水下环境中的钢筋混凝土基础的阴极防腐技术的实际应用

时间:2018-3-20 8:49:00 来源:中国防腐涂料网 添加人:[db:作者]

  1简介腐蚀混凝土构件中钢筋的腐蚀是设计位于水中的结构所主要关心的问题,也是位于含盐环境或者其他腐蚀性介质中的建筑所产生的主要问题。

  在正常条件下混凝土为碱性材料,由于氢氧化钙的存在其PH值大约在12 5左右,在这个值下钢筋的表面会形成一层保护膜来抑制腐蚀活动。当PH值降低到腐蚀侵入或者碳酸饱和时,在钢筋周围的保护层会退化,腐蚀会展开。

  混凝土中的钢筋的腐蚀使混凝土开裂。钢材截面的缩小加速了钢筋的腐蚀,减少了钢筋和混凝土之间的结合。混凝土与钢材截面的缩小和它们之间相互作用的减小使结构物的刚度变小,最终引起承载能力的下降。如果这种循环作用发展下去的话,结构最终会失去作用。

  常规的非电化学复原技术例如修补,压力灌浆,或者外部涂层仅仅能够提供暂时的修复,因为这些方法只是针对腐蚀的结果而不是腐蚀问题本身。唯一的能够减轻钢筋混凝土中钢筋腐蚀的修复技术是阴极防腐技术。

  阴极防腐阴极防腐的概念是通过阳极释放电流使金属极化来达到保护目的。从外置阳极释放的电流在金属的相反方向使金属极化,因此使氧化反应降低到可以忽略的程度。

  阴极防腐通过外部直接电流应用到混凝土中的钢筋上来控制钢筋的腐蚀。在钢筋的表面提供了额外的能量来阻止腐蚀的发展。因为腐蚀本身是一个电化学反应,通过控制电流可以控制腐蚀。

  有两种阴极防腐系统:(a)外加电流系统;(b)电流阳极系统。外加电流利用外部能源提供外部阳极释放的电流到阴极保护的金属上。电流阳极系统利用金属的高电势与保护金属产生的反应提供保护电流。

  在20世纪70年代中期,由于定期维护带来的较高的费用,人们在努力寻求一种有效的修复方法,此种方法能够阻止由于腐蚀而产生的结构中混凝土强度的进一步损失,佛罗里达交通局开始了阴极防腐技术的试验。在近些年里,佛罗里达交通局在16座桥梁上安放了阴极防腐系统来减少由于腐蚀发展而产生的混凝土的强度退化。这些系统包括外加电流和电流阳极系统。其中的一些修复方法己经成为这个部门的标准方法。表1列出了本文所要讨论的引用于系统的正常工作电流和极化电压表1阴极防腐系统的通用性能系统使用期初始电流稳态电流静态初静态后始极化期极化传导橡胶水泥砂浆中的钛网结构保护层中的钛网基保护层中的钛网电弧喷镀锌阳极穿孔锌片基保护层中的锌阳极工程师,从事结构设计工作。

  2初始电压和性能当给阴极防腐系统初始电压的时候,有必要在应用防腐电流之前测量要保护金属的静态电压。此自然电势可以作为一个点,通过这个点我们可以确定阴极防腐系统所需的电流值。当系统产生电流时,电势沿相反的方向移动,使金属极化为电势阴极与外部阳极反应。也就是反方向100mV的极化电压能够提供足够的阴极保护。

  这些系统的性能可以通过监测在阴极防腐下的钢筋的电势来评估。用来确定成功性能的标准包括100mV极化电设腐蚀标准,和ELogI标准。所有这些标准中,最为通用和有效的是100mV极化电压/腐蚀标准测试。但是,对于试验系统而言,ELogI标准更加准确,因为它提供了理解和分析系统电流行为的必要信息。

  极化腐蚀试验测试的标准,假定当阻碍阴极防腐电流循环时,保护金属的电势将会失去其极化保护而变成自然电压。在这一点电压腐蚀可以测得,并且极化作用也可以通过简单的数学计算方法确定。尽管腐蚀率会因为结构的不同而变化100mV的腐蚀被确定为标注的阴极防腐判断标准。本文讨论的去极化测试结果可以在其他中找到。

