粉煤灰作为回填材料对钢管桩腐蚀影响探讨

冷雪梅[上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海 200032]

随着与国际承包商合作的机会越来越多，由于钢管桩具有承载力大、规格多、选择余地大、桩长易调整、挤土有限且对周边环境影响小、施工速度快、质量有保证、不易腐蚀等特点，近期在上海被应用于多个大型项目。粉煤灰作为回填材料是否会对钢桩产生腐蚀作用，腐蚀是否会降低基桩的承载能力，这些都对我们提出了新的考验。本文将对此进行一些初步的探讨。

1 粉煤灰与土的性能比较

1.1 颗粒组成

粉煤灰的颗粒组成与收尘设备及排放方式有关。电收尘的粒径较细，其颗粒组成基本介于中粉土及粗粉土之间；湿排灰、旋风收尘器灰的颗粒组成则介于粗粉土及细砂之间；渣的平均粒径最粗，颗粒组成介于粗粉土与细砾石之间，分布范围大，经过沉灰池脱水，品质更加恶化。粉煤灰的颗粒基本介于粉土及细砂之间，可用于承重回填材料。

1.2 化学成分

与上海土相比，粉煤灰除氧化硅、氧化钠含量较低，氧化铝较高外，其他的化学组成都较接近，如表 1 表示。

表1 粉煤灰上海土的化学成分 %

1.3 重金属

上海电厂粉煤灰及上海土的重金属元素含量见表 2，与土相比较，指标都比较接近，不会对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

粉煤灰的主要矿物组成为硅铝酸盐玻璃体，伴有少量石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿及微量游离态氧化钙。粉煤灰加水后，微量游离态氧化钙，玻璃体内的钾、钠、氧化物及硫酸盐等成分溶于水，硫酸钙及氢氧化钙的结晶使压实的粉煤灰早期具有一定的力学性能，水化硅酸钙及水化铝酸钙和硫酸钙的形成，又增加了粉煤灰的土工性能，因此粉煤灰的土工性能会随着龄期的增加而发展。

1.4.1 压实性能

前面已提到，粉煤灰的颗粒组成基本上属于粉土的范畴，单期最佳含水量略高于粉土，可能与粉煤灰含有不封闭多孔性颗粒、碳粒及玻璃体有关。电收尘细度大，玻璃珠量高，最佳含水量亦较低；旋风收尘器灰细度较低，多孔体较多，最佳含水量较大；沉灰池湿灰粗细不一，处于过饱和状态，超过最佳含水量，不易用于承重回填。相应地电收尘灰密度最高，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见表 3。

表3 各种回填土的最佳用水量及最大密度

1.4.2 渗透性能

粉煤灰的渗透性与它本身的品质有很大关系。各地各厂所产生的粉煤灰的渗透性变化很大，高品质的粉煤灰渗透系数很小，低品质的则较大。由于土的本身有连续空隙，若出现水位差，水就会通过土体空隙进行流动，与粉煤灰差异不大。上海地区粉煤灰渗透系数介于砂土及沉泥质黏土之间。通过多年的研究发现粉煤灰具有与土壤相近的渗透系数，虽然有差异，但在通过排水材料时与回填土的做法相似，故对工程施工的影响并不大。

1.4.3 抗剪强度系数

土和粉煤灰在压实的条件下均具有硬结性能，而粉煤灰的抗剪强度主要取决于粉煤灰的品质及其密实度。通常电收尘的干排粉煤灰的性能优于沉灰池粉煤灰。

1.4.4 抗压强度

压实粉煤灰具有一定的抗压强度，与土壤相同也是随着龄期而增长，土的抗压强度是随着含水量的增大而减少，故压实的粉煤灰比淤泥质土壤的抗压强度高得多。目前在建筑行业大量使用粉煤灰作为建筑物的承重回填材料置换劣质土。

1.4.5 变形模量

粉煤灰的变形模量经过多次试验，一般在 11.3～31.7 MPa，压缩模量为 5.5～17.8 MPa，压缩系数为 0.01～-0.05；粗砂变形模量为33～46 MPa，中砂变形模量为33～46 MPa；细砂压缩模量为24～37 MPa；粉砂压缩模量为10～1 MPa 4；粉土变形模量为11～23 MPa。

