外發區鋼筋混凝土結構耐久性研究

1混凝土結構耐久性研究鋼筋混凝土結構是目前最廣泛使用的結構形式之一，長期以來一直被認為是一種不可長期的東西。直到上世紀70年代末,混凝土結構的基礎設施在惡劣環境下出現了過早破壞。沿海混凝土結構耐久性不足已經造成嚴重的經濟損失和資源浪費。隨著建筑物的老化和環境污染的加重,鋼筋混凝土結構耐久性問題越來越引起國內外廣大研究者的關注。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用2.1電流陽極防護原理根據金屬腐蝕的電化學原理,金屬在自然狀態下,表面會形成陽極區和陰極區。見圖1,陽極區放出自由電子,金屬受到腐蝕;陰極區得到電子,金屬受到保護。外加電流陰極防護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制形成陽極區;把電源的負極連接在受保護的鋼筋上,強制形成陰極區。陽極與被保護的鋼筋均處于連續的電介質中,使被保護的鋼筋接觸電解質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。外加電流陰極防護原理見圖2。2.2鋼筋點腐蝕和陰極保護的確定方法外加電流陰極防護技術可分為對新結構的外加電流陰極預防和對舊結構的外加電流陰極保護兩類。這兩類技術的最大區別在于陰極預防技術所需的電流要大大低于陰極保護。從而使造價也大大降低。兩類技術都可以應用在整個鋼筋混凝土結構或者結構的某一部分,以防止鋼筋銹蝕,達到延長結構使用壽命的目的。20世紀70年代,Pourbaix在闡述點腐蝕的產生和傳播條件時提出了“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),點腐蝕就會發生,見圖3。陰極預防①→②→③→;陰極保護①→④→⑥→。陰極預防是“完全陰極”,而陰極保護是“不完全陰極”。可以看出,對于陰極預防技術,在鋼筋還未發生腐蝕的前提下,只要稍微降低一點電位(①→②),就可以保證鋼筋不發生腐蝕(②→③→),達到對鋼筋腐蝕的完全預防;對于陰極保護,由于在實施陰極保護前,鋼筋已經發生了點腐蝕(①→④),因此必須降低較大電位(④→⑥→或④→⑤→),才能達到對鋼筋的保護效果。陰極預防相對于陰極保護的基本優點就在于只需要很小的電流就能防止鋼筋點腐蝕的初始開展。通常陰極預防的操作電流只需每平方米鋼筋表面積1～2mA,而陰極保護所需的正常電流為每平方米鋼筋表面積10mA。除了這個優點以外,輔助陽極的尺寸可以減小,陽極之間的間距可以增加。因此,陰極預防系統的費用遠低于陰極保護系統的費用。2.3使用鈦合金陰極保護系統鋼筋混凝土外加電流陰極防護技術在國際上已被證明是非常可靠的技術并得到廣泛采用。截至1999年,海工結構上的使用面積已達130萬m2。最早,外加電流陰極防護技術是應用在舊有結構的修復方面。陰極保護系統應用的最典型實例是布里斯班港4、5號泊位。該工程實施陰極保護面積5000m2,使用鈦合金陽極條3km。工程在實施陰極保護前,腐蝕情況十分嚴重(見圖4),實施陰極保護系統的安裝,并進行修復后的結構見圖5、圖6。除了布里斯班港的修復工程外,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系統。隨著陰極保護系統的成功應用和對混凝土結構耐久性的日益重視,新建結構中也逐漸采用了外加電流的陰極預防技術。例如,20世紀90年代初,意大利在特里諾-費雷諾斯(Torino-Frejus)主干高速公路的橋梁上大面積采用外加電流陰極預防技術,總面積達93718m2。3杭州跨海大橋的北極防護體系3.1主塔浪累區部位的防腐設計杭州灣跨海大橋南、北航道橋采用斜拉橋結構。南航道橋為單塔雙索面,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,北航道橋為雙塔雙索面,采用鉆石形主塔。為保證索塔結構的耐久性,原設計在塔柱浪濺區(10.2m標高)以下以及塔座、承臺均采用環氧鋼筋。在工程實施前,對環氧鋼筋和外加電流陰極防護技術重新進行了深入的技術經濟比較,在不增加費用的前提下,采用陰極防護技術對保證結構的耐久性具有更多的優勢。據此,最終確定采用陰極防護技術取代環氧鋼筋,作為主塔浪濺區以下部位的防腐蝕措施。南航道橋索塔、承臺保護的表面積為3115.2m2,北航道橋索塔、承臺保護的表面積為3975.6m2,共計7090.8m2。3.2系統設計3.2.1自動監控系統大橋外加電流陰極防護系統由芬蘭圣維可集團提供,采用文獻標準進行設計。