外發(fā)區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

外發(fā)區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

1混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前最廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式之一，長期以來一直被認(rèn)為是一種不可長期的東西。直到上世紀(jì)70年代末,混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施在惡劣環(huán)境下出現(xiàn)了過早破壞。沿?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性不足已經(jīng)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題越來越引起國內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注。在第二屆國際混凝土耐久性會議上,Mehta教授明確地將“鋼筋腐蝕”排在影響混凝土耐久性因素的首位。2外阻抗劑的原理和應(yīng)用2.1電流陽極防護(hù)原理根據(jù)金屬腐蝕的電化學(xué)原理,金屬在自然狀態(tài)下,表面會形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。見圖1,陽極區(qū)放出自由電子,金屬受到腐蝕;陰極區(qū)得到電子,金屬受到保護(hù)。外加電流陰極防護(hù)的原理就是通過外加電流,把電源正極連接在難溶性輔助陽極上強(qiáng)制形成陽極區(qū);把電源的負(fù)極連接在受保護(hù)的鋼筋上,強(qiáng)制形成陰極區(qū)。陽極與被保護(hù)的鋼筋均處于連續(xù)的電介質(zhì)中,使被保護(hù)的鋼筋接觸電解質(zhì)的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子,從而受到陰極保護(hù)。外加電流陰極防護(hù)原理見圖2。2.2鋼筋點(diǎn)腐蝕和陰極保護(hù)的確定方法外加電流陰極防護(hù)技術(shù)可分為對新結(jié)構(gòu)的外加電流陰極預(yù)防和對舊結(jié)構(gòu)的外加電流陰極保護(hù)兩類。這兩類技術(shù)的最大區(qū)別在于陰極預(yù)防技術(shù)所需的電流要大大低于陰極保護(hù)。從而使造價(jià)也大大降低。兩類技術(shù)都可以應(yīng)用在整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)的某一部分,以防止鋼筋銹蝕,達(dá)到延長結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。20世紀(jì)70年代,Pourbaix在闡述點(diǎn)腐蝕的產(chǎn)生和傳播條件時(shí)提出了“不完全陰極”和“完全陰極”的概念。相對于飽和甘汞參比電極,鋼筋的不腐蝕電位范圍為-200～0mV,但氯離子的含量超過0.4%(與水泥的重量比),點(diǎn)腐蝕就會發(fā)生,見圖3。陰極預(yù)防①→②→③→;陰極保護(hù)①→④→⑥→。陰極預(yù)防是“完全陰極”,而陰極保護(hù)是“不完全陰極”?？梢钥闯?對于陰極預(yù)防技術(shù),在鋼筋還未發(fā)生腐蝕的前提下,只要稍微降低一點(diǎn)電位(①→②),就可以保證鋼筋不發(fā)生腐蝕(②→③→),達(dá)到對鋼筋腐蝕的完全預(yù)防;對于陰極保護(hù),由于在實(shí)施陰極保護(hù)前,鋼筋已經(jīng)發(fā)生了點(diǎn)腐蝕(①→④),因此必須降低較大電位(④→⑥→或④→⑤→),才能達(dá)到對鋼筋的保護(hù)效果。陰極預(yù)防相對于陰極保護(hù)的基本優(yōu)點(diǎn)就在于只需要很小的電流就能防止鋼筋點(diǎn)腐蝕的初始開展。通常陰極預(yù)防的操作電流只需每平方米鋼筋表面積1～2mA,而陰極保護(hù)所需的正常電流為每平方米鋼筋表面積10mA。除了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)以外,輔助陽極的尺寸可以減小,陽極之間的間距可以增加。因此,陰極預(yù)防系統(tǒng)的費(fèi)用遠(yuǎn)低于陰極保護(hù)系統(tǒng)的費(fèi)用。2.3使用鈦合金陰極保護(hù)系統(tǒng)鋼筋混凝土外加電流陰極防護(hù)技術(shù)在國際上已被證明是非?？煽康募夹g(shù)并得到廣泛采用。截至1999年,海工結(jié)構(gòu)上的使用面積已達(dá)130萬m2。最早,外加電流陰極防護(hù)技術(shù)是應(yīng)用在舊有結(jié)構(gòu)的修復(fù)方面。陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用的最典型實(shí)例是布里斯班港4、5號泊位。該工程實(shí)施陰極保護(hù)面積5000m2,使用鈦合金陽極條3km。