跨海钢筋混凝土桥梁的阴极保护技术.pdf

2 2 8 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 4卷第 3期 2 0 1 3年 3月 Vo 1 4 4 No 3 Ma r 2 0 1 3 跨海钢筋混凝土桥梁的阴极保护技术 桑海军 ( 辽宁省交通高等专科学校，1 1 0 1 2 2 ，沈 阳) 摘要： 在跨海钢筋混凝土桥梁上实施阴极保护技术能有效地对结构钢筋进行防护 。对阴极保护技术 中的 外加电流阴极保护技术和牺牲阳极阴极保护技术分别进行应用分析 ， 叙述跨海钢筋混凝土桥梁中实施的各种类 型的阴极保护 系统的使用方法 、 特性和要点 ， 并提出实施阴极保护时须注意 的问题 。 关键词 ： 跨海钢筋混凝 土桥梁 ； 腐蚀 ； 阴极保护 中图分类号 ： T U 5 1 1 3 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 2 2 8 0 3 CATHoDI C PRoTECTI oN FoR CoNCRETE BRI DGES oVER S EAS S ANG Ha i i k i l l ( L i a o n i n g P r o v i n c i a l C o l l e g e o f C o m mu n i c a t i o n s ，1 1 0 1 2 2，S h e n y a n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： C a t h o d i c p r o t e c t i o n f o r c o n c r e t e b rid g e s o v e r s e a s c a n e f f e c t i v e l y p r o t e c t i o n s t e e l i n t h e s t r u c t u r e T h e i mp r e s s e d c u r r e n t c a t h o d i c p r o t e c t i o n a n d s a c rifi c i a l a n o d e c a t h o d i c p r o t e c t i o n a r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r T h e c h a r a c t e r i s t i c s ，k e y p o i n t s a n d me t h o d o f v ari o u s t y p e s o f c a t h o d i c p r o t e c t i o n s y s t e m b e i n g u s e d i n t h e c o n c r e t e b rid g e s o v e r s e a s a r e a n a l y z e d i n p a r t i c u l a r An d t h e ma t t e r s n e e d i n g a t t e n t i o n o f i mp l e me n t a t i o n c a t h o d i c p r o t e c t i o n i s p u t f o r wa r d Ke y wor d s ： c o n c r e t e b rid g e s o v e r s e a s ；c o r r o s i o n ；c a t h o d i c p r o t e c t i o n 处于海洋环境中的钢筋混凝土桥梁 ，若混凝土保 护层 出现裂缝 ， 则具有腐蚀性的介质将到达钢筋周围， 破坏钢筋表层的氧化物钝化膜 ，进而使钢筋发生电化 学腐蚀 ， 致使钢筋强度不足发生破坏 ； 对钢筋与混凝土 之间的粘结力产生不良影响 ， 使二者无法协同工作 ； 钢 筋锈蚀体积膨胀使混凝土开裂等一系列破坏 ，最终对 结构耐久性产生严重影响 ， 甚至发生重大工程事故 ， 造 成严重的经济损失与人员伤害。 在海洋的腐蚀环境下。 