥中Ca0的用量，從根本上減少水泥與侵蝕性二氧化碳的反應。

（4）樁基混凝土保護層應增加不少于40mm厚的腐蝕余量，對于強腐蝕環境下的樁基，混凝土保護層總厚度宜取90mm。

（5）基礎表面推薦采用如下兩種防腐方法：①聚合物水泥砂漿，厚度≥5mm；②環氧瀝青或聚氨酯瀝青涂層，厚度≥300μm。

（6）基礎墊層可采用100厚聚合物水泥混凝土。

5結論

通過本文的分析可以看出，在侵蝕性二氧化碳強腐蝕的環境下，樁基的選擇是比較靈活的，具體使用何種樁型要綜合考慮，在滿足一定的技術措施且經濟合理時，亦可采用混凝土灌注樁。對于基礎的防腐蝕做法，可以按照中腐蝕或者弱腐蝕進行設計，在混凝土基礎表面增加覆蓋層。

參考文獻

[1]王健.侵蝕性二氧化碳作用下的混凝土耐久性試驗研究[D].鄭州大學，2012.

[2]陳文斌，劉勇.小洋溪水庫大壩碾壓混凝土侵蝕原因分析[J].人民珠江，2009，30（04）：29-31.

[3]GB50021-2001，巖土工程勘察規范[S].

[4]GB/T50046-2018，工業建筑防腐蝕設計標準[S].

[5]崔鵬飛，李興貴.混凝土碳化分析及其耐久性預測研究[J].水利及建筑工程學報，2003，1（4），49-51.

[6]張令茂.表面覆蓋對混凝土碳化的影響[J].混凝土及水泥制品，1989（4）：18-20.3

[7]宋少民，邢峰，李紅輝.中低等級大摻量粉煤灰混凝土性能研究[J].武漢理工大學學報，2007（6）：39-42，68.

[8]朱艷芳，王培銘.大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究[J].建筑材料學報，1999（1）：319-323.