外发区钢筋混凝土结构耐久性研究

外发区钢筋混凝土结构耐久性研究

1混凝土结构耐久性研究钢筋混凝土结构是目前最广泛使用的结构形式之一，长期以来一直被认为是一种不可长期的东西。直到上世纪70年代末,混凝土结构的基础设施在恶劣环境下出现了过早破坏。沿海混凝土结构耐久性不足已经造成严重的经济损失和资源浪费。随着建筑物的老化和环境污染的加重,钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上,Mehta教授明确地将“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。2外阻抗剂的原理和应用2.1电流阳极防护原理根据金属腐蚀的电化学原理,金属在自然状态下,表面会形成阳极区和阴极区。见图1,阳极区放出自由电子,金属受到腐蚀;阴极区得到电子,金属受到保护。外加电流阴极防护的原理就是通过外加电流,把电源正极连接在难溶性辅助阳极上强制形成阳极区;把电源的负极连接在受保护的钢筋上,强制形成阴极区。阳极与被保护的钢筋均处于连续的电介质中,使被保护的钢筋接触电解质的全部表面都充分而且均匀地接受自由电子,从而受到阴极保护。外加电流阴极防护原理见图2。2.2钢筋点腐蚀和阴极保护的确定方法外加电流阴极防护技术可分为对新结构的外加电流阴极预防和对旧结构的外加电流阴极保护两类。这两类技术的最大区别在于阴极预防技术所需的电流要大大低于阴极保护。从而使造价也大大降低。两类技术都可以应用在整个钢筋混凝土结构或者结构的某一部分,以防止钢筋锈蚀,达到延长结构使用寿命的目的。20世纪70年代,Pourbaix在阐述点腐蚀的产生和传播条件时提出了“不完全阴极”和“完全阴极”的概念。相对于饱和甘汞参比电极,钢筋的不腐蚀电位范围为-200～0mV,但氯离子的含量超过0.4%(与水泥的重量比),点腐蚀就会发生,见图3。阴极预防①→②→③→;阴极保护①→④→⑥→。阴极预防是“完全阴极”,而阴极保护是“不完全阴极”。可以看出,对于阴极预防技术,在钢筋还未发生腐蚀的前提下,只要稍微降低一点电位(①→②),就可以保证钢筋不发生腐蚀(②→③→),达到对钢筋腐蚀的完全预防;对于阴极保护,由于在实施阴极保护前,钢筋已经发生了点腐蚀(①→④),因此必须降低较大电位(④→⑥→或④→⑤→),才能达到对钢筋的保护效果。阴极预防相对于阴极保护的基本优点就在于只需要很小的电流就能防止钢筋点腐蚀的初始开展。通常阴极预防的操作电流只需每平方米钢筋表面积1～2mA,而阴极保护所需的正常电流为每平方米钢筋表面积10mA。除了这个优点以外,辅助阳极的尺寸可以减小,阳极之间的间距可以增加。因此,阴极预防系统的费用远低于阴极保护系统的费用。2.3使用钛合金阴极保护系统钢筋混凝土外加电流阴极防护技术在国际上已被证明是非常可靠的技术并得到广泛采用。截至1999年,海工结构上的使用面积已达130万m2。最早,外加电流阴极防护技术是应用在旧有结构的修复方面。阴极保护系统应用的最典型实例是布里斯班港4、5号泊位。该工程实施阴极保护面积5000m2,使用钛合金阳极条3km。工程在实施阴极保护前,腐蚀情况十分严重(见图4),实施阴极保护系统的安装,并进行修复后的结构见图5、图6。除了布里斯班港的修复工程外,著名的悉尼歌剧院、珍珠港海军基地码头、东京湾的大井(Ohi)码头、中尉(Lieutenant)大桥和斯马特(Smart)公路大桥等均采用了外加电流阴极保护系统。随着阴极保护系统的成功应用和对混凝土结构耐久性的日益重视,新建结构中也逐渐采用了外加电流的阴极预防技术。例如,20世纪90年代初,意大利在特里诺-费雷诺斯(Torino-Frejus)主干高速公路的桥梁上大面积采用外加电流阴极预防技术,总面积达93718m2。3杭州跨海大桥的北极防护体系3.1主塔浪累区部位的防腐设计杭州湾跨海大桥南、北航道桥采用斜拉桥结构。南航道桥为单塔双索面,采用A形主塔,塔顶高程202.0m,塔柱底面高程7.7m;塔柱下设置塔座,塔座为圆台,厚2.5m;塔座下为哑铃形承台,顶面高程5.2m,底面高程-0.8m,北航道桥为双塔双索面,采用钻石形主塔。为保证索塔结构的耐久性,原设计在塔柱浪溅区(10.2m标高)以下以及塔座、承台均采用环氧钢筋。在工程实施前,对环氧钢筋和外加电流阴极防护技术重新进行了深入的技术经济比较,在不增加费用的前提下,采用阴极防护技术对保证结构的耐久性具有更多的优势。据此,最终确定采用阴极防护技术取代环氧钢筋,作为主塔浪溅区以下部位的防腐蚀措施。南航道桥索塔、承台保护的表面积为3115.2m2,北航道桥索塔、承台保护的表面积为3975.6m2,共计7090.8m2。