工程在實(shí)施陰極保護(hù)前,腐蝕情況十分嚴(yán)重(見圖4),實(shí)施陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝,并進(jìn)行修復(fù)后的結(jié)構(gòu)見圖5、圖6。除了布里斯班港的修復(fù)工程外,著名的悉尼歌劇院、珍珠港海軍基地碼頭、東京灣的大井(Ohi)碼頭、中尉(Lieutenant)大橋和斯馬特(Smart)公路大橋等均采用了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。隨著陰極保護(hù)系統(tǒng)的成功應(yīng)用和對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的日益重視,新建結(jié)構(gòu)中也逐漸采用了外加電流的陰極預(yù)防技術(shù)。例如,20世紀(jì)90年代初,意大利在特里諾-費(fèi)雷諾斯(Torino-Frejus)主干高速公路的橋梁上大面積采用外加電流陰極預(yù)防技術(shù),總面積達(dá)93718m2。3杭州跨海大橋的北極防護(hù)體系3.1主塔浪累區(qū)部位的防腐設(shè)計(jì)杭州灣跨海大橋南、北航道橋采用斜拉橋結(jié)構(gòu)。南航道橋?yàn)閱嗡p索面,采用A形主塔,塔頂高程202.0m,塔柱底面高程7.7m;塔柱下設(shè)置塔座,塔座為圓臺,厚2.5m;塔座下為啞鈴形承臺,頂面高程5.2m,底面高程-0.8m,北航道橋?yàn)殡p塔雙索面,采用鉆石形主塔。為保證索塔結(jié)構(gòu)的耐久性,原設(shè)計(jì)在塔柱浪濺區(qū)(10.2m標(biāo)高)以下以及塔座、承臺均采用環(huán)氧鋼筋。在工程實(shí)施前,對環(huán)氧鋼筋和外加電流陰極防護(hù)技術(shù)重新進(jìn)行了深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,在不增加費(fèi)用的前提下,采用陰極防護(hù)技術(shù)對保證結(jié)構(gòu)的耐久性具有更多的優(yōu)勢。據(jù)此,最終確定采用陰極防護(hù)技術(shù)取代環(huán)氧鋼筋,作為主塔浪濺區(qū)以下部位的防腐蝕措施。南航道橋索塔、承臺保護(hù)的表面積為3115.2m2,北航道橋索塔、承臺保護(hù)的表面積為3975.6m2,共計(jì)7090.8m2。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1自動監(jiān)控系統(tǒng)大橋外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)由芬蘭圣維可集團(tuán)提供,采用文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要技術(shù)要求包括:陽極材料在正常運(yùn)行的電流密度條件下,結(jié)構(gòu)鋼筋始終處于陰極狀態(tài)而不發(fā)生銹蝕,確保滿足結(jié)構(gòu)最少100年的使用壽命;針對不同的腐蝕環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì),采用全自動監(jiān)控系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電量,以確保100%的電流分布與傳遞,并避免過度保護(hù)現(xiàn)象;采用合適的參比電極,使防護(hù)系統(tǒng)能夠長期監(jiān)測。3.2.2控制和監(jiān)控設(shè)施大橋外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)主要包括:活性鈦金屬陽極網(wǎng)條、鈦導(dǎo)電條、水泥墊條、銀/氯化銀以及鈦參比電極、正極電接頭、負(fù)極電接頭、參比電極回路電接頭、電纜和配件、接線箱、RECON控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制、遙控監(jiān)控管理系統(tǒng)等。圖7為系統(tǒng)組裝簡圖。3.2.3結(jié)構(gòu)分區(qū)的依據(jù)陰極防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行分區(qū),在結(jié)構(gòu)使用壽命內(nèi),監(jiān)控結(jié)構(gòu)不同位置電流和電壓的輸出,分區(qū)的依據(jù)是結(jié)構(gòu)不同位置的不同腐蝕環(huán)境。根據(jù)暴露環(huán)境的不同,對需要進(jìn)行陰極防護(hù)的3個(gè)主塔及承臺分別進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)。北航道橋北塔陰極防護(hù)系統(tǒng)分區(qū)見表1和圖8。3.2.4recon控制模塊設(shè)計(jì)鈦金屬網(wǎng)陽極和鋼筋陰極的電導(dǎo)線以及測量鋼筋實(shí)際電位的參比電極的正負(fù)回路的導(dǎo)線從防護(hù)系統(tǒng)中引出,進(jìn)入RECON控制系統(tǒng)(見圖9)。