一种新型混凝土防腐基桩及其施工工艺的制作方法

本发明属于岩土工程设计技术领域，涉及一种混凝土基桩防腐结构，具体指一种应用于腐蚀性土环境中的混凝土防腐基桩及其施工工艺。

背景技术：

近年来，我国的投资建设不断地向西北内陆与滨海地区扩展，尤其是道路桥梁、送电工程等，频繁穿越此类地区。而西北内陆与滨海地区多腐蚀性土壤分布，以盐渍土为主。盐渍土是一种融陷性、膨胀性、腐蚀性土，对工程建设的常用材料混凝土而言，其腐蚀性危害尤为突出。滨海地区因卤水侵入使土壤氯盐含量较高，混凝土危害主要来源于氯盐的威胁；内陆地区盐渍土盐类众多，包括氯盐、硫酸盐、碳酸盐等，对混凝土的危害较为复杂。盐渍土对混凝土的腐蚀类型主要有结晶类、分解类和结晶分解复合类，具体为cl^-、so²4^-等易溶盐通过混凝土的空隙和裂隙，在水分的运输作用下与混凝土发生物理化学反应，生成物膨胀分解水泥水化反应产生的胶结物质，使混凝土麻坑遍布，骨料脱落，钢筋外漏并遭受腐蚀。除此之外，此类地区气候环境恶劣，冻融循环现象明显，造成腐蚀作用加剧。因此，对该类地区的地下建筑结构混凝土采取有效的防腐措施非常必要。基桩是该地区道路桥梁等建筑结构常用的基础形式，与土壤相互作用紧密，是盐渍土腐蚀的主要威胁对象，其耐久性关系到道路桥梁的正常使用和安全性能，因而基桩的防腐结构设计显得十分重要。

目前，针对基桩防腐涌现出了多种设计方法和措施，主要表现在三个方面：

1)隔离防腐技术，用物理手段将桩身混凝土与外界腐蚀环境隔离开，阻止盐类或者水体与混凝土直接接触，按隔离防腐材料分为钢护筒隔离、防腐袋隔离及涂层隔离三种形式。

2)密实防腐技术，添加膨胀剂阻止混凝土中的微裂缝隙给水分和腐蚀性盐类迁移提供便利条件，或者掺入矿渣、硅灰及粉煤灰等掺合料提高混凝土的密实度，达到抗盐类侵蚀的目的。

3)钢筋阻锈技术，仅仅通过涂刷环氧树脂对钢筋进行保护，因不能有效保护面层混凝土而很少采用，或应用在腐蚀性较小的情况下。

以上基桩防腐设计的特征可以总结为三个层次：1)隔，即隔断盐分与混凝土以及钢筋直接接触的途径；2)阻，即阻止盐分向混凝土内渗透的速率；3)缓，即减缓混凝土和钢筋受蚀的速度，使其在设计年限内能够正常使用。现有的防腐设计均是单一采用三个层次中的某一思想，除存在防腐结构单一、施工工艺复杂及防腐效果不理想等问题外，还易受防腐材料自身性能缺陷的限制，如钢套筒的防腐处理，涂层、防腐袋的降解老化等。因此，亟需研究防腐效果更加优良的基桩防腐结构，以提高盐渍土腐蚀环境中混凝土基桩的防腐效果，保证混凝土基桩的使用寿命及使用安全性能。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种新型混凝土防腐基桩及其施工工艺，采用“桩中桩”的结构设计，在显著增强混凝土基桩防腐效果的同时，提升了基桩的承载性能，并且克服了现有基桩的防腐效果受防腐材料自身或工艺缺陷制约的问题。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种新型混凝土防腐基桩，包括中心混凝土桩，所述混凝土桩的外围设有由防腐土料制成的具有一定密实度的防护套层，用以隔离混凝土桩与地基腐蚀性土壤，所述防护套层是与混凝土桩的结构尺寸相适配的同轴空心桩套结构。

作为本案的优化方案，所述防护套层的底部为防腐土料制成的桩底封层，桩底封层与防护套层为一体式结构，将混凝土桩的底面与地基腐蚀性土壤隔离。

作为本案的优化方案，所述防护套层土的密实度要求为平均压实系数

作为本案的优化方案，所述防腐土料为素土、灰土或水泥土；所述素土适用于各类盐环境中的基桩防腐，素土为不含渗水杂质和有机质的粉质粘土；灰土适用于氯盐环境中的基桩防腐，是由熟石灰与所述素土按体积比2:8的比例混合，其中熟石灰的粒径不大于5mm；水泥土适用于硫酸盐环境中的基桩防腐，是由水泥与所述素土按体积比2:8的比例混合，水泥选用出厂不超过3个月的标准水泥；上述防腐土料的含水率均为最优含水率。

