1管樁現(xiàn)狀概述
1.1管樁現(xiàn)狀防護(hù)技術(shù)的問題管樁作為建筑樁基之一，由于其成樁質(zhì)量及檢測(cè)可靠，施工進(jìn)度快且承載力高被廣泛用于中高層建筑中。但由于管樁是工廠預(yù)制成形，對(duì)于超過成形樁長的地基需在現(xiàn)場駁接，駁接的辦法就是焊接或卡接或粘接，并以電焊連接居多。眾所周知，碳鋼以鐵為主要成分，鐵在空氣中、水中、在泥地中極易生銹?？梢韵胂鬀]有有效的防腐措施時(shí)，其樁基接頭很難保證在泥土及水中經(jīng)過若干年不腐爛斷裂，對(duì)于建筑壽命要求使用期達(dá)70年以上的中高層建筑來說，如何能確保在地震或水平風(fēng)荷載作用下，管樁這樣的深基礎(chǔ)牢牢嵌固至深層耐力層上而不倒便成了現(xiàn)實(shí)而又復(fù)雜的問題。
解決管樁的接樁樁頭腐蝕與斷裂問題，是擺在建筑專家面前頭痛的問題：一、沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)與理論。中國沒有，國外也沒有。日本在使用管樁方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于如何解決管樁問題，也顯得非常牽強(qiáng)；二、現(xiàn)用一些防腐辦法與措施就理論上也難自圓其說，也沒有可靠的例證，所采用的辦法無非是外涂防腐材料、改焊接為卡接、用硫磺膠泥粘或干脆采用不銹鋼接頭，更有人提出外加鐵皮等辦法，其實(shí)這些辦法從理論上就經(jīng)不起推敲；三、是管樁是重力打擊進(jìn)入土層的，施工過程中與周邊土體有強(qiáng)裂的摩擦，再好的涂料也難保不破，而從理論上來講，對(duì)于受防腐措保護(hù)的構(gòu)件，只要有漏護(hù)的地方，其腐蝕會(huì)更快。
因此，對(duì)于大量使用管樁基礎(chǔ)，如何解決防腐問題不但是關(guān)系廣廈千萬間安全使用問題，也是擺在建筑技術(shù)上不能不解決的迫切問題，本人從參加工作接觸管樁時(shí)始就著力探索解決接頭防腐問題。至此，我認(rèn)為最好是采用電法保護(hù)，不但理論上是有完整的學(xué)科理論，而且在工程中也有大量的成功應(yīng)用，只可惜沒有用到管樁的防腐上來。因此本文就管樁金屬接頭如何采用電法防腐的原理及綜合利用防雷接地體的辦法與措施展開討論，不但解決了管樁防腐問題的本身，籍此理論還可擴(kuò)展到綜合接地、中性電流應(yīng)用、雷電應(yīng)用、及節(jié)省犧牲陽極方面的研究。
1.2地質(zhì)微粒化學(xué)成分與金屬化學(xué)作用分析土體為不穩(wěn)定的導(dǎo)電體及特殊負(fù)荷裝置，在不同條件下通電能力及機(jī)理不一樣，進(jìn)一步來講與其地質(zhì)組分環(huán)境三相有關(guān)，但從主要機(jī)理來言，除了靜電傳導(dǎo)以外，伴隨著電位變化的主要是土體中的電離、電化及化電電相變化的表現(xiàn)形式。對(duì)于本文所討論的陰極保護(hù)方面來看、電子與離子之間電荷交換離不開陰極所在的具體地理環(huán)境的考量，只有有效的金屬陽離子的得電子的還原反應(yīng)，方能給陰極以覆蓋金屬層的辦法予以保護(hù)。
泥土為固粒水及空氣三相成分組成，水及空氣很容易直接造成金屬氧化腐蝕載體.固粒成分中，如從其原始成的機(jī)理而言是蒙脫石伊利石及高嶺石，從微粒成分來講，存在現(xiàn)有大部分金屬成分的鹽或離子，顯然是構(gòu)成金屬構(gòu)件生銹腐腐的重要電化腐朽因素。因此，從電化防腐方面著手尋找解決辦法時(shí)，更應(yīng)就某一環(huán)境條件下具體的金屬離子或鹽分，這樣才能相對(duì)設(shè)計(jì)出采用犧牲陽極的所用陽極金屬，這是在探究電法防腐技術(shù)時(shí)都需要引起注意到的問題。一般地層中，大到處主要存在如下的金屬離子：
Al3+、Fe3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+
上述從左至右也是離子交換能力從強(qiáng)到弱的順序，在后面的陰極及陽極選區(qū)用的金屬時(shí)是必要參考電化指標(biāo)。
2原電池與電解池原理
