外加电流阴极保护技术在跨海大桥耐久性设计中的应用推广

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摘要:结构的耐久性能一直是工程界研究的一个主要问题,在跨海大桥的耐久性设计方面,在国内,目前普遍选择牺牲阳极法作为阴极保护方法,而在国外跨海大桥的防腐保护中,外加电流法已经成为一种最常用的阴极保护方法。本文着重介绍外加电流法的基本原理及在杭州湾跨海大桥中的应用,供其它跨海大桥及港口工程参考。

Abstract: The durability of structure has been a major problem in engineering research, as regards to the durability of bridge design, in the country, it now generally chooses sacrificial anode as cathodic protection method, while in the foreign countries, bridge's corrosion protection, and the impressed current method has become one of the most common method for cathodic protection. The paper focuses on the basic principles of applied current law and its application in Hangzhou Bay Bridge which provides construction reference for the crossing sea bridge.

关键词:外加电流;阴极保护;跨海大桥;钢筋混凝土

Key words: impressed current;cathodic protection;crossing sea bridge;reinforced concrete

中图分类号:U44文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)12-0026-01

1外加电流阴极保护技术

1.1 概述混凝土中钢筋的腐蚀是一个电化学过程。而电化学防护技术是用于防止钢筋腐蚀问题的最贴切、有效的方法。用于混凝土中钢筋腐蚀的电化学防护技术主要为外加电流阴极保护技术。

1.2 结构原理外加电流阴极保护技术的结构原理是,在钢筋混凝土内部放置一个永久性的辅助阳极,在辅助阳极与钢筋(阴极)之间连接一个直流电源,电源的负极与钢筋相接,正极与辅助阳极相接,通入的直流电流的大小必须足以迫使钢筋表面的阳极反应[见式(1)]完全停止,即

FeFe2++2e- (1)

并使钢筋表面仅发生式(2)所示的阴极反应:

H2O+O2+2e-2OH- (2)

阴极反应式(2)能产生氢氧根离子,使混凝土的碱度增加,这将有助于重新建立被混凝土碳酸化或氯化物侵蚀破坏的钢筋钝化层。在装有外加电流阴极保护系统的混凝土中,带负电的氯离子被阴极(钢筋)排斥,并朝着辅助阳极的方向运动,在辅助阳极表面上失去电子被氧化形成氯气:

2Cl-Cl2(气体)+2e-(3)

有效阴极保护的含义是,向被保护金属注入大量电子,把整个被保护金属的电位降低到其表面阳极区域的电位以下,以使被保护金属表面阳极区域与阴极区域之间的腐蚀电流停正流动。

1.3 经济分析在技术方面,如高性能混凝土提高了混凝土的耐久性、抗氯离子渗透性、抗冻融破坏性等性能、但同时也容易产生细小的裂缝,从而减少的混凝土防护层的厚度和氯离子渗透路径;有机涂料可以阻隔氯离子渗透、阻锈剂能改善和提高钢筋的防腐蚀能力,但防护期一般在15-25年,防腐保护效果不确定性大。环氧涂层钢筋的防护期较长,但同时也存在着巨大的隐患,就是环氧钢筋施工要求高,在施工过程中很难保证不产生部分破损,一旦产生破损,即使是很细小的破损,也会在其范围内产生电化学反应,加速破损处钢筋的腐蚀,如同坚固的大坝中存在着白蚁洞穴。

外加电流阴极保护技术不是被动防护,而是主动预防,可对钢筋混凝土中钢筋腐蚀环境情况的监测,对钢筋所需的保护电流、保护电位进行24小时远程计算机自动控制和调节,达到主动预防效果;即使混凝土本身存在缺陷、裂缝等,也不会对钢筋的防护效果造成不利影响,仅引起保护电流的变化。并且保护年限根据要求进行设计,可超过100年。因此从实际保护效果来看,外加电流阴极保护技术在防护期限和主动控制等方面具有显著的优势。

2工程实例

杭州湾大桥采用了圣维可公司的智能型计算机控制外加电流阴极防护技术对其三座主塔受腐蚀威胁最严重的水位变动区及浪溅区的混凝土结构进行保护,被保护的混凝土面积超过7000平方米。这是钢筋混凝土外加电流阴极预防技术在我国跨海大桥工程中应用的第一个实例。

应用外加电流阴极保护的原理对钢筋混凝土进行预防护和修复,是目前世界上最先进,也是唯一能对海洋工程建筑混凝土结构进行有效修复并主动保护的技术。可以从根本上解决钢筋腐蚀问题,使钢筋混凝土结构能够达到更长的设计使用年限。

混凝土阴极保护技术不是被动防护,而是主动预防,有显而易见的优越性。它主要有以下特点:①对钢筋的腐蚀进行主动防护:保护系统电流使钢筋混凝土中的钢筋始终处于阴极状态,达到对钢筋的主动防护作用。②可实现远程实时监控:通过自动监控系统,可以准确地监控钢筋的腐蚀情况,实时自动地调整钢筋保护电流和保护电位,监控系统与网络技术相结合,可实现远程监控。③混凝土表面裂缝对保护效果影响小:即使钢筋混凝土本身存在缺陷或裂缝等,使钢筋周围的氯离子含量升高,保护系统也可通过改变保护电流,使钢筋受到保护。④用电量小:EPS系统在正常情况下钢筋所需的防护电流约为3mA/m2,用电省,形象地说,一只100瓦的灯泡用电量可以保护5000平方米的混凝土面积。⑤适用面广:阴极防护防护范围区域可是水下区、潮差区、浪溅区、大气区等各部份的混凝土结构。⑥可设定保护期:保护年限根据要求进行设计,可超过100年。

3结语

在所有的设计寿命超过50年的新建混凝土结构防腐方案当中,外加电流技术有着最好的表现。另外,唯有外加电流技术易于进行性能监控,并提供给业主受保护结构的监测数据。表面涂层初期投资少,相对经济,但防护期很短;环氧涂层钢筋的缺点是前期投入大,易受机械损坏和施工中容易存在缺陷,因此风险大;阻锈剂的性能很大程度上未经证实,并且在35年以后变得不经济。当建筑物和基础设施耐久性要求得到高度重视时,特别是在侵蚀性的海洋环境中,外加电流防腐技术将显示出其不可比拟的优势。

经过多年的不断研究之后,目前阴极防护技术实际应用钢筋混凝土结构上已经有35年以上的历史。迄今已有30多年的实例证明,在北美地区目前已经约有500座桥梁运用了阴极防护(对新建结构而言)和阴极保护(对旧结构而言)技术,全世界也有近千万平方米的实例。

大力开展钢筋混凝土阴极保护技术的研究和应用,今后,研究和开发功能好,成本低,寿命长,易施工,能适合不同环境混凝土中钢筋的阴极保护的阳极材料仍是主要目标。