《先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩》企业标准简介

摘 要：本文简述了《先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩》企业标准的编制背景、目的和意义，以及该标准包含的主要内容，并详细介绍了标准条文的编制依据。

关键词：耐腐蚀；空心方桩；标准简介

中图分类号：TU394文献标识码： A 文章编号：

1研究背景和目的

在结构类标准《混凝土结构设计规范》、《建筑地基基础设计规范》、《工业建筑防腐蚀设计规范》中无混凝土材料的防腐指标规定；材料类标准《混凝土耐久性检验评定标准》、《混凝土结构耐久性设计规范》虽规定了混凝土材料的防腐蚀具体指标，但环境类别划分与结构类标准不一致，无法对照应用。目前，混凝土建筑结构主要以结构类标准为设计和审图依据，由于结构类标准中划分的腐蚀环境与材料类标准规定的腐蚀环境及对应环境中的防腐蚀性能指标不一致，造成腐蚀环境下桩基设计选型和审图缺乏依据。

同时，腐蚀环境的范围很广，介质种类繁多，腐蚀形式多种多样，本规范是以《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）为基础，结合两个国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-2008）和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）的规定为设计依据和出发点，对相应的腐蚀条件进行选择，按照腐蚀介质的浓度把腐蚀环境划分为：强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀、微腐蚀4个等级，具体划分内容见下表1、表2。

表1 水和土对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价

先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩（以下简称耐腐蚀空心方桩）的设计主要以前面所述的国家标准的规定为设计依据和基准点。在《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）条文说明第3.5.7条明确规定，“更恶劣环境（海水环境或海洋氯化物环境、直接接触除冰盐的环境及其他侵蚀环境）中混凝土结构耐久性的设计，可参考现行国家标准《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476）；标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中的四类环境可参考现行国家行业标准《港口工程混凝土结构设计规范》（JTJ267）；五类环境可参考现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046-2008）。”根据空心方桩标准《预应力混凝土空心方桩》（JG197-2006）和国家图集《预应力混凝土空心方桩》（08SG360）中的2.4设计编制说明，离心成型的先张法预应力混凝土空心方桩均可应用于二b环境或一般环境类别，无需单独做防腐蚀设计，然而二b以下环境处于硫酸盐、氯盐、碱性等腐蚀环境中时，一般的离心成型预应力空心方桩不满足要求，需单独设计防腐蚀方案。在四类环境类别中，海水环境采用髙桩承台；在五类环境类别中，根据不同侵蚀物质采用相应的防腐措施，都属于工业行业独立防腐范畴，具有相应的行业标准设计规范。目前对应用于存在强、中、弱、微腐蚀介质三类及三类以下环境中的先张法预应力混凝土空心方桩无相关的指标要求、设计规范，在此前提条件下，本标准提出了专门针对应用于存在强、中腐蚀介质的二类环境类别和存在强、中、弱、微腐蚀介质的三类环境别中的空心方桩进行研究，其中，强、中、弱、微腐蚀环境的判断按照表1和表2进行。

表2 水和土对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价

注：表中的数值适用于有干湿交替作用的情况，Ⅱ类腐蚀环境无干湿交替作用时，表中硫酸盐含量数值应乘以1.3的系数。

2 标准主要内容

本标准共分为十一章：1、范围；2、规范性应用文件；3、术语和定义；4、产品分类；5、原材料及一般要求；6、技术要求；7、耐腐蚀性能要求；8、试验方法；9、检验规则；10、标志、贮存、吊装和运输；11、产品合格证。

3 标准主要条文说明

本标准是根据《标准化工作导则》GB/T1.1-2009的要求，结合我国预应力离心混凝土空心方桩的生产、使用现状以及对桩基应用于腐蚀环境中的耐腐蚀要求进行编制，现将有关条文内容说明如下。

条款1、范围

本标准对应用于不同腐蚀环境类别的先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩制定了相应的技术指标，规定了相应技术指标的试验方法、检验规则和耐腐蚀空心方桩产品的标志、贮存、吊装、运输。该产品适用于存在强、中、弱、微腐蚀介质的三类及三类以下环境类别中的工业与民用建筑、港口、市政、桥梁、铁路、公路、水利等工程

条款2、规范性引用文件

本标准中的钢筋混凝土用水泥、砂、石子、外加剂、掺和料、钢筋、冷拔丝以及环境类别的划分、腐蚀环境中耐腐蚀性性能指标的选择等主要是参考规范性应用文件中的相关标准来编写的，其中凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准，凡是未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。