钢筋混凝土桥梁发生腐蚀破坏 的时间常比设计使用年 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 0 3 作 者 简 介 ： 桑 海 军 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 河 北蛟 河 人 ， 工 程师 ， 讲 师 ， e ma i l ： s a n g h j t o m c o m 限早得多。 目前 。应用于跨海钢筋混凝土桥梁腐蚀保护 的措 施较多， 但实际应用中所起效果和防护期却不尽相 同 如应用高性能混凝土、 混凝土表面涂层 、 阻锈剂及提高 钢筋 的防腐性 能等方法 ， 防护期通常在 l 5 2 5 年 ， 且最 终形成的防护效果有非常大的不确定性 。钢筋喷涂环 氧涂层虽然理论防护期较长 ，但实际应用中对施工的 要求极高 ， 一旦钢筋的环氧涂层出现破损 ， 往往其发生 腐蚀破坏的速度比没有环氧涂层的钢筋更快，使结构 过早破坏。 近年来，欧美发达国家在钢筋混凝土结构上逐步 研发和应用阴极保护技术 ，并将阴极保护技术作为一 3 我 国建筑 防水技术发展展望 当前世界建筑业正酝酿着一场房屋结构与施工建 造方式的变革。 与传统笨重的建筑结构相比， 现代化建 筑更强调空间效果和“ 轻盈” 体态 ， 更适合人类宜居生 活。 在迎接新一轮建筑技术的变革中， 我国建筑防水业 不仅需要观念和理论上的创新 ，更需要产业化的配套 施工技术。 值得指出 ，我国近现代建筑防水文化的研究是一 个有待开发的丰富宝藏 ，特别是一些已淘汰或 目前使 用很 少的防水技术和如以油毡为代表的沥青 防水技 术 ， 地下工程刚性抹面防水技术和蓄水屋面 、 架空屋面 等史料更要进行抢救式挖掘 ：而在 目前众多重大工程 的建设中 ， 只要仔细观察， 也不难发现许多防水革新技 术 。另外 ， 只有通过理论与实践相结合 。 把防水与主体 结构真正融合在一起 ， 使之成为保护结构 、 延长房屋寿 命和生命的保护神时 ， 才能体现其功能价值。 参考文献 1 叶琳昌 防水施工程序应具科学性 和可操 作性【 J _ 建筑技术 ， 2 0 1 1 ,4 2 ( 1 0 ) ：9 1 4 9 1 6 2 0 1 3年 3月 桑海军： 跨海钢筋混凝土桥梁的阴极保护技术 2 2 9 项长期有效的腐蚀防护措施应用于跨海钢筋混凝土桥 梁上。目前国内阴极保护技术在桥梁尤其是跨海钢筋 混凝土桥梁 中应用尚处于起步阶段 ，多为室内和现场 试验方面的工作 在工程中正式应用还较少。 将足够的阴极 电流施加于被保护 的金属表面 ， 由 于其被阴极极化 ， 能够减小或防止该金属腐蚀 ， 这种用 于防腐保护 的技术称为阴极保护 ，它分为外加 电流阴 极保护和牺牲阳极阴极保护两种方式。国外在跨海钢 筋混凝土桥梁上应用这两种阴极保护方式对结构钢筋 进行保护和修复都 已有成功的实例。 1 外加 电流 阴极保护 被保护金属用直流电源通以阴极 电流，一般 由直 流电源 、 辅助阳极 、 参比电极和电缆等部分构成外加电 流的阴极保护系统。输出电流能调节和控制且使用寿 命较长是这种保护方式的优点 ，其缺点是整个 系统的 应用较复杂 ， 还要求定期维护和管理 ， 尤其是对跨海钢 筋混凝土桥梁的预应力结构 ， 为防止发生氢脆破坏 ， 必 须对施加阴极保护的电位进行严格控制。跨海钢筋混 凝土桥梁外加 电流阴极保护的一项主要研究工作就是 辅助阳极 的研究与应用，截至 目前已有多种辅助阳极 系 】 被开发 出来 ， 主要有埋入型、 分散型及全覆盖型 三个大的类别。 1 1 埋入 型辅 助 阳极 系统 该 阳极 系统先是在混凝 土上钻孔 ，在孔 中埋入 作为 阳极 的活化钛条或钛丝 ， 最 后充填焦炭 屑。 埋入 型 阳极 系统 的优点是施工简单 ， 成 本低 ， 适用于各种 表面 。其使用寿命在2 O 年左右 。为保证 电流分布均 匀 。要根据结构配筋情况来确定阴极的具体安装位 置 。 1 2分散 型辅 助 阳极 系统 l - 2 1沟槽 式辅 助 阳极 系统 该阳极 系统是在混凝土表面开凿沟槽或锯开 ， 埋 入铂铌丝阳极 最后嵌入碳纤维及导电聚合物或浇筑 具有导电能力的混凝土。 1 2 2 电缆 辅助 阳极 系统 该系统是在混凝土表面 固定导电塑料包裹的铜芯 导线或用网格板固定 ， 再浇水泥胶合层。 1 2 3混合 金属 氧化 物钛 网辅 助 阳极 系统 安装该阳极系统有三种方式 ： ( 1 ) 把混合金属氧化 物钛网阳极用非金属固定件 固定在结构表面 ，再浇筑 一 层水泥胶合层 ； ( 2 ) 在预制的玻璃钢护套 内表面安装 混合金属氧化物钛网阳极 ， 在桩上安装护套 ， 最后在二 者 间 浇水泥 胶合材 料 ； ( 3) 把带 状混 合金 属 氧化 物 钛 网阳极 埋 置于 混凝 土 表面凿 开 的槽 中 ，然后 浇 筑 水 泥 。 