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水下環境中的鋼筋混凝土基礎的陰極防腐技術的實際應用

技術應用 | 來源:中國防腐涂料網 | 作者:[db:作者] 發布日期:2018-03-20 查看次數:2797

核心提示:  1簡介腐蝕混凝土構件中鋼筋的腐蝕是設計位于水中的結構所主要關心的問題,也是位于含鹽環境或者其他腐蝕性介質中的建筑所產生的主要問題。  在正常條件下混凝土為堿性材料,由于氫氧化鈣的存在其PH值大約在

  1簡介腐蝕混凝土構件中鋼筋的腐蝕是設計位于水中的結構所主要關心的問題,也是位于含鹽環境或者其他腐蝕性介質中的建筑所產生的主要問題。

  在正常條件下混凝土為堿性材料,由于氫氧化鈣的存在其PH值大約在12 5左右,在這個值下鋼筋的表面會形成一層保護膜來抑制腐蝕活動。當PH值降低到腐蝕侵入或者碳酸飽和時,在鋼筋周圍的保護層會退化,腐蝕會展開。

  混凝土中的鋼筋的腐蝕使混凝土開裂。鋼材截面的縮小加速了鋼筋的腐蝕,減少了鋼筋和混凝土之間的結合。混凝土與鋼材截面的縮小和它們之間相互作用的減小使結構物的剛度變小,最終引起承載能力的下降。如果這種循環作用發展下去的話,結構最終會失去作用。

  常規的非電化學復原技術例如修補,壓力灌漿,或者外部涂層僅僅能夠提供暫時的修復,因為這些方法只是針對腐蝕的結果而不是腐蝕問題本身。唯一的能夠減輕鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的修復技術是陰極防腐技術。

  陰極防腐陰極防腐的概念是通過陽極釋放電流使金屬極化來達到保護目的。從外置陽極釋放的電流在金屬的相反方向使金屬極化,因此使氧化反應降低到可以忽略的程度。

  陰極防腐通過外部直接電流應用到混凝土中的鋼筋上來控制鋼筋的腐蝕。在鋼筋的表面提供了額外的能量來阻止腐蝕的發展。因為腐蝕本身是一個電化學反應,通過控制電流可以控制腐蝕。

  有兩種陰極防腐系統:(a)外加電流系統;(b)電流陽極系統。外加電流利用外部能源提供外部陽極釋放的電流到陰極保護的金屬上。電流陽極系統利用金屬的高電勢與保護金屬產生的反應提供保護電流。

  在20世紀70年代中期,由于定期維護帶來的較高的費用,人們在努力尋求一種有效的修復方法,此種方法能夠阻止由于腐蝕而產生的結構中混凝土強度的進一步損失,佛羅里達交通局開始了陰極防腐技術的試驗。在近些年里,佛羅里達交通局在16座橋梁上安放了陰極防腐系統來減少由于腐蝕發展而產生的混凝土的強度退化。這些系統包括外加電流和電流陽極系統。其中的一些修復方法己經成為這個部門的標準方法。表1列出了本文所要討論的引用于系統的正常工作電流和極化電壓表1陰極防腐系統的通用性能系統使用期初始電流穩態電流靜態初靜態后始極化期極化傳導橡膠水泥砂漿中的鈦網結構保護層中的鈦網基保護層中的鈦網電弧噴鍍鋅陽極穿孔鋅片基保護層中的鋅陽極工程師,從事結構設計工作。

  2初始電壓和性能當給陰極防腐系統初始電壓的時候,有必要在應用防腐電流之前測量要保護金屬的靜態電壓。此自然電勢可以作為一個點,通過這個點我們可以確定陰極防腐系統所需的電流值。當系統產生電流時,電勢沿相反的方向移動,使金屬極化為電勢陰極與外部陽極反應。也就是反方向100mV的極化電壓能夠提供足夠的陰極保護。

  這些系統的性能可以通過監測在陰極防腐下的鋼筋的電勢來評估。用來確定成功性能的標準包括100mV極化電設腐蝕標準,和ELogI標準。所有這些標準中,最為通用和有效的是100mV極化電壓/腐蝕標準測試。但是,對于試驗系統而言,ELogI標準更加準確,因為它提供了理解和分析系統電流行為的必要信息。

  極化腐蝕試驗測試的標準,假定當阻礙陰極防腐電流循環時,保護金屬的電勢將會失去其極化保護而變成自然電壓。在這一點電壓腐蝕可以測得,并且極化作用也可以通過簡單的數學計算方法確定。盡管腐蝕率會因為結構的不同而變化100mV的腐蝕被確定為標注的陰極防腐判斷標準。本文討論的去極化測試結果可以在其他中找到。

