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钢板桩耐久性腐蚀性解析!

382 2021-05-07 13:56:25

钢板桩广泛应用于永久性的挡土结构和基础工程中,大多数情况下不需要采取保护措施。钢板桩的腐蚀程度以及是否需要采取保护措施取决于施工场地的环境。

一般情况下,海洋环境是最易腐蚀目变化最大的,钢板桩从下至上经过了泥下区、水下区、水位变动区、浪溅区以及大气区。多数环境下钢板桩的腐蚀特性是确定的,但是在某些情况下,也可能发生局部腐蚀,因此需要详细的现场勘察和数据分析。

本章概述了各种环境下钢板桩的抗腐蚀性能和有效寿命,列举了侵蚀环境中提高钢板桩寿命的措施。

9.2 钢板桩的腐蚀

在确定钢板桩的有效寿命、截面类型以及采取何种保护措施时,必须考虑不同环境中裸钢的腐蚀性能。本章列出的腐蚀数据,是指钢板桩暴露于环境中的那一面的损失。实际应用中,钢板桩的两面可能会接触到不同的环境,例如,港口挡土墙的一侧可能是海水,而另一侧则可能是土。

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这些情况在 9.3 中均有反映,腐蚀损失的表格摘自 EN 1993-5。 9.2.1.地下腐蚀

人们对钢板桩的地下腐蚀进行了广泛的研究。国外经验表明,在不考虑土的类型和特性的前提下,打入原状土的钢板桩的地下腐蚀是可以忽略不计的;原状土中含有的少量氧气可以使钢板桩产生轻微的腐蚀。资料表明,地下水区域经常发生点状腐蚀,但是到目前为止,除了在挪威的海底沉积物中发现了大量的损斑之外,还没有地方因为点状腐蚀影响钢板桩的结构整体性。

通过研究从英国各地拔出的钢板桩,包括运河、河堤、海港、海滩、含有酸性液体(pH2.8)的化学淤浆湖,发现地下腐蚀同样可以忽略不计。

在目本进行的一个钢板桩试验也表明了这一点,该试验在 10 处具有腐蚀性的天然土中打入钢板桩,十年后,最大腐蚀率为每年每边 0.015mm。

还有一种地下腐蚀是由硫酸盐还原细菌产生的微生物腐蚀,这是富铁硫化物的腐蚀产物。虽然这种腐蚀已经在地下管道等埋地钢结构中出现过,但是还没有文献或经验表明,这种腐蚀的后果会很严重。

总体来说,自然状态下,原状土中钢板桩的腐蚀是非常轻微的,为了计算要求,可以采用每年每边0.012mm 的最大腐蚀速率。特殊情况下,新近填土或工业废土的腐蚀率可能较高,此时应考虑采取保护措施。

9.2.2 大气腐蚀

在内陆地区,用于基础工程的钢板桩也可以作为地上支撑柱或挡土墙。这种情况下,裸钢在大气中的腐蚀率主要取决于场地环境。根据腐蚀率从低到高,内陆地区大致可划分为农村、城市或工业区。同样的,在沿海地区,钢板桩也可能会受到大气腐蚀。EN1993-5 规定,钢材在大气中的平均腐蚀率约为每年每边 0.01mm,靠近海水的部位或污染比较严重的区域,腐蚀率可能更高。

9.2.3 淡水腐蚀

淡水包含溶解盐、气体或污染物,这些物质对钢铁可能有益也可能有害。"淡水"这个词是用来区分海水和河口的半咸淡水的。

钢材在淡水中的腐蚀率取决于淡水水质,pH 值为 4~9 的淡水腐蚀性不强,这涵盖了大部分的自然水域。一般来说,淡水的腐蚀率均低于海水,淡水中钢板桩的使用寿命也更长。淡水的水质一直在变化,这种变化在 EN1993-5 中有关钢板桩腐蚀率的条款中有所反映。

9.2.4 海洋腐蚀

海洋环境通常包含几个腐蚀率不同的区域,海洋结构在这些区域的腐蚀率需要分开考虑。9.2.5讨论了局部腐蚀的影响因素,表9.1 和表 9.2 列出了不同使用年限钢板桩的厚度损失。

1)泥下区

钢板桩在泥下区很少会发生腐蚀,可以采用地下腐蚀的腐蚀率,即每年每边0.012mm。 2)水下区

根据潮水范围和当地地形,河床面以上可能存在一个连续的水下区,随着时间的推移,钢板桩暴露在无污染海水的表面会形成一块由海洋生物组成的保护毯,主要包括海藻、海葵和海鞘,因此,水下区钢板桩的腐蚀率通常较低。

