2023年象山港公路大桥钢管桩耐久性研究1.doc

象山港公路大桥钢管桩耐久性研究 - 象山港公路大桥钢管桩耐久性研究报告 ：象山港公路大桥建成后，宁波到象山的车程由原来的130公里缩短到50公里，凸显象山港沿湾区位优势，促进海洋经济开展。象山港公路大桥工程规模大，施工难度高，钢管桩大量使用，费用高。因此设计安全、可靠、经济、合理、技术先进的防腐蚀体系，有效地全面控制钢管桩的腐蚀，对延长工程寿命和节能减材具有重要和现实意义。为了对防腐蚀体系进行系统的论证，本文特设计了3组试验进行了研究： 实验一：目前关于镁基阳极，铝基阳极，锌基阳极的电化学性能研究工作虽然较多，但进行性能效果的比拟较少。通过对在阴阳极外表积、溶液成分相同下，三种不同的牺牲阳极材料对钢筋的保护性能的比照实验，计算其腐蚀速率和阳极损失质量，来比拟这三种不同阳极材料对钢筋的保护效能。得出以下结论： 1〕镁基保护电流最大，呈下降趋势，锌基次之，铝基最小，但后两者电流稳定，变化幅度小； 2〕镁基质量损失最快，约是铝基的61倍，锌基的15倍。 3〕镁基对钢筋的保护效果最好，几乎不腐蚀，锌基次之，铝基最小，腐蚀较严重。 实验二：目前国内钢管桩牺牲阳极块材料、规格型号主要依据单根钢管桩的保护面积和保护电流来确定，而由牺牲阳极寿命公式确定阳极数量与阳极块更换时间。而对于按钢管桩保护电位来设计阳极块安装位置和阳极块尺寸的研究较少。本实验采用不同大小的镁基阳极块对钢筋的腐蚀速率，阳极的有效保护面积进行研究，得出结论： 1〕镁基阳极大小，形状相同，钢管桩越长，保护电位越低。 2〕镁基阳极在海水中电位的变化，是其固有属性，与面积，钢管桩长度等无关。 3〕镁基阳极电位越负，阳极面积越大，可以保护的有效面积就越大，保护效果也越好。 实验三：钢管桩涂层的施工，运输，及安装过程中，经常会由于各种原因，造成点蚀，缝隙腐蚀、空泡腐蚀、磨蚀等缺陷，这些腐蚀的存在会降低涂层的使用寿命，更有甚者会加速钢管桩的局部腐蚀，严重缩短钢管桩的寿命。该实验对重防腐熔结环氧粉末和美国阿科珑公司所生产的环氧沥青漆的点蚀现象进行加速实验，得出环氧沥青漆优于重防腐熔结环氧粉末，具有较小的点蚀孔深和孔径。随着时间，腐蚀会向内延伸，直到钢片击穿。 本文对今后海工环境下的桥梁，码头等钢管桩的防腐蚀方案选择，防腐设计，具有一定的借鉴和指导作用。 关键词：象山港公路大桥，钢管桩，防腐蚀，耐久性 目 次 1 绪论 1 1.1 项目研究背景和意义 1 1.2 象山港公路大桥工程 2 1.2.1 工程概况 2 1.2.2 工程环境 2 1.2.3 防腐设计 3 1.2.4 工程意义 3 1.3 国内外研究现状及趋势 3 1.3.1 防腐涂料 4 1.3.2 牺牲阳极 4 2 项目研究概况 5 2.1 研究内容 5 2.2 研究方法 5 2.3 项目的特色与创新点 6 2.3.1 特色 6 2.3.2 创新点 6 3 第三章 试验材料和方法 7 3.1 实验材料 7 3.2 实验材料制作 7 3.3 试验方法 8 4 实验结果与讨论 14 4.1 牺牲阳极腐蚀电流的影响 14 4.2 牺牲阳极质量损失 15 4.3 保护钢筋长度对钢材的影响 16 4.4 熔洁环氧涂层与环氧沥青漆涂层对钢材的影响 23 5 项目总结 25 参考文献 26 1 绪论 1.1 项目研究背景和意义 作为海洋根底工程的主要桩型，钢管桩因耐打性好，水平承载力大，施工方便，重量轻，刚性好，便于装卸运输等优点[[] 沈保汉.桩根底施工技术讲座[J].施工技术,2023,30(9):45. ]，在象山港公路大桥工程中被广泛使用。但钢管桩造价高，易腐蚀，又桩基大局部在下部结构，维护困难，难更换，降低了桥梁的使用寿命。钢管桩的腐蚀不仅严重影响桥梁、码头等海洋工程的安全使用，而且会造成资源和能源的浪费及经济的损失。 