  ELogI標準是通過準確測得處于陰極防腐金屬的極化電壓而制定。在此測試中,應用于金屬的電流在預定的間隔中有較小的增量,同時電流每次增加電勢的反應都會測出。得到的電壓結果用應用電流值的對數形式繪出,曲線表示了系統所建立的電勢特點。從這個曲線中,可以確定諸如腐蝕電流和陰極防腐最小電壓和電流等參數。

  3試驗系統31傳導涂層系統1984年,佛羅里達交通局對第一個陰極防腐系統進行了評估。這個系統被安置在東海岸的兩座有標注的梁、板和柱的橋梁上。此系統由注入大量碳來提高傳導性能的具有涂層的陽極構成。陽極涂料應用于混凝土表面,并且與能夠提供陰極保護電流的傳感器相連。

  在橋墩上,因為涂層不能應用于潮濕的混凝土表面,所以從潮汐海拔13m的高度處應用涂層。在梁和橋板表面整個需要保護的混凝土表面全部涂上涂層。整流器安放在橋的中心部位,電線埋置在每個陰極保護區的導管內。

  在當時沒有建立可行的用來估計陰極保護性能的標準,只好采用對管道的現行標準。對于初始電壓,觀測鋼筋的電勢差的初始變化。最初得到的鋼材電勢差滿足預定的陰極防腐標準一0850V(Cu/CuS4)。在所有的梁和橋面區域,可以應用陰極防腐技術。然而,在橋墩和直接與潮水接觸的構件上,系統不能將電勢維持在一個可以接受的保護水平上,這個水平在一0850V以下波動。通過觀測可以發現當潮水與陽極發生接觸時,電流改變方向指向了潛入水中的橋墩的部分,這個潮水的改變影響了系統的電流的分布。在這些面積上的涂層與混凝土立即失去結合,沿著己經受到保護的面積產生了不均勻分布的電流系統一直保持工作狀態,在結構由于功能失效的7年時間里系統進行周密的監測。

  32傳導橡肢陽極系統基于以前的討論和試驗,具有統一電流分布且可以和水直接接觸的專門針對橋梁基的陽極被開發出來。該陽極是由裝有黑色碳的橡膠墊層構成,能產生15Qcm的電阻率。橡膠陽極有凹槽的一邊可以容許在陽極混凝土接觸面聚集的鹽和雜質被水沖洗掉。同時,凹槽可以聚集潮氣來加強混凝土陽極界面的電導。

  12m長的陽極放置在平均海拔高度的混凝土橋墩的中心。按基的尺寸和潮水改變的需要可以輕松改變其長度和寬度,盡管12m長在大多數情況下是足夠的。陽極通過機械連接將有凹槽的一面安放在的表面上,或者通過硅制可循環塑性壓縮儀表板,用橡膠支座將其與傳導橡膠和儀表板連接起來。柔軟的硅膠墊層容許傳導橡膠適應混凝土表面的不規則變化。所有的這些構件用粘合劑連接,并且固定在基表面的19cm寬度不銹鋼帶上。整流器安放在橋梁上的方便位置,電線安置在陰極防腐區的導管內。

  安裝了第一個系統用來監測,這個項目由美國聯邦公路局示范性項目公司資助。一臺穩定電壓整流器最初是用來產生系統電流的,但是出于評估的目的后來用穩定的電流限制儀器代替了它。新的整流器在最初的極化過程中產生了預期的恒定電流,同時當需要減少電流的時候還可以通過限制預先設置電壓的極限值的方法降低其電壓。系統利用EL(ogI標準施加電壓,此標準能確定有效的陰極防腐電流電量。

  EL(ogI測試結構表明需要的保護電流為0應的電壓為一0710V(Cu/CuSO4),每傾斜4N4S方向也加了電壓,EL(ogI值為0284A相應的電壓為一0.359V.4N方向加了標準值之上的電壓關于利用恒定電流限制電壓整流器代替原有的整流器的情況,電流設置為0530A,可以保持極化的防腐電壓為一(Cu/Cu-SO4)。4S方向是利用恒定電流限制電壓整流器加壓。通過3年定期的觀測表明平均極化電勢值為384mV,來自靜態值。還發現在潮水濺到的面積處會發生陰極防腐極化現象,通過觀測放置在海面下的陽極的電極我們發現基浸在水下的部分也會逐漸的發生極化現象。除了現場觀測外,也進行了實驗室的監測,來確定系統的平均有效期限。最初的結果表明使用期限在5年到17年之間長時間的實驗室觀測表明使用期限超過了20年。