作为本案的优化方案，所述防护套层的长度、厚度及土料类型根据地基土的腐蚀范围、基桩防腐等级和腐蚀类型选取。

作为本案的优化方案，所述防护套层是由防腐土料经钻孔夯扩挤密法制得。

作为本案的优化方案，所述混凝土桩的地表外露段，以及地表外露段向地下的过渡段涂有防腐涂层。

一种新型混凝土防腐基桩的施工工艺，包括以下步骤；

s1：根据设计防护套层的尺寸选取适宜直径的钻孔机，在基桩位置处预钻成孔至设计深度，形成预钻孔；

s2：将松散防腐土料分次填入预钻孔，每次填料后，按照密实度控制要求将夯锤提至目标高度下落，夯击土料形成防腐夯扩桩段，并依此逐段夯扩至地表处，形成与防护套层对应的实体桩；其中，每次填料的高度和夯锤夯击次数根据现场试夯确定；

s3：在上述实体桩的中心位置按照混凝土桩的尺寸挖/钻出中心桩孔，形成防护套层；

s4：在中心桩孔内垂直放入钢筋笼，并通过混凝土导管向中心桩孔内浇筑混凝土，浇筑完毕待混凝土终凝后，在混凝土桩的外露段以及外露段向地下过渡段表层涂刷防腐涂层。

作为本案的优化方案，上述步骤2中，填料过程中依据地基土壤的腐蚀种类分段填入不同的防腐土料。

作为本案的优化方案，上述步骤3中，挖/钻中心桩孔时根据桩底地基土壤的腐蚀情况，预留中心混凝土桩的桩底封层。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用“桩中桩”的结构设计形式在混凝土桩的外围设置土性防护套层，防腐效果更佳：可根据地基土腐蚀种类的不同，选择相应的防腐土料和配比，应用范围灵活且广泛；能够综合实现隔、阻、缓的防腐效果，从而解决了传统防腐技术思想单一导致的效果不理想、结构灵活性低等问题。

2、防腐效果良好且始终如一，能够最大限度地满足混凝土基桩使用寿命期间的防腐要求。土性套层在腐蚀性地基中形成隔离屏障，阻止或延缓腐蚀性盐溶液的渗流迁移，防腐土料自身也不会因长期受蚀而出现结块、软化等不稳定问题，有效克服了传统基桩防腐措施易受防腐材料自身性能或工艺缺陷的限制，避免了长期条件下防腐效果骤减的问题。

3、传统防腐设计多使用新材料，造价昂贵、取材不易且施工要求较高，并且易受外力因素影响，诸如防腐袋在硬物刮刺、强力拉扯时出现孔洞，涂层在桩土相对位移、桩身收缩时断裂等；此外，传统“先桩后防腐”的施工工艺顺序也易造成薄弱接触面，影响基桩的防腐效果；本发明中的防腐土料获取便捷、价格低廉，防腐结构先于混凝土基桩施工的工艺顺序使得接触面紧密连接，防腐效果受外界因素影响小，经济有效且易于实现。

4、在土性防护套层的施工过程中，能够将基桩防腐与地基处理作业有效结合，二者相辅相成。地基处理时可同时进行大直径防护套层的实施，防护套层具有一定的密实度和承载能力，既实现了安全可靠的防腐效果，同时又提高了地基的承载性能，防腐措施亦即地基处理措施，解决了传统地基处理与基桩防腐作业分别进行，施工用时长、防护套层功能单一的问题。

附图说明

图1为本发明新型混凝土防腐基桩的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明新型混凝土防腐基桩的施工示意图1；