主要技術要求包括:陽極材料在正常運行的電流密度條件下,結構鋼筋始終處于陰極狀態而不發生銹蝕,確保滿足結構最少100年的使用壽命;針對不同的腐蝕環境進行相應的設計,采用全自動監控系統自動調節電量,以確保100%的電流分布與傳遞,并避免過度保護現象;采用合適的參比電極,使防護系統能夠長期監測。3.2.2控制和監控設施大橋外加電流陰極防護系統主要包括:活性鈦金屬陽極網條、鈦導電條、水泥墊條、銀/氯化銀以及鈦參比電極、正極電接頭、負極電接頭、參比電極回路電接頭、電纜和配件、接線箱、RECON控制系統、計算機控制、遙控監控管理系統等。圖7為系統組裝簡圖。3.2.3結構分區的依據陰極防護系統根據需要進行分區,在結構使用壽命內,監控結構不同位置電流和電壓的輸出,分區的依據是結構不同位置的不同腐蝕環境。根據暴露環境的不同,對需要進行陰極防護的3個主塔及承臺分別進行系統分區。北航道橋北塔陰極防護系統分區見表1和圖8。3.2.4recon控制模塊設計鈦金屬網陽極和鋼筋陰極的電導線以及測量鋼筋實際電位的參比電極的正負回路的導線從防護系統中引出,進入RECON控制系統(見圖9)。RECON控制系統一方面作為供電裝置,把外部引入的交流電轉化為低壓直流電,為陰極保護系統的鈦金屬網陽極和鋼筋陰極提供穩定電源;另一方面安裝有控制模塊,采集參比電極測量的鋼筋實際電位數據,判斷是否達到預設的保護電位值,自動增加或減少電流的輸出,直到鋼筋實際電位達到預設的保護電位。RECON控制系統具有自我控制能力。圖9中,①為RECON控制模塊。其中綠色模塊為AD模塊(電信號轉化為數字信號模塊),該模塊采集參比電極反饋的鋼筋實際電位數據,并把電信號轉化為數字信號后傳到控制塊;藍色模塊為控制塊,該模塊接受AD的信號,根據預設或遠端控制調整的保護電位值,判斷是否達到保護電位,向DA模塊發出數字控制信號(增加或減少保護電流的輸出);紅色模塊為DA模塊(數字信號轉化為電信號模塊),該模塊把控制模塊的數字指令轉化為電信號指令,傳到③,實施增加或減少保護電流輸出的控制。②為CPU(中央處理器),配有上網裝置和軟盤存儲器。③為3×3A/20V電源裝置,附帶有+24V,±15V和+5V輔助的電壓供給。④為現場電纜終端連接器。⑤為自動保險絲斷電保護裝置。⑥為電源供給AC(交流電)插座。大橋中采用的RECON控制系統可以接收多達140條參比電極的線路和數據,可對整個被保護區域進行精確的監測和控制。3.2.5設置面向現場控制人員的應用環境RECON控制系統收集到的參比電極數據可以通過電話線傳送到現場管理辦公室的安裝有RECON系統軟件的終端計算機上,由現場控制人員定期調整參數;也可以通過SIM卡無線傳送到遠程監控室,由監控人員通過遠端監控系統,發出新的控制指令,傳回到現場RECON控制系統,更改預設程序。3.3系統安裝3.3.1復合導電條的安裝將負極電接頭焊接到指定的鋼筋位置;將水泥墊條按設計要求固定在相應的鋼筋上,然后將鈦陽極網條和鈦導電條固定在水泥墊條上,在導電條和鈦陽極網條交叉處要進行焊接連接;將正極電接頭點焊到設計確定的鈦導電條上。所有可能與陽極接觸的電路均用水泥墊條進行絕緣。3.3.2電極固定方法將水泥墊條固定在設計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計確定的鋼筋上。參比電極應安裝在混凝土內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。系統現場安裝實景見圖10。3.4系統測試(1)鋼筋的電連續性陰極防護系統必須確保每一個區的鋼筋和陽極區是電連續的,通過直流電阻的測試來確定被保護的鋼筋以及陽極區是否分別具有可靠的電連續性。電連續性的標準為電阻值應穩定在0～1Ω之間。(2)沒有發生短路的情況陰極防護系統必須確保每一個區的陽極區和鋼筋以及任何埋入的鋼構件之間沒有發生短路,通過直流電阻的測試來確定。不發生短路的標準為電阻值應大于50Ω。(3)鋼筋連接電纜電阻測試本項測試為檢測鋼筋連接、參比電極回路電纜間的電連續性。將鋼筋連接電纜連接到數字直流歐姆表的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行電阻測試,電阻值穩定在1Ω或以下則表明電連續性是可靠的。(4)鋼筋基礎電位本項測試為檢測參比電極是否被正確安裝,并采用高內阻伏特表測量參比電極所在處鋼筋的基礎電位。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準為具有20s以上穩定的電壓值。(5)歐姆端電阻測試本