条款4 产品分类

条款4.1产品品种和代号

根据本标准第3条选取的环境类别为存在强、中、弱、微腐蚀环境的三类及三类以下环境类别。把耐腐蚀空心方桩产品分为SQP（H）S（适用于存在强腐蚀介质的二类环境类别中的耐腐蚀空心方桩）、SZP（H）S（适用于存在中腐蚀介质的二类环境类别中的耐腐蚀空心方桩）、TQP（H）S(适用于存在强腐蚀介质的三类环境类别中的空心方桩)、TZP（H）S（适用于存在中腐蚀介质的三类环境类别中的空心方桩）、TRP（H）S（适用于存在弱腐蚀介质的三类环境类别中的空心方桩）、TWP（H）S（适用于存在微腐蚀介质的三类环境类别中的空心方桩）6个等级。

条款4. 2 产品规格和型号

条款4.2.1 本条对耐腐蚀空心方桩产品的规格、尺寸和型号进行了规定，一般情况下，耐腐蚀空心方桩的规格由边长和内径确定。

条款4.2.2 耐腐蚀空心方桩按桩身结构抗弯性能可分为A型、AB型和B型等三种型号。在表1耐腐蚀空心方桩的基本尺寸中，预应力钢筋分布Bp值是根据保护层厚度控制要求、箍筋直径和主筋直径等技术指标确定，并且钢筋保护层厚度是指钢筋外（内）表面至耐腐蚀空心方桩外（内）表面的相对较小值。预应力钢筋配筋是根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011要求，配筋率不宜小于0.5%，本标准中的配筋率满足要求。

条款5 原材料及一般要求

条款5.1 原材料

为了提高混凝土的强度、抗冻性能、抗渗性能，应控制水泥中的C3A、C3S和碱含量以及选择合适的水泥细度，因为过高的C3A与C3S含量和过细的水泥粉末导致水泥的水化速率过快、水化热大、早期强度发展过快过高、混凝土的微结构不良、收缩大、抗裂性下降、耐腐蚀性差，而限制水泥的含碱量，主要是为了防止混凝土发生碱-集料反应。因此宜采用碱含量低于0.6%的中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥（尽可能避免使用早强水泥和C3A含量高于7%的水泥）。同时集料是影响混凝土质量的关键原因之一，而集料质量中最为重要的就是石子的粒形和级配。如果粒形和级配好，就可以在保证混凝土施工性能的前提下最大限度地减小用水量和浆体量，提高混凝土的强度和耐腐蚀性。集料的堆积密度和表观密度是骨料级配的反映，堆积密度越大，则级配越好，空隙率越小。对粗集料来说，40%左右的空隙率应该是最低要求，这只是我国20 年前集料质量的一般水平。针、片状颗粒含量反映粗集料粒形的优劣，我国现行标准容许针、片状颗粒的含量最大可到10%，这一水准实在过低。实践证明，针、片状颗粒含量最好不大于5%，要配制高质量的混凝土，用水量一般要在160 kg∕m3 以下。另外应注意外加剂与水泥的适应性，尽量降低混凝土拌和水用量，以达到低水胶比和低浆体用量的要求，多方面体现耐腐蚀性的需要。同时，大量文献资料和试验证明，加入抗硫酸盐侵蚀防腐剂，能显著提高混凝土的抗冻、抗水渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子侵蚀等耐腐蚀性能。耐腐蚀空心方桩是应用于存在强、中、弱、微等腐蚀介质环境中，对空心方桩的耐腐蚀性能要求较高，故需在生产过程中加入混凝土耐腐蚀防腐剂。

条款6 技术要求

条款6.2 混凝土保护层厚度

国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中规定钢筋混凝土保护层厚度是指从混凝土表面到钢筋公称直径外边缘之间的最小距离，其中第8.2.1条规定：在三a、三b环境类别中混凝土的最小保护层厚度分别为40mm、50mm。故本标准中钢筋混凝土保护层厚度在二类环境中的控制值大于35mm，三类环境中保护层厚度控制值分别大于40mm、50mm。由于边长为250mm的耐腐蚀空心方桩钢筋保护层厚度无法达到35mm，故不适宜作为耐腐蚀桩使用，而位于1000mm以上规格的耐腐蚀空心方桩在工业与民用建筑工程应用中的需求量不大，故也未列入本标准，因此本标准按耐腐蚀空心方桩的边长分为300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm、800 mm、1000 mm等规格。