1.4.6 压缩性能

粉煤灰在固结情况方面多与淤泥质黏土相同。当受到垂直压力时，随着孔隙中的水被挤出，多余的孔隙水压力逐渐降低，外加荷载使粉煤灰结构产生体积的变化。

2 钢管桩在粉煤灰中的腐蚀情况

预制高强混凝土薄壁钢管桩（Precast thin-wall steel and spun concrete composite pile） 是采用牌号为 Q 235 B或 Q 345 B 的钢板（钢带）经卷曲成型焊接制成的钢管内浇注混凝土，经离心成型，混凝土抗压强度≥ 80 MPa，具有承受较大竖向荷载和水平荷载的新型基桩制品。由于钢材抗压、抗拉强度高，材质均匀，延性好，加工成钢管后刚性好，抗弯、抗剪能力强，作为优点十分突出的一种桩型，其综合效益也相当明显，可以用于超高层的建筑或一些异型建筑。由于其大量采用 A 3 低碳钢，其本身的抗压、抗拉、抗剪的强度就很高，在沉桩过程中由于产生了土塞现象，大大地提高了它的承载能力，而钢管桩的腐蚀通常是一种复杂的电化学反应，粉煤灰回填覆土后的锈蚀可从碱度、电导率及宏电池等三方面加以讨论。

2.1 碱度

钢在水溶液中锈蚀速度与溶液的碱度有关。pH 值＜4 是锈蚀严重；pH 值在 4～10 范围内具有一定的锈蚀速度，此时，pH值的变化影响不大；pH＞10 时锈蚀生成物不易溶解于水，锈蚀速度降低。根据《腐蚀数据手册》在 100 ℃以内的情况下，氢氧化钠浓度＜30% 时建筑钢铁不产生腐蚀。

粉煤灰与土层的碱度比较见表 4。粉煤灰的 pH 值在回填初期为 10～12，具有较高的抗锈性能；回填后由于自然衰减，pH 值逐步降至 8.3。上海地区土壤可以分成 3 种：沼泽型土壤、草甸型土壤及滨海盐土，相应的 pH 值为 6.57、7～8、 8～8.5，分别为中性土壤、碱性土壤及强碱性土壤。粉煤灰平衡后的碱度接近或略高于一般土壤，因此，与一般土壤相比，干排粉煤灰对预埋铁件的锈蚀速度与土壤相同。

表4 粉煤灰与土层的碱度比较

2.2 电导率

影响钢铁腐蚀的另一个重要参数是电导率。粉煤灰回填土堆钢铁的锈蚀速度与其电导率的关系没有直接的数据，但土壤电导率与铁件的锈蚀关系有报道，见表 5。

表5 土壤电导率与铁件的锈蚀关系

表6 是粉煤灰及土壤的电导率，它为干、湿粉煤灰及土壤的 1∶1 水溶液电导率的试验结果。湿粉煤灰的电导率由于经过水池存放，其离子浓度低于干粉，已与一般土质接近，按表 4 的分析均属“锈蚀”，没有明显差别。如果把 pH 值与电位一起考虑其相关性见图 1。pH值在 8～14 范围，对钢筋来说就处于钝化区。

表6 粉煤灰及土壤的电导率

图1 电位与 pH 值关系

2.3 电池锈蚀

宏观电池锈蚀是指同一钢铁部件与不相同的电介质溶液相接触，由于电介质溶液的溶度不同会形成电池锈蚀。在建筑工程中，工程桩一般均在一个单一的介质中，不会产生电池锈蚀现象。

2.4 钢管桩在土壤中的腐蚀情况

由于钢管桩埋在基础下，与外界隔绝，其内壁处于密闭状态，可不考虑其腐蚀；其外侧与地下水接触稍有腐蚀，可以采用涂防腐层，增加余量以及阴极保护。根据国外资料，钢管的腐蚀速度 70 a 为 0.075～0.9 mm。国内规定的年腐蚀率见表 7。

表7 钢管腐蚀速率

国内的规定比国外要严，设计时可根据建筑物的重要性类别，既考虑涂防腐层又适当增加钢管的厚度。

3 结 语

综上所述，通过分别对粉煤灰及钢管柱的分析探讨，粉煤灰回填材料的土工性质与粉土相当，长期强度还略有增长，化学成分和重金属元素和土壤无差别，使用粉煤灰对地下水无污染，湿排粉煤灰渣碱性比土壤略高，钢铁锈蚀处于钝化区，所以粉煤灰作为回填材料用于钢管桩，几乎可以等同于土壤，不需要另外采取特殊的处理。这为湿排粉煤灰渣提供了一条新的利用途径。