图4为本发明新型混凝土防腐基桩的施工示意图2；

图5为本发明新型混凝土防腐基桩的施工示意图3；

图中：1-混凝土桩，2-防护套层，3-桩底封层，4-防腐涂层，5-钢筋笼，6-防腐土料，7-预钻孔，8-夯锤，9-混凝土导管，10-中心桩孔。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1、2所示，一种新型混凝土防腐基桩，包括中心混凝土桩1，所述混凝土桩1的外围设有由防腐土料6制成的具有一定密实度的防护套层2，用以隔离混凝土桩1与地基腐蚀性土壤，防护套层2是与混凝土桩1的结构尺寸相适配的同轴空心桩套结构。具体地，所述防护套层2由防腐土料经钻孔夯扩挤密法制成，其密实度为平均压实系数在显著增强混凝土基桩防腐效果的同时，有效提升了基桩的承载性能；而防护套层2的长度、厚度及土料类型可根据地基土的腐蚀范围、基桩防腐等级和腐蚀种类灵活选取，应用范围广泛。本发明采用“桩中桩”的基桩结构设计，在混凝土桩1的外围设置土性防护套层，一方面，防腐效果良好，克服了传统混凝土基桩防腐材料自身的性能缺陷，例如，钢套筒因钢材自身的腐蚀加剧而削弱隔离效果，防腐带、涂层因自身降解、老化或者其他外力因素出现破损而影响防腐性能的发挥。因此，以整个设计使用年限来评价，传统防腐措施都只是减缓了基桩腐蚀的速度，并不能始终阻隔腐蚀性盐类的迁移，防腐效果随时间延长逐渐削弱，而土性材料的防腐效果随时间波动极小；另一方面，能够综合实现隔、阻、缓的防腐效果，例如，高等级防腐基桩应以隔为主，阻、缓相辅，中、低等级防腐基桩以阻、缓为主，而防护套层选用高密实度设计，且护层密实度可根据腐蚀等级适当调整，能够综合实现隔、阻、缓的防腐效果，有效解决了传统防腐技术思想单一导致的防腐效果不理想、结构灵活性低等问题。

进一步地，防护套层2的底部为防腐土料6制成的桩底封层3，桩底封层3与防护套层2为一体式结构，将中心混凝土桩1的底面与地基腐蚀性土壤隔离；桩底封层3设置与否根据中心混凝土桩1底部的腐蚀环境确定；当混凝土桩底部的地基包含腐蚀性土壤时，设置桩底封层3，不包含时可以没有桩底封层3。此外，为了实现混凝土桩的全面防腐，在中心混凝土桩1的地表外露段以及地表外露部分向地下的过渡段涂刷防腐涂层4，保证桩-土-空气交界范围内的全方位防腐。

上述新型基桩防腐结构可具体应用在腐蚀性盐渍土中，通过对土性防护套层2的防腐土料进行合理选择和配制，达到混凝土桩的防腐目的。其中，防腐土料6可为素土、灰土或水泥土；素土适用于各类盐环境中的基桩防腐，土料宜为粉质粘土，不得夹有砂石、砖块、瓦砾等渗水材料，土料过筛(筛孔直径不大于20mm)并不含有机质，含水率控制为最优含水率；灰土适用于氯盐环境中的基桩防腐，是由熟石灰与素土(与上述素土要求相同)按体积比2:8的比例拌合至颜色一致，其中熟石灰的粗粒粒径不大于5mm，制得的灰土含水率控制为最优含水率；水泥土适用于硫酸盐环境中的基桩防腐，是由水泥与素土(与上述素土要求相同)按体积比2:8的比例拌合至颜色一致，水泥选用出厂不超过3个月的标准水泥，制得的水泥土含水率控制为最优含水率。需要说明的是：“最优含水率”为专业术语，对于已经选定的土，其数值为一特定值，但是当土稍有变化时其就会变化；实际操作需在已选择好的土料或混合料中取样配制不同含水率的试样，进行击实试验，根据试验结果确定最优含水率，进而控制所有防腐土料的含水率。上述防腐土料的防腐原理为腐蚀性盐类借助水分在土壤中向基桩迁移的一种渗透过程，其渗透状况取决于渗流介质(土壤)的性质。研究表明，对重塑黏土(素土)而言，存在logk＝a*loge+b的关系，即渗透系数与孔隙比呈双曲线形式，孔隙比越小，渗透系数越小；在接近最大密实度时，素土渗透系数达到1.16×10^-6cm/s，灰土、水泥土的渗透系数在10^-7cm/s左右，均为不透水材料，可选作防渗材料；稳定性关系到各类材料在腐蚀性环境中的有效寿命，密实素土性质极少受盐的类型、含盐量的影响，性质稳定，可用在各类腐蚀性地基中；灰土在氯盐中时，界限含盐量3.5％之内时氯盐可促进灰土的离子交换作用、碳化作用，生成的水化硅酸钙等胶结物质可略微提高灰土的结构密实程度，灰土在硫酸盐环境中时，界限含盐量极小(0.5％)，硫酸盐的有利作用常常难以发挥，反而抑制灰土密实结构的发展，灰土更适用于氯盐渍土中；同样，含盐量是水泥土稳定性的关键影响要素，在氯盐环境中，不论含盐量的大小，水泥土强度劣化明显，而在硫酸盐环境中，界限含盐量5.0％之内时，水泥土中的ca⁺²与结合生成石膏，石膏继续和水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙等胶结物填充于土颗粒间，增加密实度，水泥土更适用于硫酸盐渍土中。因此，针对地基腐蚀类型选择严格控制密实度的素土、灰土、水泥土均可在腐蚀性地基中形成隔离屏障，阻止或延缓腐蚀性盐溶液的渗流迁移，自身也不会因长期受蚀而出现结块、软化等不稳定问题，影响防腐效果。

