外加電流陰極保護技術(shù)在跨海大橋耐久性設(shè)計中的應(yīng)用推廣
2017-05-15
1外加電流陰極保護技術(shù)
1.1 概述混凝土中鋼筋的腐蝕是一個電化學過程。而電化學防護技術(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防護技術(shù)主要為外加電流陰極保護技術(shù)。
1.2 結(jié)構(gòu)原理外加電流陰極保護技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理是,在鋼筋混凝土內(nèi)部放置一個永久性的輔助陽極,在輔助陽極與鋼筋(陰極)之間連接一個直流電源,電源的負極與鋼筋相接,正極與輔助陽極相接,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系統(tǒng)的混凝土中,帶負電的氯離子被陰極(鋼筋)排斥,并朝著輔助陽極的方向運動,在輔助陽極表面上失去電子被氧化形成氯氣:
2Cl-→Cl2(氣體)+2e-(3)
有效陰極保護的含義是,向被保護金屬注入大量電子,把整個被保護金屬的電位降低到其表面陽極區(qū)域的電位以下,以使被保護金屬表面陽極區(qū)域與陰極區(qū)域之間的腐蝕電流停正流動。
1.3 經(jīng)濟分析在技術(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、但同時也容易產(chǎn)生細小的裂縫,從而減少的混凝土防護層的厚度和氯離子滲透路徑;有機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,但防護期一般在15-25年,防腐保護效果不確定性大。環(huán)氧涂層鋼筋的防護期較長,但同時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,即使是很細小的破損,也會在其范圍內(nèi)產(chǎn)生電化學反應(yīng),加速破損處鋼筋的腐蝕,如同堅固的大壩中存在著白蟻洞穴。
外加電流陰極保護技術(shù)不是被動防護,而是主動預(yù)防,可對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕環(huán)境情況的監(jiān)測,對鋼筋所需的保護電流、保護電位進行24小時遠程計算機自動控制和調(diào)節(jié),達到主動預(yù)防效果;即使混凝土本身存在缺陷、裂縫等,也不會對鋼筋的防護效果造成不利影響,僅引起保護電流的變化。并且保護年限根據(jù)要求進行設(shè)計,可超過100年。因此從實際保護效果來看,外加電流陰極保護技術(shù)在防護期限和主動控制等方面具有顯著的優(yōu)勢。
2工程實例
杭州灣大橋采用了圣維可公司的智能型計算機控制外加電流陰極防護技術(shù)對其三座主塔受腐蝕威脅最嚴重的水位變動區(qū)及浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)進行保護,被保護的混凝土面積超過7000平方米。這是鋼筋混凝土外加電流陰極預(yù)防技術(shù)在我國跨海大橋工程中應(yīng)用的第一個實例。
應(yīng)用外加電流陰極保護的原理對鋼筋混凝土進行預(yù)防護和修復(fù),是目前世界上最先進,也是唯一能對海洋工程建筑混凝土結(jié)構(gòu)進行有效修復(fù)并主動保護的技術(shù)?？梢詮母旧辖鉀Q鋼筋腐蝕問題,使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠達到更長的設(shè)計使用年限。
混凝土陰極保護技術(shù)不是被動防護,而是主動預(yù)防,有顯而易見的優(yōu)越性。它主要有以下特點:①對鋼筋的腐蝕進行主動防護:保護系統(tǒng)電流使鋼筋混凝土中的鋼筋始終處于陰極狀態(tài),達到對鋼筋的主動防護作用。②可實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控:通過自動監(jiān)控系統(tǒng),可以準確地監(jiān)控鋼筋的腐蝕情況,實時自動地調(diào)整鋼筋保護電流和保護電位,監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。③混凝土表面裂縫對保護效果影響小: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,保護系統(tǒng)也可通過改變保護電流,使鋼筋受到保護。④用電量小:EPS系統(tǒng)在正常情況下鋼筋所需的防護電流約為3mA/m2,用電省,形象地說,一只100瓦的燈泡用電量可以保護5000平方米的混凝土面積。⑤適用面廣:陰極防護防護范圍區(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)定保護期:保護年限根據(jù)要求進行設(shè)計,可超過100年。
3結(jié)語
在所有的設(shè)計壽命超過50年的新建混凝土結(jié)構(gòu)防腐方案當中,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)易于進行性能監(jiān)控,并提供給業(yè)主受保護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。表面涂層初期投資少,相對經(jīng)濟,但防護期很短;環(huán)氧涂層鋼筋的缺點是前期投入大,易受機械損壞和施工中容易存在缺陷,因此風險大;阻銹劑的性能很大程度上未經(jīng)證實,并且在35年以后變得不經(jīng)濟。當建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施耐久性要求得到高度重視時,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。
經(jīng)過多年的不斷研究之后,目前陰極防護技術(shù)實際應(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多年的實例證明,在北美地區(qū)目前已經(jīng)約有500座橋梁運用了陰極防護(對新建結(jié)構(gòu)而言)和陰極保護(對舊結(jié)構(gòu)而言)技術(shù),全世界也有近千萬平方米的實例。
大力開展鋼筋混凝土陰極保護技術(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,易施工,能適合不同環(huán)境混凝土中鋼筋的陰極保護的陽極材料仍是主要目標。