  ELogI标准是通过准确测得处于阴极防腐金属的极化电压而制定。在此测试中,应用于金属的电流在预定的间隔中有较小的增量,同时电流每次增加电势的反应都会测出。得到的电压结果用应用电流值的对数形式绘出,曲线表示了系统所建立的电势特点。从这个曲线中,可以确定诸如腐蚀电流和阴极防腐最小电压和电流等参数。

  3试验系统31传导涂层系统1984年,佛罗里达交通局对第一个阴极防腐系统进行了评估。这个系统被安置在东海岸的两座有标注的梁、板和柱的桥梁上。此系统由注入大量碳来提高传导性能的具有涂层的阳极构成。阳极涂料应用于混凝土表面,并且与能够提供阴极保护电流的传感器相连。

  在桥墩上,因为涂层不能应用于潮湿的混凝土表面,所以从潮汐海拔13m的高度处应用涂层。在梁和桥板表面整个需要保护的混凝土表面全部涂上涂层。整流器安放在桥的中心部位,电线埋置在每个阴极保护区的导管内。

  在当时没有建立可行的用来估计阴极保护性能的标准,只好采用对管道的现行标准。对于初始电压,观测钢筋的电势差的初始变化。最初得到的钢材电势差满足预定的阴极防腐标准一0850V(Cu/CuS4)。在所有的梁和桥面区域,可以应用阴极防腐技术。然而,在桥墩和直接与潮水接触的构件上,系统不能将电势维持在一个可以接受的保护水平上,这个水平在一0850V以下波动。通过观测可以发现当潮水与阳极发生接触时,电流改变方向指向了潜入水中的桥墩的部分,这个潮水的改变影响了系统的电流的分布。在这些面积上的涂层与混凝土立即失去结合,沿着己经受到保护的面积产生了不均匀分布的电流系统一直保持工作状态,在结构由于功能失效的7年时间里系统进行周密的监测。

  32传导橡肢阳极系统基于以前的讨论和试验,具有统一电流分布且可以和水直接接触的专门针对桥梁基的阳极被开发出来。该阳极是由装有黑色碳的橡胶垫层构成,能产生15Qcm的电阻率。橡胶阳极有凹槽的一边可以容许在阳极混凝土接触面聚集的盐和杂质被水冲洗掉。同时,凹槽可以聚集潮气来加强混凝土阳极界面的电导。

  12m长的阳极放置在平均海拔高度的混凝土桥墩的中心。按基的尺寸和潮水改变的需要可以轻松改变其长度和宽度,尽管12m长在大多数情况下是足够的。阳极通过机械连接将有凹槽的一面安放在的表面上,或者通过硅制可循环塑性压缩仪表板,用橡胶支座将其与传导橡胶和仪表板连接起来。柔软的硅胶垫层容许传导橡胶适应混凝土表面的不规则变化。所有的这些构件用粘合剂连接,并且固定在基表面的19cm宽度不锈钢带上。整流器安放在桥梁上的方便位置,电线安置在阴极防腐区的导管内。

  安装了第一个系统用来监测,这个项目由美国联邦公路局示范性项目公司资助。一台稳定电压整流器最初是用来产生系统电流的,但是出于评估的目的后来用稳定的电流限制仪器代替了它。新的整流器在最初的极化过程中产生了预期的恒定电流,同时当需要减少电流的时候还可以通过限制预先设置电压的极限值的方法降低其电压。系统利用EL(ogI标准施加电压,此标准能确定有效的阴极防腐电流电量。

  EL(ogI测试结构表明需要的保护电流为0应的电压为一0710V(Cu/CuSO4),每倾斜4N4S方向也加了电压,EL(ogI值为0284A相应的电压为一0.359V.4N方向加了标准值之上的电压关于利用恒定电流限制电压整流器代替原有的整流器的情况,电流设置为0530A,可以保持极化的防腐电压为一(Cu/Cu-SO4)。4S方向是利用恒定电流限制电压整流器加压。通过3年定期的观测表明平均极化电势值为384mV,来自静态值。还发现在潮水溅到的面积处会发生阴极防腐极化现象,通过观测放置在海面下的阳极的电极我们发现基浸在水下的部分也会逐渐的发生极化现象。除了现场观测外,也进行了实验室的监测,来确定系统的平均有效期限。最初的结果表明使用期限在5年到17年之间长时间的实验室观测表明使用期限超过了20年。

