PHC桩的使用环境分析和耐腐蚀性研究
（1.苏州科技学院土本工程学院，江苏苏州215011:2.广东宏基管桩有聚公司，广东中山528427；3.河海大学力学与材料季院，江苏南京210098）
姜正平”，宋旭艳”，何耀辉²，许国林”，顾亚敏”，李君兰2
[摘要】分析了PHC桩的使用环境，主要研究了PHC核耐硫酸盐的侵蚀和钢锈蚀问题以及PHC桩实际应用方式在模报强腐蚀环境下不同保护层的钢和噪头板（外露钢）的腐蚀情况.研究发现：因为压蒸工艺和磨细石英 砂的掺入，大幅度减少了易遭受碱酸盐侵蚀的必要组分，面使养护良好的PHC被混极土具有良好的耐硫酸盐侵蚀性能：在模拟强腐蚀环境下25mm和45.5mm保护层对钢保护作用差别不大.25mm的C80混摄土保护层已经足够保护非腐蚀（I-B类）环境下使用的PHC桩中的钢器；接桩处的端头板（即使涂西青密封）是钢筋绣蚀的主要入口，是影响PHC椎在强腐蚀环境下使用的主要障碍.
[关键词】混凝土：硫酸盐侵蚀：钢筋锈蚀：掺和料：压蒸养护
[中图分类号】TU473.1[文嗽标识码〕A[文章编号]1002-8498（2011）13-0038-05
Study on Application Environment and Corrosion Resistance of PHC Pipe Pile
Jiang Zhengping' Song Xuyan' He Yaohui² Xu Guolin² Gu Yamin’ Li Junlan?(1. Sehol ef Canl Enginring Suzhou Unisity ef Sciee nd Technology Suhou Jingsu215011 Chin3. College of Mehonics and Materials Hohai Unsieniy Nanyjing Jiongu 210098 China) 2. Guangdong Hongi Group Co. Lud. Zhongshan Guangdong 528427 China;
Abstract;The authors analyze application environment of PHC pipe pile make research on erosion ofof different protective layers in the simulated environment of strong corrosion in practice. The results show sulfate-resistant and steel corrosion of PHC pipe pile and corrosion of steel and end plate (exposed steel)that because of autolave technology and finely ground quartz sand adding necesary ponents whichpol aq uo aauo ad add H pauno-an oe *paopu aaeq osa a sags ksea uoresistance to sulfate attack. In the simulated environment of strong corrosion protective layers of 25mmand 45. 5mm may have little different funetion on steel. Moreover protective layer of 25mm with concrete of C80 can be suffieient for protection for steel in PHC pipe pile in the non-corrosive environment ( typeI-B). End plate joined in pipe pile ( even if coated with asphalt and sealed ) is the main entrance forsleel corrosion which may be the major obstacle that PHC pipe pile can be used in highly corrosiveenvironment.
Key words:concrete; sulfate attack; steel corrosion; admixture; autoclave curing
结构还未出现大规模的耐久性问题，但钢筋腐蚀引起的结构破坏已日益严重.预应力高强混凝土管桩 （简称PHC桩）目前使用的广泛性和应用领域不断扩展，对其桩耐腐蚀性的研究愈加重要和追切.
我国大规模混凝土建设晚于发达国家，混凝土结构（桩基），如图1所示.在南方地区PHC桩的便用环境绝大多数属于《混凝土结构耐久性设计规范)GB/T50746-2008中定义的I-B类环境作用等 级（长期与水或湿润土体接触的水中或土中构件），混凝土保护层厚度应该为30mm（现浇），考虑到与现浇混凝土相比，工厂化预制的C80混凝土的质量控制水平高，所以PHC管桩的保护层厚度可以更小些（25mm）.
