外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在跨海大橋耐久性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用推廣
2017-05-15
1外加電流陰極保護(hù)技術(shù)
1.1 概述混凝土中鋼筋的腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過程。而電化學(xué)防護(hù)技術(shù)是用于防止鋼筋腐蝕問題的最貼切、有效的方法。用于混凝土中鋼筋腐蝕的電化學(xué)防護(hù)技術(shù)主要為外加電流陰極保護(hù)技術(shù)。
1.2 結(jié)構(gòu)原理外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理是,在鋼筋混凝土內(nèi)部放置一個(gè)永久性的輔助陽(yáng)極,在輔助陽(yáng)極與鋼筋(陰極)之間連接一個(gè)直流電源,電源的負(fù)極與鋼筋相接,正極與輔助陽(yáng)極相接,通入的直流電流的大小必須足以迫使鋼筋表面的陽(yáng)極反應(yīng)[見式(1)]完全停止,即
Fe→Fe2++2e- (1)
并使鋼筋表面僅發(fā)生式(2)所示的陰極反應(yīng):
H2O+O2+2e-→2OH- (2)
陰極反應(yīng)式(2)能產(chǎn)生氫氧根離子,使混凝土的堿度增加,這將有助于重新建立被混凝土碳酸化或氯化物侵蝕破壞的鋼筋鈍化層。在裝有外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的混凝土中,帶負(fù)電的氯離子被陰極(鋼筋)排斥,并朝著輔助陽(yáng)極的方向運(yùn)動(dòng),在輔助陽(yáng)極表面上失去電子被氧化形成氯氣:
2Cl-→Cl2(氣體)+2e-(3)
有效陰極保護(hù)的含義是,向被保護(hù)金屬注入大量電子,把整個(gè)被保護(hù)金屬的電位降低到其表面陽(yáng)極區(qū)域的電位以下,以使被保護(hù)金屬表面陽(yáng)極區(qū)域與陰極區(qū)域之間的腐蝕電流停正流動(dòng)。
1.3 經(jīng)濟(jì)分析在技術(shù)方面,如高性能混凝土提高了混凝土的耐久性、抗氯離子滲透性、抗凍融破壞性等性能、但同時(shí)也容易產(chǎn)生細(xì)小的裂縫,從而減少的混凝土防護(hù)層的厚度和氯離子滲透路徑;有機(jī)涂料可以阻隔氯離子滲透、阻銹劑能改善和提高鋼筋的防腐蝕能力,但防護(hù)期一般在15-25年,防腐保護(hù)效果不確定性大。環(huán)氧涂層鋼筋的防護(hù)期較長(zhǎng),但同時(shí)也存在著巨大的隱患,就是環(huán)氧鋼筋施工要求高,在施工過程中很難保證不產(chǎn)生部分破損,一旦產(chǎn)生破損,即使是很細(xì)小的破損,也會(huì)在其范圍內(nèi)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),加速破損處鋼筋的腐蝕,如同堅(jiān)固的大壩中存在著白蟻洞穴。
外加電流陰極保護(hù)技術(shù)不是被動(dòng)防護(hù),而是主動(dòng)預(yù)防,可對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕環(huán)境情況的監(jiān)測(cè),對(duì)鋼筋所需的保護(hù)電流、保護(hù)電位進(jìn)行24小時(shí)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié),達(dá)到主動(dòng)預(yù)防效果;即使混凝土本身存在缺陷、裂縫等,也不會(huì)對(duì)鋼筋的防護(hù)效果造成不利影響,僅引起保護(hù)電流的變化。并且保護(hù)年限根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),可超過100年。因此從實(shí)際保護(hù)效果來(lái)看,外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在防護(hù)期限和主動(dòng)控制等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
2工程實(shí)例
杭州灣大橋采用了圣維可公司的智能型計(jì)算機(jī)控制外加電流陰極防護(hù)技術(shù)對(duì)其三座主塔受腐蝕威脅最嚴(yán)重的水位變動(dòng)區(qū)及浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),被保護(hù)的混凝土面積超過7000平方米。這是鋼筋混凝土外加電流陰極預(yù)防技術(shù)在我國(guó)跨海大橋工程中應(yīng)用的第一個(gè)實(shí)例。