上述新型混凝土防腐基桩的施工工艺，具体包括以下步骤；

s1：根据设计防护套层2对应桩体的尺寸选取适宜直径的钻孔机，在基桩位置处预钻成孔至设计深度，形成预钻孔7。

s2：将松散防腐土料6分次填入预钻孔7，填料高度为h，每次填料后，按照密实度控制要求将夯锤8提至目标高度下落，夯击高度为h的填料段防腐土料6成高为h的夯扩桩段(如图3所示)，并依此逐段夯扩至地表处，形成与防护套层对应的实体桩；其中，每次填料的高度和夯锤夯击次数根据现场试夯确定；填料过程中可依据地基土壤的腐蚀种类分段填入不同的防腐土料。

s3：在上述夯扩挤密形成的防护桩实体中心位置按中心混凝土桩1的尺寸挖(钻)出中心桩孔10；挖(钻)中心桩孔时可根据桩底地基土的腐蚀情况，预留桩底封层；其结构如图4所示。

s4：在中心桩孔内垂直放入钢筋笼5，并通过混凝土导管9向中心桩孔10内浇筑混凝土，浇筑完毕待混凝土终凝后，在地表位置处混凝土桩1与防护套层2的交界过渡段，沿混凝土桩周向下开设环形槽，槽深500mm，然后在混凝土桩的地表外露段及开槽段涂刷防腐涂层4。至此，在大直径土性夯扩桩中制作出了混凝土桩，混凝土桩外围的土性套筒变成了防腐结构，防护套层的长度依腐蚀性地基土的深度确定，防腐土料和护层厚度根据基桩防腐等级、腐蚀性盐类、各类土性材料的阻隔效果及其在对应盐环境中的稳定状况灵活选择。

本施工方法在土性防护套层的施工过程中，能够将基桩防腐与地基处理作业有效结合，二者相辅相成。地基处理时可同时进行大直径防护套层的实施，防护套层具有一定的密实度和承载能力，既实现了安全可靠的防腐效果，同时又提高了地基的承载性能，防腐措施亦即地基处理措施，解决了传统地基处理与基桩防腐作业分别进行，施工用时长、防腐护层功能单一的问题。

据本发明涉及的防腐原理，设计室内试验验证素土、灰土、水泥土分别在腐蚀性盐环境中的渗透性与稳定性，按照发明配比要求配置素土、灰土、水泥土并制得相应的标准试块，分别在标准养护(含盐量为0％的非腐蚀性环境)和腐蚀性盐溶液养护条件下测定试块到达预设龄期的渗透系数与无侧限抗压强度,并同原状盐渍土比较，结果如下表所示:

由上表可以看出，较盐渍土而言，三种土性防腐材料试样的强度显著提高，渗透系数均降低至不透水材料(1.16×10^-6cm/s)的范围；素土在氯盐、硫酸盐环境中渗透性和强度变化不大，稳定性好；灰土在氯盐环境中，强度在界限含盐量时较标准养护条件有较大提升，并且随龄期的增长而增长，渗透性随龄期有所增加但幅度较小，仍远小于不透水材料的渗透系数上线；水泥土在硫酸盐环境中的变化规律与灰土在氯盐环境中类似，不同之处在于其渗透系数到达更低的量级。由此可以证实，按照发明所述针对不同腐蚀环境选择相应的土性材料并控制密实度(按照最优含水率下的最大密实度控制)时，可以保证在地基中形成性质稳定的防腐隔离层。除此之外与传统防腐材料土工织物等相比，土工织物渗透系数一般在0.6×10-⁶cm/s左右，与发明涉及的土性材料相似，但是土工织物在腐蚀性环境中的稳定性较弱，120d时其强度与渗透性有接近三分之一的劣化，土性套层优势明显。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。