1PHC桩的使用环境和中国的植桩方式
1.1PHC桩的使用环境
PHC桩主要用于一般工业和民用建筑的下部
I-B类环境作用等级是PHC桩使用环境的常态.海洋氯化物环境（Ⅲ类）、化学腐蚀环境（V类）是PHC桩使用环境的特例.PHC桩能否在海洋氯化物环境（Ⅲ类）、化学腐蚀环境（V类）中使用，必
图1PHC管桩的使用方式Fig.1 Application mode of PHC pipe pile
须通过试验来证实.特别要研究PHC桩接桩处的端头板在Ⅲ类、V类环境中的耐腐蚀性能，必须对图2中所示的潮差区、浪藏区、空气区的锅筋锈蚀问题 和硫酸盐的侵蚀问题进行研究".笔者认为可以通过阳极通电诱导腐蚀的快速试验、干湿交（浸泡→晾置一烘干为循环）、阳极通电诱导腐蚀后潮湿环境中静置且继续通电，配置5倍海水浓度的溶液作为漫泡液等强化措施来模拟强腐蚀环境下的PHC桩腐蚀问题.
图2钢临混凝土结构不同部位受不同的侵性情况Fig. 2 Erosien of different parts in reiaforced concrete structures
1.2植桩方式与保护层的有效性关系
未经任何试验论证，仅仅参考日本标准，《先张
法预应力混凝土管桩》GB13476-2009将保护层厚 度提高到40mm，直接导致了同规格PHC桩的有效受载面积减少，轴向抗压和整体抗弯能力降低，但并不能提高耐久性.主要原因之一是桩基施工完成后.40mm保护层的密实性和有效性存在问题.
日本PHC桩的施工方式类似于绿化种树的”冲孔植桩法”，工过程中PHC桩基本不受力.施工完成后PHC桩的保护层基本不受损伤，保护层的密实性和有效性完好.面且日本PHC桩的使用环境多类），因此日本标准用一定的力学性能代价换取耐 数属于海洋氯化物环境（Ⅲ类）、化学腐蚀环境（V久性的提高（配套合理的施工方法）是科学的.
中国的植桩方式主要采用锤击法或静压法，每根桩都须承受数百次（甚至数千次）锤击或数百吨静压力的作用后，才能植桩到位.在锤击或静压过 程中，无钢筋约束的混发土保护层将产生大量的微裂缝，这些微裂缝虽然没有导致保护层剥落，但却成为了腐蚀介质的通道，保护层作用丧失，面且柱状钢筋混凝土结构的保护层愈厚，在轴向荷载作用下保 护层开裂的程度愈大.因此，对于接桩的端头钢板裸露在环境中的锤击式（含静压锤）PHC桩，将保护层厚度提高到40mm，不仅没有防锈蚀作用，而且浪费资源.
2PHC桩的钢施锈蚀研究
2.1研究方案设计
2.1.1对比试验研究需要考虑的因素
本试验研究模拟海水腐蚀的情况设计海水快速腐蚀试验，加强海水中主要的腐蚀化学物质氯化钠、 氯化钾、硫酸铁、硫酸钾的浓度，设定配置5倍海水浓度溶液，混摄土中钢在此种环境中形成电化学腐蚀，腐蚀试验过程中通直流电加快腐蚀，同时模拟潮汐影响设计干湿交替试验加强腐蚀.
2.1.2混凝土配合比的确定
混凝土强度等级按C80-C90设计，具体试验配合比如表1所示.
2.1.3生产养护工艺
1）常规管桩生产养护工艺即压蒸养护：静停3h
Table 1Mixing proportion of concrete
表1湿凝土的试验配合比
大石 小石 掺和料试验组号 水泥 （枪15- 25mm) （粒径5- 15mm) 减水剂 水 脂组矿粉 一级粉煤灰 磨细砂450 306 789 438 438 s9 675 9.9 128 128 "2 3 306 789 789 438 675 9.9 9.9 121 144 - - - 144 -4 5 360 235 789 789 438 438 59 675 9.9 9.9 123 122 136 " 90 87 "
一升温、恒温5h，控制温度为85~95℃，拆模后置于 压蒸釜中进行高压蒸养，升温1h→恒温4h（1.0MPa即180℃左右）→降温2.5h.
2）二次低压蒸汽养护：静停3h→升温、恒温5h控制温度65℃内，拆模后常压蒸养8h（100℃内）.
图4试块的非完全浸泡方式Fig.4Imperfect soaked solutions of specimen
3）低压蒸汽养护后泡水（14d）养护.