3)水位变动区

这个区域分布在最低潮位和最高潮位之间,有利于藤壶和海藻的积聚生长。海洋生物可以在钢板桩表面形成天然屏障阻挡波浪,同时限制钢板桩表面的氧气供应,从而保护钢板桩。

研究表明,这一区域形成的锈膜中含有藤壶分泌物中的石灰,这也有利于降低钢板桩的长期腐蚀率,使其腐蚀水平同水下区相近。

4)低水位区

低水位区通常缺少海洋生物,因而腐蚀率较高。研究表明,钢板桩位于潮水中的部分,低水位区和浪溅区的厚度损失是最严重的。低水位区的环境比较特殊,腐蚀率通常较高,建议对这一区域的钢板桩做定期检查。

5)浪溅区和大气区

水位变动区上部是浪溅区和大气区,前者主要是受波浪和盐雾作用,后者主要是受空气中的氯化物作用。不同于水位变动区,这两个区域并没有海洋生物。浪溅区是比大气区侵蚀性更强的区域,它的腐蚀率和低水位区相近,约为每年每边 0.075mm。这一区域的钢板桩会生成厚厚的锈层,当厚度达到 10mm以上时,就会从桩体剥落,特别是在钢板桩的弯曲部位,如翼缘和腹板的连接处以及锁口弯钩部位。钢材在变成铁锈后体积会变大,钢材的腐蚀损失可能不会超过锈层厚度的 10%~20%。大气区和浪溅区并没有很明确的界线划分,随着与波峰之间距离的增大,腐蚀率也会迅速降低,大气区的平均腐蚀速率为每年每边0.02mm。

9.2.5 局部腐蚀

局部腐蚀较易发生在海洋环境中,近年来,在西欧的许多港口结构中,发现了一些异常的腐蚀现象∶低水位区发生了高度的局部腐蚀,这也符合前述的腐蚀模式,这种形式的局部腐蚀称为"低水位加速腐蚀"。

1)低水位加速腐蚀

这种腐蚀在板桩、管桩、H型钢和部分装配式结构上很常见,如角钢、槽钢和板材。欧洲和日本有很多厂家生产这些产品,因此这种腐蚀并不局限于某一生产商。日本曾经对局部腐蚀进行过专门的调查研究,并将其定义为"集中腐蚀"。最近的一项由 5个西欧国家的权威机构对港口的调查显示,钢板桩的局部腐蚀有不同的模式。几乎所有的案例中,局部腐蚀都发生在板桩墙的外表面,位于平均低水位区或平均低水位区下部,板桩墙的内表面几乎不受影响。 U 型桩外表面中心部分是腐蚀最严重的,Z型桩的腐蚀主要集中在外表面的转角和焊接处,腐蚀率约为每年 0.3~0.8mm。极端情况下,钢板桩厚度减小会形成局部裂缝,破坏结构的完整性,在某些情况下,还会导致墙后填充材料的流失。

2)局部腐蚀的影响因素

海洋环境中,有很多因素会造成局部腐蚀率上升;

(1)潮水中的钢板桩有宏电池现象。调查显示,海洋环境的不同区域存在电势差,例如,低水位区相对于水位变动区是宏阳极,由于巨大的电势差;造成了低水位区的高度腐蚀。宏阴极在水位变动区,这里有氧气可以进行还原反应。宏电池的作用会随着局部环境的不同而不同。

(2)防护系统、螺旋桨尾流、首推力器、砂子、砾石或重复应力作用产生的磨损和侵蚀,会导致防腐层的不断流失,形成强烈的局部腐蚀。相对于不受影响的区域,铁锈不断剥落的区域是阳极,低水位区的宏电池作用特别明显。

(3)某些情况下,低水位区的局部腐蚀与微生物有关。对受腐蚀结构的研究表明,腐蚀产物中的化合物如硫化物会加速局部腐蚀。一般来说,这些化合物由很多细菌群组成,包括硫酸盐还原细菌和好氧细菌。

(4)当钢材通过电连接到其他钢材、金属或合金等具有较贵电位的材料,或者是焊接金属相对母材属于次贵金属时,就会发生双边金属腐蚀。腐蚀集中发生于次贵金属,特别是在不同材料的交界处。

(5)海水中不连续的植物和动物的存在以及它们的生物过程会造成环境差异(形成电势差),加速局部腐蚀速率。但是,连续的海洋生物可以阻止氧气扩散到钢表面,降低腐蚀率。

(6)从不适当的接地直流电源流出,进入结构的杂散电流会在电流流出处造成严重的局部腐蚀。

9.2.6 其他腐蚀

到目前为止,人们对钢板桩在其他环境下的腐蚀率也有研究,如工业废水处理系统、土地开垦或者是被人为污染的环境,EN1993-5.中有这些环境中钢板桩腐蚀率的规定。