應(yīng)用外加電流陰極保護(hù)的原理對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行預(yù)防護(hù)和修復(fù),是目前世界上最先進(jìn),也是唯一能對(duì)海洋工程建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效修復(fù)并主動(dòng)保護(hù)的技術(shù)?？梢詮母旧辖鉀Q鋼筋腐蝕問題,使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)使用年限。
混凝土陰極保護(hù)技術(shù)不是被動(dòng)防護(hù),而是主動(dòng)預(yù)防,有顯而易見的優(yōu)越性。它主要有以下特點(diǎn):①對(duì)鋼筋的腐蝕進(jìn)行主動(dòng)防護(hù):保護(hù)系統(tǒng)電流使鋼筋混凝土中的鋼筋始終處于陰極狀態(tài),達(dá)到對(duì)鋼筋的主動(dòng)防護(hù)作用。②可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控:通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),可以準(zhǔn)確地監(jiān)控鋼筋的腐蝕情況,實(shí)時(shí)自動(dòng)地調(diào)整鋼筋保護(hù)電流和保護(hù)電位,監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。③混凝土表面裂縫對(duì)保護(hù)效果影響小:即使鋼筋混凝土本身存在缺陷或裂縫等,使鋼筋周圍的氯離子含量升高,保護(hù)系統(tǒng)也可通過改變保護(hù)電流,使鋼筋受到保護(hù)。④用電量小:EPS系統(tǒng)在正常情況下鋼筋所需的防護(hù)電流約為3mA/m2,用電省,形象地說,一只100瓦的燈泡用電量可以保護(hù)5000平方米的混凝土面積。⑤適用面廣:陰極防護(hù)防護(hù)范圍區(qū)域可是水下區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)、大氣區(qū)等各部份的混凝土結(jié)構(gòu)。⑥可設(shè)定保護(hù)期:保護(hù)年限根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),可超過100年。
3結(jié)語(yǔ)
在所有的設(shè)計(jì)壽命超過50年的新建混凝土結(jié)構(gòu)防腐方案當(dāng)中,外加電流技術(shù)有著最好的表現(xiàn)。另外,唯有外加電流技術(shù)易于進(jìn)行性能監(jiān)控,并提供給業(yè)主受保護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。表面涂層初期投資少,相對(duì)經(jīng)濟(jì),但防護(hù)期很短;環(huán)氧涂層鋼筋的缺點(diǎn)是前期投入大,易受機(jī)械損壞和施工中容易存在缺陷,因此風(fēng)險(xiǎn)大;阻銹劑的性能很大程度上未經(jīng)證實(shí),并且在35年以后變得不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施耐久性要求得到高度重視時(shí),特別是在侵蝕性的海洋環(huán)境中,外加電流防腐技術(shù)將顯示出其不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)過多年的不斷研究之后,目前陰極防護(hù)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有35年以上的歷史。迄今已有30多年的實(shí)例證明,在北美地區(qū)目前已經(jīng)約有500座橋梁運(yùn)用了陰極防護(hù)(對(duì)新建結(jié)構(gòu)而言)和陰極保護(hù)(對(duì)舊結(jié)構(gòu)而言)技術(shù),全世界也有近千萬(wàn)平方米的實(shí)例。
大力開展鋼筋混凝土陰極保護(hù)技術(shù)的研究和應(yīng)用,今后,研究和開發(fā)功能好,成本低,壽命長(zhǎng),易施工,能適合不同環(huán)境混凝土中鋼筋的陰極保護(hù)的陽(yáng)極材料仍是主要目標(biāo)。