4）标准养护（只做纯水泥和双掺）.
2.2腐蚀试验观察
2.1.4钢筋在混凝土中的不同位置
试块下端的钢筋锈蚀最严重，腐蚀15d后即有部分试块下端浸在腐蚀液的全部锈蚀，并继续向内 部钢筋锈蚀，形成凹洞：外露的下编涂有颌青的钢筋锈蚀也较严重，黑色的沥青涂层与钢筋的黏结理论上可以延缓腐蚀物质渗人钢筋表面，试验中观察的实际情况为涂层的局部整体刹落，钢筋发生锈蚀.
采用2种钢筋布位法，主要研究预制混凝土构件25mm及以上厚度保护层对防腐蚀的必要性.
1）在100mmx100mmx100mm试块的中心位置即保护层厚度为45.5mm.
2）在100mmx100mm×100mm试块的角端位置，使钢有2个方向的保护层，厚度为25mm.
其性能指标为抗拉强度1490MPa，屈服强度 钢筋为阴螺纹高强预应力钢筋（即PC钢棒），1305MPa，延伸率6.5%.钢筋长130mm，直径9mm，上端外露钢筋长20mm，下端外露钢筋长为10mm，如图3所示.
钢筋涂沥青密封的混凝土试块，钢筋锈蚀发展立，延缓腐蚀物质的涉人使腐蚀时间延长，但是本试 动态过程如图5所示，密封层的保护作用理论上成验过程中该方法并未取得理论的防腐蚀效果.
如图5a所示，下端钢筋涂汤青密封，沥青上面颗粒为砂子.涂沥青的端部钢已锈蚀，钢筋横截 面显著减小，沥青涂层已失去原有形态，变成不定型黏态.图5c中下端的钢筋已全部锈蚀，并且形成腐蚀凹润向混凝土内部钢筋扩展，沥青涂层已经不复存在，依稀可辨沥青涂层残留的黑色印记.通过试验观察充分说明涂沥青密封层处理的方法达不到提高防腐蚀效果.
图3澳凝土配施Fig.3Concrete reinforcement
2.3腐蚀后钢筋分析
腐蚀试验结束后的试块压碎后取出钢筋，根据腐蚀结束后钢筋的锈蚀程度，分析配合比、养护工艺、保护层厚度对钢筋锈蚀的影响.
2.1.5不同腐蚀环境
不完全浸泡方式在5倍海水浓度溶液中浸泡且每试 1)阳极通电诱导腐蚀的快速试验试块采取块通10mA直流电（见图4）.
锈蚀，位于混凝土内部的钢筋锈蚀部位为某些锈蚀 经观察可以发现：试件下端外露钢筋全部斑点，面非钢筋表面均匀性锈蚀，排除了腐蚀物质从钢筋侧面渗人的可能，说明腐蚀物质的渗人途径为钢筋端部→混凝土黏结面.其原因为：试块成型过
2）干湿交替浸泡后晾置再烘干，循环往复.
3）阳极通电诱导腐蚀的20d后取出，放置在湿度（盐溶液湿度）80%~95%的环境中并继续通电：
图5涂沥青的试块铜临锈蚀发展过程Fig.5 Development of steel bars corrosion of specimen coated with nsphalt
万方数据
发后留下许多孔隙形成钢筋-混凝土黏结的薄蜗区， 程中，由于泌水，富余水积聚在锅筋下方，水化及蒸腐蚀物质容易从钢筋端部渗人到此薄弱区，产生腐蚀.强化腐蚀试验中，腐蚀性物质全部是由钢筋端部与混凝土接触部位沿着钢筋表面向混凝土中心扩散.如果能够消除钢筋端部腐蚀物质的渗人途径， PHC桩在海洋氯化物环境（Ⅲ类）、化学腐蚀环境（V类）中仍具有一定的抗腐蚀能力.
压蒸养护工艺试件内部的钢筋锈蚀程度大于非压蒸养护工艺试件，主要原因是压蒸养护工艺 大幅度减少了水泥水化产物中的Ca（OH）：含量.降低了pH值.能够增加水泥水化产物碱度的外掺物，均可减轻钢筋锈蚀程度：面像粉煤灰这样能够降低水泥水化产物碱度的外掺物，则会增加钢筋锈蚀程度.