  系统在经济上是可行的,类似的系统也安置了Ribault河的桥梁、F1和HowardFranklami的桥梁上。此系统建议安装在有初步腐蚀迹象的基上。因为阳极要求均匀的混凝土表面,要对破碎的混凝土进行修补。

  33有涂层的钛网阳极钛网阳极是一种扩展的具有催化作用的阳极,它外面有金属氧化物涂层,能够使混凝土产生334mA/m2的电流输出,而不会产生副作用影响混凝土的使用期限。阳极网片利用塑料扣件直接安装需要受到保护的结构的表面。

  网片折叠起来有12m宽,通过一根钛棒经过焊接后可以拼接在一起形成更宽的网片。钛棒延长到保护面积的外部用来和整流器中的电线形成连接。安装在混凝土上,阳极埋入混凝土5lcm的深度FDOT进行评估的这种类型的第一批系统安装在HowardFrarililarni桥的桥墩上,桥墩是由3个正方形的墩帽,3个矩形的桥墩和2个支撑构成。在涨潮的时候,桥墩的底部直接与潮水接触,此时柱子和支撑大部分保持干燥的状态。尽管此系统是一个单循环系统,在每个基础构件上还是提供了电极,以便在每个区域的电势能够单独地测量出。此系统是由阳极制造商提供的,而且在施工的过程中还提供了质量控制系统。

  在安装完毕后,系统根据ELogI标准进行加压。对于1区(柱)2区(支撑)3区(柱脚)的静态电势进行测量分别得到0290V,一0441和一0464V所有的电势都是利用埋置在混凝土中的Ag/AgCl电极测得的。对于加压情况,极化电势分别为一0357V,一0400V和一0570V.加初始化电势的两周后,极化电势测得为一域1的170mV到区域3的216mV之间变化。

  在整个测量过程中收集的电压数据表明了令人满意的情况。尽管最初的6个月,混凝土中的泥浆与水产生了接触,部分己经从原来的混凝土表面分层。这种分层是由于泥浆的物理性质所致,不能在潮湿的条件下和现有的混凝土形成良好的粘结。尽管有这种现象的出现,但是还是有保护电流从盐水中释放出来并且没有影响钢筋的保护电势。

  其他的阴极防腐系统的测试还有4h的去极化测试,产生了132~214mV的极化损失。此时,系统适用于不与潮水接触的混凝土构件。

  34封装在结构涂层中的钛网这种系统中的阳极是具有催化作用的扩展钛网阳极,等效于在前面章节中描述的阳极。此系统应用在大体积桥梁混凝土构件上,这些构件由于没有足够的配筋,或者腐蚀使本身的性能降低因而需要结构修复。此系统将结构修复和腐蚀控制结合起来。安装这个系统需要去掉现存的分层混凝土和清除混凝土表面的残余物质和暴露的钢筋。如果混凝土中的裂缝己经用水泥浆填充,催化钛网阳极就可以安装在混凝土表面。按结构维修的要求,在结构构件的周围要安装足够的钢筋笼。在现有的钢筋和新的钢筋之间要做好绝缘措施,因为在充电的时候,两个钢筋系统会产生不同的电流,由于周围混凝土的存在,较旧的钢筋会表现出较高的腐蚀情况。

  第一个这样的系统安装在佛罗里达的新月形海滩的VerleAllenP(ope桥梁上。系统安装在8个桥墩上,此结构由于体积中没有足够的钢筋致使结构退化。因此产生的裂缝使具有侵蚀作用的盐水进入混凝土中,结果使钢筋严重腐蚀和混凝土脱落。系统的设计在每个桥墩处,提供了恒定的电流电压整流器。仅仅对现有钢筋进行初始加压,在需要的时候对与系统相连的新的钢筋进行定期的监测。

  在安装完成后,FDOT的人员按ELogI标准对系统进行了加压,并对系统的性能进行严密的监测。对于4个系统的静态电势变化范围在一0523~―0603V(Cu/Cu-SO4)同时EL(ogI测试结果表明阴极防腐电势在大约100mV的周围变化。在加压的两周后,电压值从0化到了静态值0428V在进行了两年的观测后,发现系统在使电流从阳极流动到钢筋表面是很有效的,这种现象通过长期的极化电势反应可以得到证明。非常有趣的是,由于钢筋不足而产生的结构裂缝在其中的一个柱脚处当修复完毕后很快又出现了。在3年期间,出于对结构的考虑己经替换了柱脚,当柱脚破坏被替换或者是钢筋被取出后,通过对其进行可视化的检查,发现安装在钢筋上的阴极防腐系统处在一个自由腐蚀水平。