在跨海钢筋混凝土桥梁 的结构侧面和梁底 ， 可布 置沟槽式和 电缆辅助 阳极系统 ， 但这两种阳极 系统使 用寿命太短 现在基本不再使用 。目前在跨海钢筋混 凝土桥梁中应用的阴极保护方式 中， 混合金属氧化物 钛网辅助阳极系统的应用广泛 ， 也最成功 ， 相关文献 显示2 。 以加速试验方法测得的该 阳极 系统使用年限可 达1 0 0 年以上， 但缺点是应用成本很高。 1 3 全 覆 盖型 辅助 阳极 系统 1 3 1纽扣辅 助 阳极 系统 该系统做法是在钢筋混凝土结构表面固定纽扣状 的硅铁阳极 。 其上浇筑一层导电混凝土或导 电沥青。 辅 助阳极系统施工简单 、 电阻低 、 极化低 、 电流分布均匀 且使用寿命长 ， 成本较低 ； 但纽扣阳极耐磨性较差 ， 在 跨海钢筋混凝土桥梁上适用于梁底 ，但会使梁的重量 有所增加 ， 且减少桥的净空。 1 3 2导 电涂 层辅 助 阳极 系统 在钢筋混凝土结构表面固定铂或铌覆盖的铜芯导 线 ， 再在表面涂导电涂层材料 。 该系统的优点是任意表 面都可应用且成本低 ； 但其耐水性较差 ， 在跨海钢筋混 凝土桥梁上使用寿命较短 ， 一般用于上部结构。 1 - 3 3 电弧喷 锌 辅助 阳极 系统 该系统做法是把锌合金利用电弧喷涂技术喷涂于 钢筋混凝土结构表面 ， 对任意表面均可适用 ， 电阻低且 成本不高 ， 使用寿命在1 O 年左右 ， 一般在跨海钢筋混凝 土桥梁的下部结构使用。 2牺牲阳极阴极保护 将电极电位更低 的金属即牺牲 阳极连接在被保护 的金属上， 牺牲阳极发生溶解与消耗 ， 则被保护金属 由 于得到阴极 电流而被保护 ， 称牺牲阳极阴极保护。 无需 电源 、 不用 日常维护 、 工艺简单是牺牲阳极阴极保护的 最大优点 ， 在预应力结构 中不会发生氢脆破坏 ； 但其使 用寿命较短 ， 无法控制调节输出的阴极电流 。 已有的几 种 3 1在跨海钢筋混凝土桥梁上应用的牺牲阳极 阴极保 护系统如下。 2 1 热喷涂锌和热喷涂铝一 锌一 铟合金 将钢筋表面清理干净 ， 把锌或铝一 锌一 铟合金丝喷 涂在其上及周围混凝土表面 。相关研究证实 ， 单纯喷 涂锌与喷涂铝一 锌一 铟合金相比 ，在 阴极保护 电流、 与 钢筋粘结力 、 钢筋极化三方面性能基本相当， 但在驱动 电势上 铝一 锌一 铟合金阳极要高于纯锌 阳极 ， 高 电势 对阴极保护更有利。 2 3 0 建筑技术 第 4 4卷 第 3期 2 2锌 片牺牲 阳极 该做法是用离子导通的凝胶将锌片粘在跨海钢 筋 混凝土桥梁的下部结构作为牺牲阳极 ，短期试验表明 没有新的腐蚀出现嗍， 达到了保护结构钢筋的目的。该 系统的特点是施工简单 ， 对人员和设备要求不高 。 2 3 锌 网状 阳极 套 在标准的玻璃纤维套内安装锌网状阳极 ，然后将 整体套在跨海钢筋混凝土桥梁的桥墩或基桩上，空隙 处用砂浆填满 。 此阳极系统对处于水下区 、 浪溅区及浪 溅区以上一段的桥墩和基桩有很好的防护效果。按跨 海钢筋混凝土桥梁基桩和桥墩的设计尺寸，可预制牺 牲阳极保护套 ， 在现场安装。 2 4 锌块 、 铝块 牺牲 阳极 对跨海钢筋混凝土桥梁的水下结构部分 ，可直接 采用置于水中的锌块或铝块作为牺牲阳极来保护结构 中的钢筋 ， 其效果很好 ， 但对处于空气中的结构部位则 无法有效地产生保护作用。 2 5埋 入式牺 牲 阳极 用水泥胶合材料包裹牺牲阳极 ，构成的埋入式牺 牲阳极 ， 可用于跨海钢筋混凝土桥梁的局部结构修补 。 安装后可消除修补时使用的新钢筋与原结构中的旧钢 筋间产生的腐蚀电池 ， 阻止原结构中的钢筋锈蚀 ， 以延 长桥梁使用寿命。 3 应用 阴极保护须注意的 问题 3 1防止 阴极 保护 电位 过负 在应用外加电流阴极保护时 ，要对施加的阴极 电 流进行严格的控制与调整， 防止发生过保护 ， 或由于电 流分布不均匀而使结构钢筋处于负电位状态 ，致使H 在钢筋表面放 电产生H 。这种状态下产生的不利影响 有两方面 ： 一是向钢筋内扩散 的H ： 会降低钢筋的韧性 ， 使钢筋变脆 ；二是H ： 析出会使钢筋与混凝土的粘结力 降低 ， 对结构的承载力产生不利影响。 3 2 尽 量避免 产 生杂散 电流 跨海钢筋混凝土桥梁在应用阴极保护时，为避免 杂散 电流引起的加剧腐蚀 ，要保证系统内的被保护钢 筋是电连通的。 