据估计，全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约为年产量的30%，每90s就有1t钢被腐蚀成铁锈[[] Javaherdashti R.How corrosion Affects Industry and Life[J]. Anti-corrosion Methods and Materiais,2023,47(1):30-34. ]。据统计，美国每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占国民生产总值的4.2%，达2760亿美元。在中国，每年为腐蚀支出的直接费用已达2023亿元以上。如果考虑间接损失，这一数值估计将超过5000亿元，约占国民生产总值的5%，相当于每年平均一个国民需支付500元的腐蚀费用[[] 柯伟.中国腐蚀调查报告.北京:化学工业出版社,2023. ]。这对能源和资源来说是极大的浪费。 目前，我国正处于城市化加速的进程中，每年用于根底设施建设的费用高达2万亿元以上[[] 聂向晖,张红,杜翠微等.金属材料腐蚀检(监)测常用方法概述[J].装备环境工程,2023,(03). ]。照此来看，约30-50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。但我国能源短缺，资源并不丰富，通过钢管桩的耐久性研究，即可合理地采用有效的工艺及保护措施，延长结构使用寿命，是摆在我们面前的一个既重要又现实的课题和任务。 现阶段钢管桩耐久性主要采用牺牲阳极和涂层保护，研究方向主要集中在材料层次，而对防腐寿命及防腐效能的研究较少，本文针对重防腐涂层保护下的钢片点腐蚀寿命，不同牺牲阳极的腐蚀速率和阳极损失质量，及牺牲阳极保护下的钢筋保护长度的研究，对工程中涂料的选择，涂层的厚度，及阳极材料的尺寸大小的设计提供依据，在桥梁的设计基准期内，减少阳极材料的浪费，钢管桩的更换，在满足安全，经济，适用的条件下到达节省费用的目的。 1.2 象山港公路大桥工程 1.2.1 工程概况 宁波象山港大桥是浙江省水路交通“十一五〞期间规划建设的沿海高速公路〔甬台温复线〕和宁波市高速公路网的重要组成局部。路线全长46.929km，总工程造价65亿元。其中象山港公路大桥长6.761km，其通航等级将到达5万吨，而杭州湾跨海大桥只有3万吨等级，大桥主跨到达688m，比杭州湾跨海大桥的428m、金塘大桥的628m还大，成为浙江省最大的斜拉桥[[] 刘鹏飞.东临沧海,不留遗篇—象山港大桥及接线工程第六合同段施工纪实[EB\OL].2023-11-13. :// snebhl /content.aspxsnebhl=227. ]。大桥于2023年12月30日正式开工，建设期为四年，预计于2023年底正式建成通车。 象山港大桥及接线工程全长约47公里，其中跨海湾大桥长约6.75公里，采用小蔚庄桥位、双塔双索面斜拉桥桥型[[] 胡晓云.象山港大桥力争实现年内开工奠定了根底[EB\OL].2023-09-03. ://news nb /system/2023/09/03/005761811.shtml. ]。象山港公路大桥按双向4车道高速公路设计，设计基准期为102年，设计时速100公里。其中象山港大桥宽度25.5m，行车道宽度15m，大桥全长6.761km，主桥长1.376km，引桥长5.385km，除由于受地质条件所限外均采用钢管桩根底。钢管桩均采用直径1.6m，桩长82～92m，共660根[[] 崔立川,杨磊.宁波象山港公路大桥钢管桩设计浅谈[J].中国新技术新产品,2023,16,105-106. ]。 1.2.2 工程环境 1) 温度 统计数据显示，同全球气候一样，我市气候也在发生明显的改变，其中1980年至2023年，宁波每年气温升高0.74℃，升温幅度高于全球平均。工程区域年平均气温在17.3℃左右；极端最高气温为41.3℃，极端最低气温为-7.7℃[[] 宁波气象信息网.