  系統在經濟上是可行的,類似的系統也安置了Ribault河的橋梁、F1和HowardFranklami的橋梁上。此系統建議安裝在有初步腐蝕跡象的基上。因為陽極要求均勻的混凝土表面,要對破碎的混凝土進行修補。

  33有涂層的鈦網陽極鈦網陽極是一種擴展的具有催化作用的陽極,它外面有金屬氧化物涂層,能夠使混凝土產生334mA/m2的電流輸出,而不會產生副作用影響混凝土的使用期限。陽極網片利用塑料扣件直接安裝需要受到保護的結構的表面。

  網片折疊起來有12m寬,通過一根鈦棒經過焊接后可以拼接在一起形成更寬的網片。鈦棒延長到保護面積的外部用來和整流器中的電線形成連接。安裝在混凝土上,陽極埋入混凝土5lcm的深度FDOT進行評估的這種類型的第一批系統安裝在HowardFrarililarni橋的橋墩上,橋墩是由3個正方形的墩帽,3個矩形的橋墩和2個支撐構成。在漲潮的時候,橋墩的底部直接與潮水接觸,此時柱子和支撐大部分保持干燥的狀態。盡管此系統是一個單循環系統,在每個基礎構件上還是提供了電極,以便在每個區域的電勢能夠單獨地測量出。此系統是由陽極制造商提供的,而且在施工的過程中還提供了質量控制系統。

  在安裝完畢后,系統根據ELogI標準進行加壓。對于1區(柱)2區(支撐)3區(柱腳)的靜態電勢進行測量分別得到0290V,一0441和一0464V所有的電勢都是利用埋置在混凝土中的Ag/AgCl電極測得的。對于加壓情況,極化電勢分別為一0357V,一0400V和一0570V.加初始化電勢的兩周后,極化電勢測得為一域1的170mV到區域3的216mV之間變化。

  在整個測量過程中收集的電壓數據表明了令人滿意的情況。盡管最初的6個月,混凝土中的泥漿與水產生了接觸,部分己經從原來的混凝土表面分層。這種分層是由于泥漿的物理性質所致,不能在潮濕的條件下和現有的混凝土形成良好的粘結。盡管有這種現象的出現,但是還是有保護電流從鹽水中釋放出來并且沒有影響鋼筋的保護電勢。

  其他的陰極防腐系統的測試還有4h的去極化測試,產生了132~214mV的極化損失。此時,系統適用于不與潮水接觸的混凝土構件。

  34封裝在結構涂層中的鈦網這種系統中的陽極是具有催化作用的擴展鈦網陽極,等效于在前面章節中描述的陽極。此系統應用在大體積橋梁混凝土構件上,這些構件由于沒有足夠的配筋,或者腐蝕使本身的性能降低因而需要結構修復。此系統將結構修復和腐蝕控制結合起來。安裝這個系統需要去掉現存的分層混凝土和清除混凝土表面的殘余物質和暴露的鋼筋。如果混凝土中的裂縫己經用水泥漿填充,催化鈦網陽極就可以安裝在混凝土表面。按結構維修的要求,在結構構件的周圍要安裝足夠的鋼筋籠。在現有的鋼筋和新的鋼筋之間要做好絕緣措施,因為在充電的時候,兩個鋼筋系統會產生不同的電流,由于周圍混凝土的存在,較舊的鋼筋會表現出較高的腐蝕情況。

  第一個這樣的系統安裝在佛羅里達的新月形海灘的VerleAllenP(ope橋梁上。系統安裝在8個橋墩上,此結構由于體積中沒有足夠的鋼筋致使結構退化。因此產生的裂縫使具有侵蝕作用的鹽水進入混凝土中,結果使鋼筋嚴重腐蝕和混凝土脫落。系統的設計在每個橋墩處,提供了恒定的電流電壓整流器。僅僅對現有鋼筋進行初始加壓,在需要的時候對與系統相連的新的鋼筋進行定期的監測。

  在安裝完成后,FDOT的人員按ELogI標準對系統進行了加壓,并對系統的性能進行嚴密的監測。對于4個系統的靜態電勢變化范圍在一0523~―0603V(Cu/Cu-SO4)同時EL(ogI測試結果表明陰極防腐電勢在大約100mV的周圍變化。在加壓的兩周后,電壓值從0化到了靜態值0428V在進行了兩年的觀測后,發現系統在使電流從陽極流動到鋼筋表面是很有效的,這種現象通過長期的極化電勢反應可以得到證明。非常有趣的是,由于鋼筋不足而產生的結構裂縫在其中的一個柱腳處當修復完畢后很快又出現了。在3年期間,出于對結構的考慮己經替換了柱腳,當柱腳破壞被替換或者是鋼筋被取出后,通過對其進行可視化的檢查,發現安裝在鋼筋上的陰極防腐系統處在一個自由腐蝕水平。