条款7耐腐蚀性能要求

本标准主要针对耐腐蚀空心方桩的桩身、桩接头和桩尖进行耐腐蚀性能研究。

条款7.1 耐腐蚀桩桩身混凝土性能要求

在先张法预应力离心混凝土空心方桩的基础上增加腐蚀环境条件下的耐腐蚀性技术指标，以此来提高先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩的整体性能，在实际生产过程中，耐腐蚀空心方桩耐久性能分为主要控制项目和附加性控制项目，具体指标数值见标准中的表8、表9。其技术指标的选取依据如下：

（1）电通量：在一定条件下通过混凝土规定截面积的电荷总量，用于评价混凝土抵抗水或离子等介质向内渗透的能力。根据《铁路混凝土结构耐久性技术规范》TB10005-2010条文说明中5.4.2条规定，在大量的试验研究数据和工程实例表明，掺加适量矿物掺和料且具有良好抗侵入性的C50及以上混凝土电通量值一般小于800C；在《铁路混凝土结构耐久性技术规范》TB10005-2010中5.4.2条规定：使用年限为100年且混凝土强度大于等于C50的电通量要求小于1000C；根据铁建设令[2005]第157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》，在化学侵蚀环境下作用等级为H1、H2时设计使用年限级别（100年）的混凝土（56d）电通量应不大于1200C；在《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009中3.0.2条把电通量小于500C作为抗氯离子渗透（电通量法）的最严格指标，作为本标准三类环境下的强腐蚀控制指标。

（2）氯离子扩散系数（56d）DRCM（×10-12m2/s）：描述混凝土孔隙水中氯离子从高浓度区向低浓度区扩散过程的参数，用于评价混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力。根据《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009中规定氯离子扩散系数（56d）DRCM（×10-12m2/s）小于1.5为混凝土耐久性抗氯离子渗透系数的最严控制要求，作为本标准耐腐蚀空心方桩适用于存在强腐蚀介质的三类环境类别中的氯离子扩散系数控制指标。试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082）。

（3）抗盐类结晶干湿循环系数（56d）：是考虑硫酸根离子侵蚀作用，在三类环境类别中硫酸根离子侵蚀作用不大，因此根据《铁路混凝土结构耐久性技术规范》TB10005-2010对Y1、Y2、Y3、Y4的定义，结合岩土工程勘察规范对微、弱、中、强腐蚀环境的定义可知其存在相互对应的关系，因此根据该规范规定二b及二b以下、三类环境类别中微、弱、中、强腐蚀环境的抗盐类结晶干湿循环系数（56d）分别为KS90、KS120、KS150、KS150。混凝土的抗硫酸盐结晶干湿循环次数应按GB/T50082规定的抗硫酸盐侵蚀试验方法进行检验。

（4）抗冻耐久性指标DF（%）：美国ASTM标准定义试件经历300次冻融循环后的动弹性模量的相对损失为抗冻耐久性指数DF。根据《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008第5.3.3规定，存在强、中和弱、微腐蚀介质的三类环境类别分别属于盐或化学腐蚀条件，其对应的混凝土结构抗冻耐久性指标DF（%）按100年在严寒和寒冷地区的设计规定85和80，而50年分别是80和70。根据《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009规定大于F400为耐久性混凝土的最大控制指标，作为存在强、中腐蚀介质的三类环境类别的抗冻性能控制等级；在《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275-2000规定海港工程混凝土的抗冻性能等级为F350。

（5）氯离子含量：在《混凝土结构设计规范》中3.5.3条规定，“预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%”。混凝土的碱性可使钢筋表面钝化，免遭锈蚀；而氯离子引起钢筋脱钝和电化学腐蚀，会严重影响混凝土结构的耐久性。为控制氯离子含量，应严格限制使用含功能性氯化物的外加剂（例如含氯化钙的促凝剂等）。

（6）碱含量：在《铁路混凝土结构耐久性技术规范》TB10005-2010中5.2.11条规定混凝土的碱含量最大限制，使用年限为60年的含碱环境中碱含量为3.0kg/m3；使用年限为100年的含碱环境中碱含量为2.1kg/m3，作为本标准中中、强腐蚀环境碱含量要求。采用活性骨料进行混凝土生产时，必须采取技术措施减低碱-集料反应发生的风险。措施一是严格控制混凝土的总碱含量；措施二是掺加矿物掺和料。

（7）碱-集料反应活性系数：当集料的快速砂浆棒膨胀率小于0.20%时，混凝土的碱含量应满足规定，故碱含量小于0.20%作为存在强、中腐蚀介质的三类环境最低要求。骨料的快速砂浆棒膨胀率大于等于0.20%且小于0.30%时，还应对混凝土采取抑制碱-集料反应的技术措施，并经试验证明抑制有效。