2.4干湿交替条件（不通电）下钢筋质量损失对比
不同配合比、养护工艺、保护层厚度在第2种腐蚀环境（干湿交替，浸泡后晾置再烘干，循环往复28编号的3位数的含义：①第1位数表示混凝土配合 次）下对钢籍锈蚀的影响如表2所示.表2中，试件比：1表示常规管桩混摄土配合比（加磨细砂）；2表示常规管桩混凝土配合比（纯水混）：3表示掺矿粉：4表示掺一级粉煤灰；5表示掺矿粉和一级粉煤灰.②第2位数表示生产养护工艺：1为常规管桩生产 养护工艺：2为二次低压蒸汽养护：3为低压蒸汽养护后泡水养护；4为标准养护（只做纯水泥和双掺）：5为标准养护后人堆场再喷水养护.③第3位数表示不同的腐蚀试验环境.④第4位数表示同组试件 中的试件序号，x为随机取的试块，无x标注则为同组试块测定结果的平均值；第5位数表示试块底部钢筋密封情况，1为不密封，2为用沥青密封.试验结果表明：45.5mm保护层钢筋损失质量与25mm保护层的钢筋横失质量几乎无差别.
3PHC桩的耐硫酸盐侵蚀问题研究
3.1硫酸盐侵蚀机理
混凝土受硫酸盐的侵蚀属于化学腐蚀，所产生性产物：钙砚石（3CaOAl0，3CaS0，32H0）. 的破坏主要是膨账破坏.破坏原因是生成两种膨胀和石膏（CaSO.2HO）.它们是典型的硫酸盐侵蚀产物.在水位变化区域，石膏在水泥石中的毛细孔内沉积、结晶，引起体积膨胀，使水泥石开裂，最后材凝土所生成的石膏会与单硫型水化硫铝酸钙和水化 料转变成糊状物或无黏结力的物质.处于水下的混铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，含有大量的结晶水，其体积比原来增加1.5倍以上，因此产生局部膨胀压力，使水泥石结构胀裂，这种高硫型水化
Table 2 Steel corrosion content under drying-wetting 表2干湿交替环后（5倍海水浓度）的铜锈蚀量cycles (five times concentration of seawater )
试件编号保护层钢籍的钢损失的钢能损失 45.5mm 25mm保护层离、厚保护层 差别/损失质量/s 质量/s 质量始/6 %112-x-1 112-x-2 0.74 L11 1.16 0. 76 0.05 0.02 4.3 2.6212 312 0.56 0.63 0.63 0. 61 0.00 0.05 8.2 0.0412 0.76 0.78 0.02 26232 0.56 0.57 0.51 0.52 -0. 05 0. 05 -9.8 -9.6432 532 0.54 0.61 0.58 0.59 0.02 0.04 -3.4 6.9242 0.67 0.58 0. 09 -15. 5342 442 0.61 0.81 0. 67 0.87 0.05 0. 06 7.5 6.9252-x-2 252-s-1 0.52 0.46 0.56 0.41 0.05 0.04 -12.2 7.1552 0.66 0.68 0.02 2.9累计值 9.81 9.90 0. 09 0.9
硫酸铝钙多呈针状品体，对水泥石破坏十分严重，为此也将其成为”水泥杆菌”.
浸泡在海水中的混凝土，由于其内部毛细管作用，海水在混凝土内上升，并不断蒸发，于是盐类在混凝土中不断结晶和聚集，使混凝土开裂.干湿交凝土破坏特别严重，而完全浸在海水中的混凝土，特 替加速了这种破坏作用，因此在高低潮位之间的混别是在没有水压差的情况下，侵蚀却很小.另外，随着侵蚀时间的延长，侵蚀生成物不断增多，应力增大，当孔隙体积已无法容纳侵蚀生成物或拉应力大于材料的拉伸强度时，内部便产生影胀性裂缝；而裂 缝又使外部硫酸根离子更容易渗人混凝土内部，这些过程交替进行，相互促进，形成一个恶性循环.造成混凝土在硫酸盐侵蚀下，其体积随着侵蚀时间的延长不断膨胀最终导致破坏.