  以下的方法对于桥梁是成功的,采用了一个与其相似的系统组合在一起应用在两座桥梁上。在这些桥梁上,系统和需要先张预应力的结构修复技术组合在一起。在多数情况下这个系统证明在控制腐蚀方面是有效的。

  35外加电流CP桩涂层系统这个系统是专门对桥梁的腐蚀控制而设计的。象前面讨论的系统一样,它由外加电流构成,提供外部能量供给阴极保护电流。此系统用的阳极是扩展的钛网阳极,悬挂在标准的玻璃钢的内表面。玻璃钢放置在低海拔的柱周围并且向上延长1.8m护套长度根据现有的损坏程度确定。护套在混凝土和玻璃钢的表面提供了统一的环形空间可以注入混凝土。在CP护套外侧的任何毁坏都用较好质量的水泥进行了修复。

  佛罗里达的公路交通局采用了这个系统,首批系统安装在acksonville的Ribault河的桥梁的44个上,在这个计划中,护套12m高并且放置在高海拔的中心。这个系统包括在桥梁上的不同位置安装的4个整流器,能够在每个上提供单独的电流输出调整。安装护套的时候需要将所有老化的混凝土去掉,清除在混凝土表面的杂质和暴露的钢筋残片。因为护套最后要充满水泥浆,不需要对混凝土进行修复。阳极护套安装要注入水泥浆,导线系统安装能够提供钢筋和阳极与整流器的连接。

  在4个方向上按EL(og/标准进行加压,对其余的系统按一850mV标准。最初的电流密度在极化电势为64mA/m2的情况下以稳定的电流变化变化范围在9~22mA/m2之间。极化电势在一0.780~―0990V之间变化。在两种情况下,通过定期的电压非极化测试表明阴极防腐是有效的方法。此系统己经成为了FDOT的标准的修复技术。

  36喷射中和锌离子金属系统此系统属于中和阳极系统。利用锌阳极在钢材中有较高的电势,可以提供阴极防腐电流。锌阳极电势大约11V,当侵蚀钢材的电势为一0安装过程包括清除老化混凝土表面的杂质和利用喷砂器清除混凝土和钢筋表面的残余物质。锌离子应用在混凝土表面和钢筋的表面。在钢筋的表面喷射锌离子可以提供钢材和锌离子的电极连接。利用这种方式,锌离子直接保护暴露的钢筋,同时在混凝土内部的钢筋得到了阴极防腐电流。

  锌阳极的应用与喷涂技术相类似。手持喷枪中的两个锌线之间产生了电弧。在喷枪的喷口处锌熔化的同时将锌喷射到混凝土表面。锌涂层的厚度在038~05mm范围变化。混凝土与锌的结合强度大约是1034kPa,此系统可以起到中和电流或者外加电流系统的作用,尽管EDOT仅仅将其用在中和阳极方面。

  1989年在Niles隧道桥的5根圆形柱上,我们对此系统进行了初始评估。柱子的直径是09m,由环氧涂层钢筋构成。所有的柱子到了含有明显裂缝的腐蚀阶段。其中的3根柱子表面喷涂了锌离子,并且进行了定期的可视化监测和完整测试,以便能够观测腐蚀的发展情况。另外的两个柱子在喷涂锌离子之前安装了仪器以便能够测量电流和极化现象。在这两根柱子的锌离子表面上所有高度范围内进行了超过100mV的极化电压测量。系统分配的保护电流保持在0免A/cm2,5年后,仅仅有1根柱子的1根钢筋有腐蚀发展的迹象。

  阳极的预计使用期限在7 ~8年之间,这期间需要重新进行金属喷涂。建议系统不要应用在直接与水接触的情况,因为这样会增加阳极的消耗速度,而且明显地降低阳极的使用寿命,同时还对含有标准钢筋的结构进行了其他评估。