因此， 要保证桥梁结构的钢筋接触点焊 接牢固 ，实施阴极保护前应检查系统内钢筋的电连续 性。 由于系统 内钢筋连接不良， 产生杂散 电流而致使桥 面板的混凝土脱落 。 这样阴极保护失败的工程案例啕 必 须引起重视。 这种情况的发生不但不能防止钢筋锈蚀， 反而加快了腐蚀破坏 的速度 。 3 3 混凝 土电 阻率 的影响 混凝土潮湿状态不同，其 电阻率将随之发生较大 变化川 。相对湿度较大时， 阴极保护 电流的分布基本均 匀； 一旦混凝土的电阻率变大 ， 阴极电流的分布将变得 很差。 当结构混凝土处于饱和水状态时 ， 阴极保护电流 的分布较均匀， 基本不受钢筋与阳极间距离的影响。 当 结构混凝土处于烘干状态时电阻率较大 ，与阳极距离 最近的钢筋内的电流达到系统内较远处钢筋 内电流的 数倍。因此，在跨海钢筋混凝土桥梁上应用阴极保护 时 ， 尤其是处于潮差区及大气区的结构部位 ， 设计阴极 保护时要对阳极的布置进行综合考虑 ，使阴极保护电 流的分布更加均匀。 3 4保证填 包料 处于饱 水状 态 在跨海钢筋混凝土桥梁陆地部分桥段实施牺牲阳 极阴极保护时， 阳极填包料若没有完全湿透 ， 其接地电 阻就较大 ， 会导致阳极驱动电压很小 ， 达不到输 出正常 电流的水平 ，致使被保护的钢筋无法被极化至保护 电 位 。 从而达不到保护结构钢筋的要求 。 施工中只在填包 料表面浇水不能使其内部湿透 ，应在埋入地下前使阳 极填包料浸泡在水 中2 d ， 或将水通过导管注入填包料 内部 ， 保证阳极填包料内外湿透。 4结 语 跨海钢筋混凝土桥梁处于海洋腐蚀环境下 ，若不 采取有效的防护措施 ，将对桥梁的耐久性产生严重的 影响。 在跨海钢筋混凝土桥梁上实施阴极保护 ， 能有效 地对桥梁钢筋混凝土结构形成防腐保护 ，但实施阴极 保护技术有一定难度 。国外在阴极保护技术方面 已积 累了一定的经验 ， 有成功实施的工程实例 。 我国在阴极 保护技术方面还处于起步阶段 ，为此应在理论研究的 基础上加快相关试验研究，并将其应用于桥梁钢筋混 凝土结构中 ， 以保证结构的耐久性 ， 延长桥梁的使用寿 命 参考文献 1 邱富荣， 石小 燕， 余兴增， 等钢 筋混 凝土构筑物 电化 学保护 的新 进 展【 J 腐蚀科学 与防护技术，2 0 0 0 ，1 2 ( 5 )：3 0 3 3 0 7 【 2 】 D i l y F S t e v e r K e n d e l l K e v i n C a t h o d i c p r o t e c t i o n f o r n e w c o n c Y e t e J C o n c r e t e I n t e rna t i o n a l ，1 9 9 9 ，2 1 ( 6 ) ：6 3 6 8 【 3 王伟， 季明堂钢 筋混凝土构筑物牺牲 阳极保护研究进 展【 J 】 科 学 视野，2 0 0 1 ，2 5 ( 5 )：1 8 2 0 【 4 】 RB r o u s s e a u a n d B B a l d o c k L a b o r a t o r y s t u d y o f s a c r i fi c i a l a n o d e s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J 1 C o r r o s i o n ，1 9 9 8 ，3 ： 2 4 1 2 4 5 5 】 R 工K e s s l e r ； R G P o w e r s a n d L R L a s a Z i n c me s h a n o d e s c a s t i n t o c o n c r e t e p i l e j a c k e t s J ： Ma t e r i a l s P e r f o r ma n c e ，1 9 9 7 ，h 1 2 - 1 5 】 徐乃欣 ， 张承典阴极保护 接线 不正确 而导致钢筋腐蚀【 J 腐蚀 与 防护 ， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 1 o ) ：4 6 8 4 6 9 7 姚 武 ， 徐 晶 钢 筋混凝土阴极保护体系中的电流分布 J 】 _同济大学 学报 ， 2 0 0 9 ，3 7 ( 8 ) ： 1 0 1 4 1 0 1 8