2.1原電池原電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的化電設(shè)備，對(duì)應(yīng)極板上的金屬活性決定了其陰陽極性，還原性強(qiáng).容易得到電子和吸引陽離子，顯陰極特性，外電路顯正極；相反為陽極，外電路顯負(fù)極。陰極(Cathode)是電化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)術(shù)語。指的是得電子的極，也就是發(fā)生還原反應(yīng)的極。陰極總是與陽極(Anode)相對(duì)應(yīng)而存在的。在原電池中，陰極是正極；電子由負(fù)極流向正極，電流由正極流向負(fù)極。溶液中的陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極。
原電池極板的構(gòu)成：主要是按金屬活性組對(duì)：
a.活潑性不同的金屬。活潑性強(qiáng)的金屬就是負(fù)極——鋅銅原電池，鋅作負(fù)極，銅作正極；
b.金屬和非金屬(非金屬必須能導(dǎo)電)，金屬是負(fù)極——鋅錳干電池，鋅作負(fù)極，石墨作正極；
c.金屬與化合物，金屬是負(fù)極——鉛蓄電池，鉛板作負(fù)極，二氧化鉛作正極；
d.惰性電極，實(shí)質(zhì)是氫為負(fù)極——氫氧燃料電池，電極均為鉑。
2.2電解池負(fù)極的構(gòu)成電解池是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電化設(shè)備，先有電源決定了其正負(fù)極性，及對(duì)溶液中的陰陽離子吸附能力的極性，按同性相斥，異性相吸的原則決定吸附陽離子還原的為陰極，相反為陽極。陰極：與電源的負(fù)極相連。在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)的是溶液中的陽離子。當(dāng)溶液中存在多種陽離子時(shí)，按金屬活動(dòng)性順序，越不活潑的金屬，其陽離子的氧化性越強(qiáng)，越容易被還原。在水溶液中，鋁之前的金屬的陽離子不可能被還原。
2.3金屬活性比較表(摘錄)如表1所示。
2.4原電池與電解池的共同陰極組成與述語對(duì)照如圖1。
3工程防腐應(yīng)用
工程中利用原電池原理對(duì)被保護(hù)的埋地金屬構(gòu)件作為陰極，選擇在排在被保護(hù)極金屬前面的金屬為陽極，這就是犧牲陽極的保護(hù)法。
工程中利用電解池原理對(duì)被保護(hù)的埋地金屬構(gòu)件作為陰極(負(fù))，處加直流電源的方法是常用的電法保護(hù)另一種有并行措施。
在工程中不泛采取以上兩種措施并用的保護(hù)辦法，主要有外電源陰極保護(hù)為主，犧牲陽極保護(hù)為輔的電法保護(hù)。
但在建筑工程的樁基中仍無人應(yīng)用這一技術(shù)。單從技術(shù)角度而言，無論采用外電源陰極保護(hù)為主還是犧牲陽極保護(hù)辦法都是可行的，如果綜合采用上述兩種辦法，不但在技術(shù)上更加可靠，而且也可以減少陽極金屬的耗費(fèi)。由于管樁結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特殊性，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中總是將管樁與基礎(chǔ)承臺(tái)、結(jié)構(gòu)柱及框架緊密相連。在電氣設(shè)計(jì)中、往往將管樁作為建筑電氣接地、防雷接地、保護(hù)接地的接地體或是電氣的綜合接地體，由于作為接地體大多數(shù)情況下通過的是交流電、雷電時(shí)為浪涌形的直流沖擊電，無法用于對(duì)管樁實(shí)施電法保護(hù)。
要想有效利用中性點(diǎn)電源或雷電，重要的技術(shù)措施：一、必須是直流電；二、固定極性或經(jīng)整流后方向性選擇電流極性。
由于其構(gòu)筑了良好的電氣通路，顯然對(duì)采用電法保護(hù)是十分方便的。實(shí)際上既可以單獨(dú)的犧牲陽極也可以采用外加電源。但管樁作為建地基又是良好的接地體，更重要的的是在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常被設(shè)計(jì)為綜合接地體，這樣至少與中性點(diǎn)交流電、雷電相關(guān)。為了利用管樁這一電氣特性及對(duì)管樁的全面保護(hù)，經(jīng)過長期研究，完全可以采用“外加電源陰極保護(hù)為主，犧牲陽極保護(hù)為輔的電法保護(hù)。”----“綜合電氣陰極保護(hù)技術(shù)”。
3.1管樁結(jié)構(gòu)與接頭