（8）含气量最低限制要求：引气不仅可以提高混凝土的抗冻性和抗盐类结晶破坏的性能，还能改善混凝土的拌和物性能，提高混凝土的稳定性。冻融破坏和盐类结晶破坏环境以及有抗冻要求的预应力混凝土的含气量要求，气泡大小与气泡稳定性是评价引气剂的主要指标，采用气泡间距系数来控制引气到混凝土内部的气泡质量，从而确保混凝土中所引入的气泡微小、均匀、稳定。根据《铁路混凝土结构耐久性技术规范》TB10005-2010中5.2.3条规定和本标准中抗冻性指标的选取依据，三类环境类别中微、弱和中、强腐蚀环境的混凝土含气量最低限制分别为5.0%和6.0%。

（9）气泡间距系数：气泡间距是指硬化混凝土中相邻气泡边缘之间距离的平均值。因此适量引气是配置抗冻高性能混凝土的重要手段之一。引气剂所引气泡的直径及稳定性对混凝土的性能影响很大，因此，选择合适的引气泡直径及稳定性有利于控制混凝土气泡间隔系数。研究表明，当混凝土中气泡间距系数小于300μm时，混凝土抗冻性较高。根据《混凝土耐久性结构设计规范》GB/T50476-2008附录C中规定在盐或化学侵蚀下冻融，混凝土中气泡间距系数应为200μm，作为存在强腐蚀介质的三类环境类别指标要求。

（10）在《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193-2009中规定混凝土抗碳化性能最高等级为碳化深度小于0.1mm，作为本标准的抗碳化性能要求。

条款7.2 端板防腐蚀措施

由电化学腐蚀原理可得，焊接处的腐蚀速率不大于端板的腐蚀速率，同时端板的总焊接厚度应满足方桩的各项力学性能，对于耐腐蚀空心方桩应在所设计的腐蚀年限内满足方桩所需的力学性能，根据以上因素计算端板的焊接厚度。端板可以根据设计年限和所采用的耐腐蚀方案来预留腐蚀厚度，即增加焊接厚度。

（1）端板腐蚀厚度计算方法

参照《港口工程钢结构设计规范》端板预留厚度可按下式计算：

（7.1）

式中：Δδ——建筑物在设计使用年限t年内，端板所需要的预留的单面腐蚀焊接厚度（mm）；

V——钢材的单面年平均腐蚀速度（mm/y），应符合现行行业标准《港口工程桩基规范》JTJ254的规定；

P——采用涂层保护或阴极保护，或采用阴极保护与涂层联合防腐措施时的保护效率（%），应符合现行行业标准《港口工程桩基规范》的规定；

t1——采用涂层保护或阴极保护，或采用阴极保护与涂层联合防腐措施时端板的使用年限（年）；

t——被保护的钢结构设计使用年限。

则端板设计为50、100年年限时端板的腐蚀厚度见表7.1。

表7.1 端板的腐蚀厚度

（2）满足力学性能的最小焊接深度

耐腐蚀空心方桩的接桩是采用端板焊接的连接方式，所以端板的焊接处的抗拉、抗剪等力学性能应不小于方桩本身的抗拉抗剪等力学性能，参照《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.1条空心方桩的正截面受拉承载力设计值的计算方法，可计算出满足这些力学性能的最小焊缝深度。首先是对抗拉强度的计算。焊缝的具体强度计算如下:

（7.2）

式中：Nt——端板抗拔力设计值（kN）；

D——焊缝边长（mm）；

r——焊缝深度（mm）；

——焊缝抗拉强度设计值(N/mm2)。

对于不同边长的端板D取不同的值，由于端板焊缝质量为三级，依照标准《钢结构设计规范》GB50017-2003的表3.4.1-3中的Q235B钢三级焊缝抗拉强度设计值可得f t取185(N/mm2)，抗剪强度设计值fv可取125(N/mm2)。下面对不同边长的端板的型号为B的桩的最小连接厚度进行计算。

表7.2 B型号桩满足抗拉强度焊缝最小设计值

表7.3 B型号桩满足抗剪强度焊缝最小设计值

通过抗拉强度和抗剪强度的最小设计值，取较大的值，通过以上数据对比取抗拉强度的最小焊缝设计值。根据满足力学性能的最小焊缝设计值和腐蚀裕量可计算出端板的最小焊接厚度，具体值见附录B.2。