宁波市2023年度气候影响评价[R]. 2023-2-24. ]。 2) 降水 据统计，累年平均降水量为1530.3mm，最多年降水量为1809.0mm，最少年降水量为1101.6mm。各月中，最多的6月份为218.0mm，最少的12月份仅为46.0mm。 受台风或强对流天气的影响，每年8～9月份常出现雨量大、强度大的降水过程。据统计，暴雨日主要集中于5～10月份，其中9月出现最多[[] 宁波市气象局.宁波市气象趋势报告[R]. 2023.05. ]。 3) 大气环境 象山石浦地区2023年二氧化硫平均浓度为0.038mg/l比2023年的0.029mg/l略有上升；二氧化氮年平均浓度0.034mg/l比2023年的0.025mg/l略有上升；可吸入颗粒物年平均浓度0.077mg/l比2023年的0.074mg/l上升；综合污染指数1.828比2023年的1.535有所上升，到达环境空气质量二级标准[[] 宁波市环保局.2023年象山县环境质量公报[R].2023-08-28. ]。 4) 酸雨状况 工程区域降水年均pH值为4.05，各区域降水年均pH值在3.95～4.89之间，酸雨频率为100%，属重酸雨区，酸雨污染程度呈逐年严重的趋势[10]。 1.2.3 防腐设计 钢管桩顶部嵌入承台的1.0m范围内采用300μm单层环氧粉末涂层防腐；顶部水位变动区1.0m～8.0m范围内采用800～1000μm厚加强型环氧粉末涂层防腐；顶部水下区8.0～40m范围内采用≥600μm厚双层环氧粉末涂层防腐；泥下区采用≥300μm单层环氧粉末涂层防腐，并采用牺牲阳极的阴极保护措施[7]。 1.2.4 工程意义 象山港所处环境较复杂，空气质量差，酸雨污染严重，同时还受台风，强对流，热带气旋，寒潮等气候影响，可以说，钢管桩处在极易腐蚀的海洋环境中。象山港公路大桥主要采用环氧粉末涂层和牺牲阳极的阴极保护措施，对钢管桩进行保护。 近年来，随着世界经济的开展，大跨径桥梁的建设在20世纪末兴起。桥梁跨度不断增大，向着更长、更大和更柔方向开展。而桩基局部根本上采用钢管桩[[] 周念先,周世忠.21世纪大跨径桥梁的展望[EB\OL].2023-03-11. :// chinahighway /news/2023/9633.php. ]。如此众多的钢管桩，需要消耗大量的防腐涂料和牺牲阳极材料进行保护。因此对防腐涂料的使用寿命及保护效能研究，不仅可以提提高桥梁的寿命，而且能减少浪费，节约资源。 1.3 国内外研究现状及趋势 国内外学者对钢管桩的防腐进行了大量的研究，但大多集中在对新型材料的开发，多功能应用及防腐施工工艺上，而对于防腐材料寿命，防护效能的研究较少。钢管桩应用海港工程已有100多年的历史，在防腐涂料和牺牲阳极保护方面做了不少的探索与研究。 1.3.1 防腐涂料 防腐涂料共分为六大类，分别为聚氨酯防腐涂料，环氧树脂防腐涂料，富锌树脂防腐涂料，鳞片树脂防腐涂料，高固体分防腐涂料，水性防腐涂料[[] 杜新胜,于晓灵,杨威洁,薛小妮.防腐涂料的研究与进展[J]. 上海涂料,2023,47(7):26-28. ]。防腐涂料的开展趋势是在现有涂料的成果根底上，向无污染、无公害、节省能源、经济高效开展。 1) 防腐涂料技术整体设计的无公害化。 即在研发时应考虑到涂料自身的组成成分〔成膜物质、防腐颜料、溶剂及助剂〕、原材料的合成及涂料生产过程、基材预处理过程、施工过程等整体的无公害化。无公害或低公害的水性、高固体分、无溶剂及粉末防腐涂料的推广。 2) 防腐涂料向高性能及多功能化方向开展。 有机硅改性聚氨酯和有机氟改性聚氨酯涂料、氟树脂涂料等高性能涂料是防腐涂料开展的另一重要方面。开展趋势是对使用寿命长要求到达10年甚至15年以上，而且适用非常苛刻的腐蚀环境。防污涂料的防污寿命在5年以上。多功能防腐蚀涂料也迅速开展，如太阳能屏蔽防腐蚀涂料、阻尼防腐蚀涂料、耐候防腐蚀聚氨酯涂料、可剥性防腐蚀涂料、阻燃导静电耐温防腐