3.1.1管樁結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1.2電氣與化學(xué)特性從管樁結(jié)構(gòu)可以看出，管樁樁端均是由鋼環(huán)盤組成，用于管樁受力筋的錨板作用，另一方面又可以通過焊接駁長所需的管樁，為了錨入承臺(tái)，樁芯按設(shè)計(jì)植入樁芯錨筋錨入承臺(tái)，在承臺(tái)中，又經(jīng)常成與用作引下線的柱筋相連，因此在部分情況下，管樁很自然地被用作接地體。但，我們也注意到，按過往的設(shè)計(jì)接地時(shí)并沒與樁受力主筋接通，另外作為普通接地極，由于其通過的電流是交流電，對(duì)于原電池或電解池所界定的陰陽極性方面，總是交錯(cuò)周期變化，因此沒可用的定性極，致使其電化方面沒有變化的效果，只是起到了導(dǎo)線體的作用。
相反，我們采取與管樁主筋后，則從上部結(jié)構(gòu)及接地系統(tǒng)至樁尖到大地將成了良好的接地系統(tǒng)，又假如，我們晶閘管單向通性的整流橋的部分功能時(shí)，是完全可以將所接樁體的在通過脈動(dòng)直流時(shí)，將其極性予以設(shè)定，使其直流通過時(shí)總是流入或流出，這就相于原電池及電解池的直流極性，如果將被保護(hù)的管樁恒設(shè)置為電流陰極端時(shí)就實(shí)現(xiàn)了我們所要的陰極保護(hù)的功能裝置。
3.2接地與管樁陰極保護(hù)原理
3.2.1外加電源的極性分析與設(shè)定因?yàn)椴还茉姵剡€是電解池，陰極總是在接受導(dǎo)線中的電子及池中的陽離子結(jié)合產(chǎn)生還原反應(yīng)，使金屬離子子析出覆蓋在原金屬表面而免遭腐蝕破壞，因此從外電線路來看陰極總是在低電位下流入電子的極端.，與電流方向相反，是負(fù)荷端。所以其整流方向應(yīng)設(shè)為自低電位至高電位反向?qū)?。以上是?duì)(電子相反向流出)整流極性設(shè)置與判定，顯接地中性點(diǎn)交流電整流后高電位點(diǎn)作為電流入方向。顯然另一半的正弦反相交流電時(shí)，整流后低位剛好應(yīng)顯陽極，其整流通向也應(yīng)相反。如果，我們將這一直流另設(shè)一接地端，就是相當(dāng)于電解池的陽極，上面的陰極因電流不能反向?qū)ㄈ员３值谝幌嗟年帢O極性，這樣就可以將接地線及電流一分為二，外加電源的特殊的陰極保護(hù)裝置。
3.2.2犧牲陽極的陰極保護(hù)——原電池原理從上面的分析中，我們已很清晰地界定了陰陽極，作為被犧牲的陽極材料必然接在與上面的陽極相對(duì)應(yīng)的一端。這然仍然通過中間導(dǎo)線構(gòu)成了完整原電池聯(lián)結(jié)即犧陽極的陰極保護(hù)法。這一直是較為成熟的技術(shù)，并大量用于工程保護(hù)設(shè)施上。
3.2.3犧牲陽極(原電池原理)外加電源陰極保護(hù)及綜合接地極的綜合保護(hù)從上面分析中可以看出，兩個(gè)保護(hù)原理共用一對(duì)陰陽極，徹底解決了兩套電法保護(hù)的統(tǒng)一的接線方法問題。重要的是通過整流裝置，將變壓器等接地中性點(diǎn)交流整流為一分為二反相電流分別流向陰陽兩極。構(gòu)三極一體的完整接地保護(hù)系統(tǒng)。
意義：一、保證了接地系統(tǒng)中性點(diǎn)原有工作性；二、充分利用了無效接地電流的功效；三、兩種保護(hù)原理并用于同一套系統(tǒng)工程中，接線簡單節(jié)約成本；四、使受保護(hù)體處于雙重保護(hù)之中質(zhì)量最好，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠。五、將使一直沒用得到解決的管樁防護(hù)問題第一次得到了實(shí)質(zhì)性的解決，這是本文主要目的。
4接地與管樁陰極保護(hù)原理圖
本圖中主要提出了關(guān)鍵的理論及設(shè)計(jì)思路，如電容裝置，如FS避雷器，引下線的接向，整流設(shè)施，陰極是鋼鐵材料、陽極材料應(yīng)是排在上表中第7位以前的金屬。具體還應(yīng)考慮到地質(zhì)環(huán)境及地層離子及各種參數(shù)問題，因此應(yīng)有進(jìn)一步的針對(duì)性具體設(shè)計(jì)。
以上的理論分析中，本文提出如圖3的構(gòu)圖。
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