3.2系统设计3.2.1自动监控系统大桥外加电流阴极防护系统由芬兰圣维可集团提供,采用文献标准进行设计。主要技术要求包括:阳极材料在正常运行的电流密度条件下,结构钢筋始终处于阴极状态而不发生锈蚀,确保满足结构最少100年的使用寿命;针对不同的腐蚀环境进行相应的设计,采用全自动监控系统自动调节电量,以确保100%的电流分布与传递,并避免过度保护现象;采用合适的参比电极,使防护系统能够长期监测。3.2.2控制和监控设施大桥外加电流阴极防护系统主要包括:活性钛金属阳极网条、钛导电条、水泥垫条、银/氯化银以及钛参比电极、正极电接头、负极电接头、参比电极回路电接头、电缆和配件、接线箱、RECON控制系统、计算机控制、遥控监控管理系统等。图7为系统组装简图。3.2.3结构分区的依据阴极防护系统根据需要进行分区,在结构使用寿命内,监控结构不同位置电流和电压的输出,分区的依据是结构不同位置的不同腐蚀环境。根据暴露环境的不同,对需要进行阴极防护的3个主塔及承台分别进行系统分区。北航道桥北塔阴极防护系统分区见表1和图8。3.2.4recon控制模块设计钛金属网阳极和钢筋阴极的电导线以及测量钢筋实际电位的参比电极的正负回路的导线从防护系统中引出,进入RECON控制系统(见图9)。RECON控制系统一方面作为供电装置,把外部引入的交流电转化为低压直流电,为阴极保护系统的钛金属网阳极和钢筋阴极提供稳定电源;另一方面安装有控制模块,采集参比电极测量的钢筋实际电位数据,判断是否达到预设的保护电位值,自动增加或减少电流的输出,直到钢筋实际电位达到预设的保护电位。RECON控制系统具有自我控制能力。图9中,①为RECON控制模块。其中绿色模块为AD模块(电信号转化为数字信号模块),该模块采集参比电极反馈的钢筋实际电位数据,并把电信号转化为数字信号后传到控制块;蓝色模块为控制块,该模块接受AD的信号,根据预设或远端控制调整的保护电位值,判断是否达到保护电位,向DA模块发出数字控制信号(增加或减少保护电流的输出);红色模块为DA模块(数字信号转化为电信号模块),该模块把控制模块的数字指令转化为电信号指令,传到③,实施增加或减少保护电流输出的控制。②为CPU(中央处理器),配有上网装置和软盘存储器。③为3×3A/20V电源装置,附带有+24V,±15V和+5V辅助的电压供给。④为现场电缆终端连接器。⑤为自动保险丝断电保护装置。⑥为电源供给AC(交流电)插座。大桥中采用的RECON控制系统可以接收多达140条参比电极的线路和数据,可对整个被保护区域进行精确的监测和控制。3.2.5设置面向现场控制人员的应用环境RECON控制系统收集到的参比电极数据可以通过电话线传送到现场管理办公室的安装有RECON系统软件的终端计算机上,由现场控制人员定期调整参数;也可以通过SIM卡无线传送到远程监控室,由监控人员通过远端监控系统,发出新的控制指令,传回到现场RECON控制系统,更改预设程序。3.3系统安装3.3.1复合导电条的安装将负极电接头焊接到指定的钢筋位置;将水泥垫条按设计要求固定在相应的钢筋上,然后将钛阳极网条和钛导电条固定在水泥垫条上,在导电条和钛阳极网条交叉处要进行焊接连接;将正极电接头点焊到设计确定的钛导电条上。所有可能与阳极接触的电路均用水泥垫条进行绝缘。3.3.2电极固定方法将水泥垫条固定在设计确定的参比电极位置的钢筋上,然后将参比电极固定在水泥垫条上;将参比电极回路电接头焊接到设计确定的钢筋上。参比电极应安装在混凝土内并介于混凝土外表面或第1层钢筋之间,参比电极不得与钢筋直接接触。系统现场安装实景见图10。3.4系统测试(1)钢筋的电连续性阴极防护系统必须确保每一个区的钢筋和阳极区是电连续的,通过直流电阻的测试来确定被保护的钢筋以及阳极区是否分别具有可靠的电连续性。电连续性的标准为电阻值应稳定在0～1Ω之间。(2)没有发生短路的情况阴极防护系统必须确保每一个区的阳极区和钢筋以及任何埋入的钢构件之间没有发生短路,通过直流电阻的测试来确定。不发生短路的标准为电阻值应大于50Ω。(3)钢筋连接电缆电阻测试本项测试为检测钢筋连接、参比电极回路电缆间的电连续性。将钢筋连接电缆连接到数字直流欧姆表的COM端,将第2根钢筋连接或参比电极回路电缆连接到欧姆端进行电阻测试,电阻值稳定在1Ω或以下则表明电连续性是可靠的。(4)钢筋基础电位本项测试为检测参比电极是否被正确安装,并采用高内阻伏特表测量参比电极所在处钢筋的基础电位。将参比电极电缆连接到仪表的COM端,将参比电极回路电接头电缆连接到欧姆端,参比电极正确安装的判定标准为具有20s以上稳定的电压值。(5)欧姆端电阻测试本