（3）阴极保护和防腐涂层

非地下水位波动区边长小于等于500mm的桩基本上都能满足50年的耐腐蚀年限，而对于地面以下水位波动区则要求的焊接厚度过高，在焊接过程中会出现施工困难等问题，因此对于此环境下采用阴极保护的办法满足50年和100年年限的设计要求。由于阴极保护并不能对阴极完全保护，存在一个保护效率，根据标准《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》JTS 153-3-2007中的表3.0.7-2中的水位变动区可知，直接用阴极保护时保护效率在20%～90%，采用阴极保护和涂层联合保护时保护效率可取85%～95%，为满足端板设计年限采用阴极保护和涂层联合保护。

防腐涂层可按附录B.3进行，在涂完涂层之后再对端头采取阴极保护，下面根据标准《水工金属结构防腐蚀规范》SL 105-2007附录H.2对牺牲阳极的阴极保护系统计算，具体牺牲阳极的净质量可按式7.3计算：

（7.3）

式中：Wi——单只牺牲阳极净质量，kg；

Im——金属结构的平均保护电流，A；

t——牺牲阳极的寿命，a；

q——牺牲阳极的实际（电）容量，A·h/kg；

K1——安全系数，宜取1.1～1.2。

保护电流可按式7.4、7.5计算：

（7.4）

（7.5）

式中：I——结构总的保护电流，A；

In——分部位的保护电流，A；

K2——安全系数，宜取1.1～1.2；

in——分部位的保护电流密度，A/m2；

Sn——分部位的保护面积，m2。

保护电流密度可按式7.6计算：

（7.6）

式中：ic——有涂层钢的保护电流密度，A\m2;

ib——无涂层钢的保护电流密度，A\m2;

——涂层的破损系数，0≤≤1。

常规涂料初期涂层破损系数应为：水中1%～2%，泥中25%～50%，涂层破损率为每年增加1%～3%。保护面积应包括金属结构在水中和泥中的面积，并应考虑影响金属结构阴极保护效果的其它金属结构的面积。根据型号为B的方桩的端板厚度和桩套箍的宽度对各种边长的方桩每个端头与水的接触的面积进行计算，计算结果如表7.4所示。根据标准《水工金属结构防腐蚀规范》SL 105-2007附录H可知在静止的淡水中的保护电流密度可取20～55（mA/m2），按最大电流密度55（mA/m2）进行计算总保护电流，安全系数取1.2，结果如表7.4所示。

表7.4 B型号方桩的保护电流

在计算单只牺牲阳极净质量时，安全系数K1取1.2，淡水中锌合金的电容量为1529（A·H/kg）。所设计的方案为涂层和阴极保护的联合防护，保护电流的计算按公式7.4、7.5计算，其中破损系数取2%，涂层破损率取3%，然后由公式H.4.3求得单个牺牲阳极的质量。《港口工程钢结构设计规范》JTJ283-99中第12.0.3条端板预留厚度可按下式计算：

Δδ=V[(1-P)t1+(t-t1)] （7.7）

参照标准《港口工程桩基规范》JTJ 254-1998第6.3.8条规定，采用联合保护时，保护效率取85%。具体计算结果见附录B.4。

条款7.3 耐腐蚀桩尖

传统的桩尖与桩身混凝土是分开的，在桩尖与桩身混凝土连接的地方存在空隙，在腐蚀介质存在的情况下，加速了腐蚀离子对桩的侵蚀，而混凝土一体式桩尖不存在明显的连接点，无空隙存在，有效地抵制了腐蚀介质的侵蚀，表现出优越的耐腐蚀性能。

结束语

耐腐桩是近年来研发的一种基桩材料，该产品在广东、上海等地区已有相应的使用，由于没有适用的建材行业标准或国家标准，各生产单位按照相关的标准要求，编制对应的企业标准，然后按照本单位规定的技术指标进行控制，发展较慢，同时在企业生产、工程设计、施工检测、监理、验收等缺少依据，不利于耐腐桩大规模的推广应用。

上海中技桩业股份有限公司在此基础上，汇总相关标准要求，通过腐蚀环境下的试验研究成果，编制《先张法预应力离心耐腐蚀空心方桩》Q/SQPU 4-1012，随着该标准的，对提高产品的质量、保证建设工程设计、施工、检测、监理、验收起到一定的积极作用，同时，为耐腐蚀空心方桩的推广做出一定的贡献，也为以后耐腐蚀空心方桩相关行业标准的编制提供依据。