3.2避免或减轻硫酸盐侵蚀的主要方法
可行途径主要有2个方面：①尽可能减少水泥（混凝土）水化产物中Ca（OH），和水化铝酸钙的含量，提高C-S-H凝胶的含量，最好将其转化为更加稳定的托勃莫来石.②提高水泥混凝土的密实度，减 少硫酸盐的侵蚀通道.
常规普通混凝土主要是通过下列2类方法并用，达到避免或减轻硫酸盐侵蚀的目的：①掺加矿物掺和料（主要是矿粉、硅灰、一级粉煤灰）一减少水 泥（混凝土）水化产物中Ca（OH），和水化铝酸钙的含量：②掺加高效减水剂，提高混凝土的密实度.
3.3压蒸C80管桩混凝土耐硫酸盐侵蚀的研究
压蒸C80管桩混摄土耐硫酸盐侵蚀的研究结
4结语
（上接第14页）
4结语
果如表3所示.由于压蒸C80管桩混凝土配合比 中.已经掺加了大量的磨细石英砂（SiO），通过1MPa，180℃以上的高温高压养护，水泥（混凝土）水化产物中Ca（OH）：和水化铝酸钙的含量大幅度已经转化为更加稳定的托勃莫来石，因此压蒸C80 降低，C-S-H凝胶的含量大幅度提高，其中相当数量管桩混凝土的耐硫酸盐侵蚀良好.
表3压系C80管桩混凝土的耐硫酸盐侵蚀结果
Table 3The results of sulfate attack resistance
of C80 autoclave pipe pile concrete券护方式 抗蚀系数k抗蚀系数K常规自然养护至28d 0.98 0.99压蒸一高压离汽靠护一白然养护28d 低压高汽养护一自然养护至28d 1.00 0.90 0.95 1.13
注：抗迪系数&，=M （43）/M，抗蚀系数K=M（42）/M、M为 水中授施50d的平均抗压强度，M，（43）为在10%硫酸销落能中授施43d后的抗压强度，M（42）为干星（破酸销溶液）循环42次的平均抗压强度，x，K，越大表明耐碱酸性 性城好
具有良好的耐硫酸盐侵蚀性能. 1）养护良好的、掺磨细石英砂的PHC桩混凝土
2）C80混凝土25mm的保护层已经足够保护非腐蚀（I-B类）环境下PHC桩中的内部钢筋.
3）接桩处的端头板（即使涂洒青密封）是钢籍用的主要障碍；如果不能解决接桩处端头板的防锈 锈蚀的主要人口，是影响PHC桩在强腐蚀环境下使蚀问题和植桩方式，将保护层厚度提高到40mm不仅没有防锈蚀作用，而且浪费社会资源.
4）耐腐蚀性能较好的管桩混凝土为掺磨细矿渣粉低压后泡水养护、双掺标准养护、双掺二次低压 养护、掺优质粉煤灰二次低压养护.采用高压蒸养
项目能够如期完成，AIC墙板造价（包括材料和安装）是普通预制混凝土板的一半，此项就节省约400万新币（约2000万人民币）.
ALC板是一种轻质多孔新型的绿色环保建筑材料，其密度较一般水泥质材料小，且具有良好的耐火、防火、隔声、隔热、保温等性能.根据新加坡的相关规范和规定作了一系列的试验：主要包括防火试STC55、STC45在中国完成）.这些试验结合提交的 验、防水试验、隔声试验（STC65在新加坡完成，
参考文献：
参考文联：
的管桩，不宜直接用于有防锈蚀要求的环境中.
5）涂沥青防护管桩端头钢筋锈蚀的方法作用非常有限.按此方法处理的管桩接头处仍然是腐蚀薄弱环节，若处在有氧区（即潮汐区）钢很快腐蚀，使用寿命很有限.为确保管被达到使用年限，管 桩接头处应处于无氧条件下，或采用更为有效的防护措施.
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