  以下的方法對于橋梁是成功的,采用了一個與其相似的系統組合在一起應用在兩座橋梁上。在這些橋梁上,系統和需要先張預應力的結構修復技術組合在一起。在多數情況下這個系統證明在控制腐蝕方面是有效的。

  35外加電流CP樁涂層系統這個系統是專門對橋梁的腐蝕控制而設計的。象前面討論的系統一樣,它由外加電流構成,提供外部能量供給陰極保護電流。此系統用的陽極是擴展的鈦網陽極,懸掛在標準的玻璃鋼的內表面。玻璃鋼放置在低海拔的柱周圍并且向上延長1.8m護套長度根據現有的損壞程度確定。護套在混凝土和玻璃鋼的表面提供了統一的環形空間可以注入混凝土。在CP護套外側的任何毀壞都用較好質量的水泥進行了修復。

  佛羅里達的公路交通局采用了這個系統,首批系統安裝在acksonville的Ribault河的橋梁的44個上,在這個計劃中,護套12m高并且放置在高海拔的中心。這個系統包括在橋梁上的不同位置安裝的4個整流器,能夠在每個上提供單獨的電流輸出調整。安裝護套的時候需要將所有老化的混凝土去掉,清除在混凝土表面的雜質和暴露的鋼筋殘片。因為護套最后要充滿水泥漿,不需要對混凝土進行修復。陽極護套安裝要注入水泥漿,導線系統安裝能夠提供鋼筋和陽極與整流器的連接。

  在4個方向上按EL(og/標準進行加壓,對其余的系統按一850mV標準。最初的電流密度在極化電勢為64mA/m2的情況下以穩定的電流變化變化范圍在9~22mA/m2之間。極化電勢在一0.780~―0990V之間變化。在兩種情況下,通過定期的電壓非極化測試表明陰極防腐是有效的方法。此系統己經成為了FDOT的標準的修復技術。

  36噴射中和鋅離子金屬系統此系統屬于中和陽極系統。利用鋅陽極在鋼材中有較高的電勢,可以提供陰極防腐電流。鋅陽極電勢大約11V,當侵蝕鋼材的電勢為一0安裝過程包括清除老化混凝土表面的雜質和利用噴砂器清除混凝土和鋼筋表面的殘余物質。鋅離子應用在混凝土表面和鋼筋的表面。在鋼筋的表面噴射鋅離子可以提供鋼材和鋅離子的電極連接。利用這種方式,鋅離子直接保護暴露的鋼筋,同時在混凝土內部的鋼筋得到了陰極防腐電流。

  鋅陽極的應用與噴涂技術相類似。手持噴槍中的兩個鋅線之間產生了電弧。在噴槍的噴口處鋅熔化的同時將鋅噴射到混凝土表面。鋅涂層的厚度在038~05mm范圍變化。混凝土與鋅的結合強度大約是1034kPa,此系統可以起到中和電流或者外加電流系統的作用,盡管EDOT僅僅將其用在中和陽極方面。

  1989年在Niles隧道橋的5根圓形柱上,我們對此系統進行了初始評估。柱子的直徑是09m,由環氧涂層鋼筋構成。所有的柱子到了含有明顯裂縫的腐蝕階段。其中的3根柱子表面噴涂了鋅離子,并且進行了定期的可視化監測和完整測試,以便能夠觀測腐蝕的發展情況。另外的兩個柱子在噴涂鋅離子之前安裝了儀器以便能夠測量電流和極化現象。在這兩根柱子的鋅離子表面上所有高度范圍內進行了超過100mV的極化電壓測量。系統分配的保護電流保持在0免A/cm2,5年后,僅僅有1根柱子的1根鋼筋有腐蝕發展的跡象。

  陽極的預計使用期限在7 ~8年之間,這期間需要重新進行金屬噴涂。建議系統不要應用在直接與水接觸的情況,因為這樣會增加陽極的消耗速度,而且明顯地降低陽極的使用壽命,同時還對含有標準鋼筋的結構進行了其他評估。