  在标准钢筋中保护电流的分布大约是11A/cm2,其他情况下极化电压超过了100mV与此同时,FDOT将这个系统应用在8座以上的桥梁上,喷涂锌离子的混凝土面积超过了18400m\这个系统的整体性能成功率达到了37穿孔锌板系统这种系统能够在喷涂锌离子的高度处对桥梁的混凝土提供腐蚀保护。此系统由一张锌网构成,它牢固地固定在混凝土的表面,并通过机械装置与钢筋相连。锌网从经济角度来讲是可行的,符合ASTMA―190标准,化学成分为99.9%纯锌。锌网的重量为7.9kg/m\锌网片放置在有足够大空间的笼子中,可以包在混凝土的四周。笼子通过特殊设计的方法固定在混凝土上,此方法为5根36级不锈钢带和可以循环使用的木/塑料面板。面板50%为塑料、50%为木纤维,可以在内表面形成凹槽,容许潮气的聚集还可以冲洗形成锌氧化物。锌网阳极通过多股铜线或者其他合适的连接方式与钢筋相连。

  系统安装在涨潮高度的中心处。为了对水下部分提供保护,一个重量为21.8kg的锌阳极在水面下06m的高度处附着在上。第二个阳极的主要功能是让水下的也产生极化效应,这样就可以防止在涨潮时,由于海水与多孔阳极接触使多孔锌阳极产生的电流被此区域的钢筋吸引。大体积的阳极在同一个位置与连接,象锌网阳极通过1根No 6铜线的连接情况一样。

  对此系统进行的第一阶段评估是在BBMcCormick桥的10根上进行的。所有的桥墩都安装了这个系统,可以测量钢筋的电压和电流。其中的两个桥墩每隔0305m的高度安装了此系统,进行对阳极和钢材电流密度的测试。在较低的高度且高密度电流的情况下,保护电流的密度在86~17.0mA/m2范围内变化。在桥墩处形成电势反方向的极化电势,较高海拔处的静态测量值变化水平为300 ~430mV通过计算得到由锌阳极产生的电流值超过了镀锌范围内产生的腐蚀电流,此现象可以通过测量的极化电压得以证明,因此可以提供有效的阴极防腐电流。而且利用循环使用的材料,在需要较少维护的同时造价也很低,是一种相对于外加电流系统更具有吸引力的替代方法。

  38中和阴级防腐桩护套中和阴极防腐系统是由佛罗里达交通运输局开发的能对桥梁桥墩实现阴极防腐的系统。桥梁的桥墩由于腐蚀的发展需要对其进行修复。此系统保护了桥墩水下的部分、水侵蚀的部分和在上的部分。系统由标准的锌护套构成,能够在内部提供扩展的锌阳极网,在水下06m处还可以安装大体积与钢筋相连的锌阳极。如果有必要,喷涂锌离子可以应用在护套的上面来控制在这个高度处的任何腐蚀。

  护套分成两片,其中有固定的玻璃钢可以在护套的内表面预先安装扩展锌网。

  安装步骤包括去除桥墩表面的老化的混凝土,清理混凝土残余物和暴露的钢筋。然后将护套从较低的海拔高度开始安装在桥墩的周围,在桥墩的表面和玻璃钢之间留有51cm的环形间隙。大体积阳极安装在水下的指定位置,连接线缆位于护套的上方和阳极钢筋连接的位置。然后在护套中注入砂浆,锌阳极网片和锌阳极就和钢筋连接起来。

  填充的材料为单位体积的水泥最小量为558kg/m3的波特兰水泥砂浆。

  最初的现场测试是在Broward河大桥的两个标准的钢筋混凝土桥墩上进行的。桥墩上安装了能够测量系统电流和钢筋电势的仪器。采用了NACE的极化电压100mV和极化损失标准对阴极防腐系统性能进行评估。在加压的时候,钢筋的电势从平均的静态值一0305V变化到平均电势值一0408V,同时包括极化电压一400天后,电势提高到了一0676V包括极化电压一0533V.与此同时在其他的桥墩上进行极化电压损失测试,桥墩A的损失为118mV,桥墩B的损失为165mV此系统的耗资与标准的桥墩护套的耗资比较起来是令人满意的。

  4总结佛罗里达交通局利用阴极防腐技术减少混凝土中的钢筋的腐蚀,此项工程进行了20多年。同时,阴极防腐技术己经发展成为实用并得到国际认可的控制腐蚀的方法。

  不同于修复技术或者护套技术,阴极防腐技术阻止了由于腐蚀的发展而引起的原有混凝土的进一步腐蚀。

  虽然在所有的应用中不能采用同一种防腐技术,几种技术的可行性保证了阴极防腐方法可以应用在单独简单的结构或更为复杂的结构。

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