RECON控制系統(tǒng)一方面作為供電裝置,把外部引入的交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電,為陰極保護(hù)系統(tǒng)的鈦金屬網(wǎng)陽極和鋼筋陰極提供穩(wěn)定電源;另一方面安裝有控制模塊,采集參比電極測量的鋼筋實(shí)際電位數(shù)據(jù),判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)電位值,自動增加或減少電流的輸出,直到鋼筋實(shí)際電位達(dá)到預(yù)設(shè)的保護(hù)電位。RECON控制系統(tǒng)具有自我控制能力。圖9中,①為RECON控制模塊。其中綠色模塊為AD模塊(電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號模塊),該模塊采集參比電極反饋的鋼筋實(shí)際電位數(shù)據(jù),并把電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳到控制塊;藍(lán)色模塊為控制塊,該模塊接受AD的信號,根據(jù)預(yù)設(shè)或遠(yuǎn)端控制調(diào)整的保護(hù)電位值,判斷是否達(dá)到保護(hù)電位,向DA模塊發(fā)出數(shù)字控制信號(增加或減少保護(hù)電流的輸出);紅色模塊為DA模塊(數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號模塊),該模塊把控制模塊的數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為電信號指令,傳到③,實(shí)施增加或減少保護(hù)電流輸出的控制。②為CPU(中央處理器),配有上網(wǎng)裝置和軟盤存儲器。③為3×3A/20V電源裝置,附帶有+24V,±15V和+5V輔助的電壓供給。④為現(xiàn)場電纜終端連接器。⑤為自動保險(xiǎn)絲斷電保護(hù)裝置。⑥為電源供給AC(交流電)插座。大橋中采用的RECON控制系統(tǒng)可以接收多達(dá)140條參比電極的線路和數(shù)據(jù),可對整個(gè)被保護(hù)區(qū)域進(jìn)行精確的監(jiān)測和控制。3.2.5設(shè)置面向現(xiàn)場控制人員的應(yīng)用環(huán)境RECON控制系統(tǒng)收集到的參比電極數(shù)據(jù)可以通過電話線傳送到現(xiàn)場管理辦公室的安裝有RECON系統(tǒng)軟件的終端計(jì)算機(jī)上,由現(xiàn)場控制人員定期調(diào)整參數(shù);也可以通過SIM卡無線傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控室,由監(jiān)控人員通過遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng),發(fā)出新的控制指令,傳回到現(xiàn)場RECON控制系統(tǒng),更改預(yù)設(shè)程序。3.3系統(tǒng)安裝3.3.1復(fù)合導(dǎo)電條的安裝將負(fù)極電接頭焊接到指定的鋼筋位置;將水泥墊條按設(shè)計(jì)要求固定在相應(yīng)的鋼筋上,然后將鈦陽極網(wǎng)條和鈦導(dǎo)電條固定在水泥墊條上,在導(dǎo)電條和鈦陽極網(wǎng)條交叉處要進(jìn)行焊接連接;將正極電接頭點(diǎn)焊到設(shè)計(jì)確定的鈦導(dǎo)電條上。所有可能與陽極接觸的電路均用水泥墊條進(jìn)行絕緣。3.3.2電極固定方法將水泥墊條固定在設(shè)計(jì)確定的參比電極位置的鋼筋上,然后將參比電極固定在水泥墊條上;將參比電極回路電接頭焊接到設(shè)計(jì)確定的鋼筋上。參比電極應(yīng)安裝在混凝土內(nèi)并介于混凝土外表面或第1層鋼筋之間,參比電極不得與鋼筋直接接觸。系統(tǒng)現(xiàn)場安裝實(shí)景見圖10。3.4系統(tǒng)測試(1)鋼筋的電連續(xù)性陰極防護(hù)系統(tǒng)必須確保每一個(gè)區(qū)的鋼筋和陽極區(qū)是電連續(xù)的,通過直流電阻的測試來確定被保護(hù)的鋼筋以及陽極區(qū)是否分別具有可靠的電連續(xù)性。電連續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)為電阻值應(yīng)穩(wěn)定在0～1Ω之間。(2)沒有發(fā)生短路的情況陰極防護(hù)系統(tǒng)必須確保每一個(gè)區(qū)的陽極區(qū)和鋼筋以及任何埋入的鋼構(gòu)件之間沒有發(fā)生短路,通過直流電阻的測試來確定。不發(fā)生短路的標(biāo)準(zhǔn)為電阻值應(yīng)大于50Ω。(3)鋼筋連接電纜電阻測試本項(xiàng)測試為檢測鋼筋連接、參比電極回路電纜間的電連續(xù)性。將鋼筋連接電纜連接到數(shù)字直流歐姆表的COM端,將第2根鋼筋連接或參比電極回路電纜連接到歐姆端進(jìn)行電阻測試,電阻值穩(wěn)定在1Ω或以下則表明電連續(xù)性是可靠的。(4)鋼筋基礎(chǔ)電位本項(xiàng)測試為檢測參比電極是否被正確安裝,并采用高內(nèi)阻伏特表測量參比電極所在處鋼筋的基礎(chǔ)電位。將參比電極電纜連接到儀表的COM端,將參比電極回路電接頭電纜連接到歐姆端,參比電極正確安裝的判定標(biāo)準(zhǔn)為具有20s以上穩(wěn)定的電壓值。(5)歐姆端電阻測試本