  在標準鋼筋中保護電流的分布大約是11A/cm2,其他情況下極化電壓超過了100mV與此同時,FDOT將這個系統應用在8座以上的橋梁上,噴涂鋅離子的混凝土面積超過了18400m\這個系統的整體性能成功率達到了37穿孔鋅板系統這種系統能夠在噴涂鋅離子的高度處對橋梁的混凝土提供腐蝕保護。此系統由一張鋅網構成,它牢固地固定在混凝土的表面,并通過機械裝置與鋼筋相連。鋅網從經濟角度來講是可行的,符合ASTMA―190標準,化學成分為99.9%純鋅。鋅網的重量為7.9kg/m\鋅網片放置在有足夠大空間的籠子中,可以包在混凝土的四周。籠子通過特殊設計的方法固定在混凝土上,此方法為5根36級不銹鋼帶和可以循環使用的木/塑料面板。面板50%為塑料、50%為木纖維,可以在內表面形成凹槽,容許潮氣的聚集還可以沖洗形成鋅氧化物。鋅網陽極通過多股銅線或者其他合適的連接方式與鋼筋相連。

  系統安裝在漲潮高度的中心處。為了對水下部分提供保護,一個重量為21.8kg的鋅陽極在水面下06m的高度處附著在上。第二個陽極的主要功能是讓水下的也產生極化效應,這樣就可以防止在漲潮時,由于海水與多孔陽極接觸使多孔鋅陽極產生的電流被此區域的鋼筋吸引。大體積的陽極在同一個位置與連接,象鋅網陽極通過1根No 6銅線的連接情況一樣。

  對此系統進行的第一階段評估是在BBMcCormick橋的10根上進行的。所有的橋墩都安裝了這個系統,可以測量鋼筋的電壓和電流。其中的兩個橋墩每隔0305m的高度安裝了此系統,進行對陽極和鋼材電流密度的測試。在較低的高度且高密度電流的情況下,保護電流的密度在86~17.0mA/m2范圍內變化。在橋墩處形成電勢反方向的極化電勢,較高海拔處的靜態測量值變化水平為300 ~430mV通過計算得到由鋅陽極產生的電流值超過了鍍鋅范圍內產生的腐蝕電流,此現象可以通過測量的極化電壓得以證明,因此可以提供有效的陰極防腐電流。而且利用循環使用的材料,在需要較少維護的同時造價也很低,是一種相對于外加電流系統更具有吸引力的替代方法。

  38中和陰級防腐樁護套中和陰極防腐系統是由佛羅里達交通運輸局開發的能對橋梁橋墩實現陰極防腐的系統。橋梁的橋墩由于腐蝕的發展需要對其進行修復。此系統保護了橋墩水下的部分、水侵蝕的部分和在上的部分。系統由標準的鋅護套構成,能夠在內部提供擴展的鋅陽極網,在水下06m處還可以安裝大體積與鋼筋相連的鋅陽極。如果有必要,噴涂鋅離子可以應用在護套的上面來控制在這個高度處的任何腐蝕。

  護套分成兩片,其中有固定的玻璃鋼可以在護套的內表面預先安裝擴展鋅網。

  安裝步驟包括去除橋墩表面的老化的混凝土,清理混凝土殘余物和暴露的鋼筋。然后將護套從較低的海拔高度開始安裝在橋墩的周圍,在橋墩的表面和玻璃鋼之間留有51cm的環形間隙。大體積陽極安裝在水下的指定位置,連接線纜位于護套的上方和陽極鋼筋連接的位置。然后在護套中注入砂漿,鋅陽極網片和鋅陽極就和鋼筋連接起來。

  填充的材料為單位體積的水泥最小量為558kg/m3的波特蘭水泥砂漿。

  最初的現場測試是在Broward河大橋的兩個標準的鋼筋混凝土橋墩上進行的。橋墩上安裝了能夠測量系統電流和鋼筋電勢的儀器。采用了NACE的極化電壓100mV和極化損失標準對陰極防腐系統性能進行評估。在加壓的時候,鋼筋的電勢從平均的靜態值一0305V變化到平均電勢值一0408V,同時包括極化電壓一400天后,電勢提高到了一0676V包括極化電壓一0533V.與此同時在其他的橋墩上進行極化電壓損失測試,橋墩A的損失為118mV,橋墩B的損失為165mV此系統的耗資與標準的橋墩護套的耗資比較起來是令人滿意的。

  4總結佛羅里達交通局利用陰極防腐技術減少混凝土中的鋼筋的腐蝕,此項工程進行了20多年。同時,陰極防腐技術己經發展成為實用并得到國際認可的控制腐蝕的方法。

  不同于修復技術或者護套技術,陰極防腐技術阻止了由于腐蝕的發展而引起的原有混凝土的進一步腐蝕。

  雖然在所有的應用中不能采用同一種防腐技術,幾種技術的可行性保證了陰極防腐方法可以應用在單獨簡單的結構或更為復雜的結構。

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