桥梁及其腐蚀与防护PPT课件.ppt

桥梁的腐蚀与防护 2020 1 7 1 目录 1 桥梁简介2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理3 桥梁的腐蚀防护 2020 1 7 2 1 桥梁简介 桥梁是铁路 公路 管线或渠道跨越河流 海峡 山谷或其他障碍的空中建筑物 即空中的道路 是整个道路系统中的重要节点 2020 1 7 3 1 1 桥梁的起源 远古时期开始 人类活动的地方就有了桥梁 独木桥 天然石桥 2020 1 7 4 1 1 桥梁的起源 后来 人们会用天然的植物藤蔓和人造的麻绳开始造桥 原始索桥的大致结构 2020 1 7 5 1 1 桥梁的起源 受到大自然天然结构的启发 加之石料等材料的运用技术提高 人们开始自己造拱桥 梁桥等各种桥梁 2020 1 7 6 1 2 桥梁的分类 按用途 铁路桥梁 公路桥梁 公铁两用桥梁 立交桥 行人桥按建材 钢桥 混凝土桥梁 结合梁桥 混合梁桥 木桥 这里我们知道 建造桥梁的材料主要为钢筋和混凝土 按结构 最主要的分类方式 梁桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥 2020 1 7 7 1 2 桥梁的分类 梁桥 以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁 其构造简单 制造 架设和维修均较方便 广泛用于中 小跨度桥梁 但在材料利用上不够经济 2020 1 7 8 1 2 桥梁的分类 拱桥 指的是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁 承重结构主要承受轴向力 没有弯矩或弯矩很小 2020 1 7 9 1 2 桥梁的分类 斜拉桥 是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁 是由承压的塔 受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系 其可使梁体内弯矩减小 降低建筑高度 减轻了结构重量 节省了材料 2020 1 7 10 1 2 桥梁的分类 悬索桥 指的是以通过索塔悬挂并锚固于桥两端的缆索 或钢链 作为上部结构主要承重构件的桥梁 从缆索垂下许多吊杆 把桥面吊住 在桥面和吊杆之间常设置加劲梁 同缆索形成组合体系 以减小活载所引起的挠度变形 2020 1 7 11 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 自古至今 人们建造了无数的桥梁 它们一方面给人类提供方便 另一方面自身也经受巨大的损坏 需要进行维修 甚至报废重建 2020 1 7 12 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 损坏的原因主要归结为下列几点 自然灾害各类交通事故桥梁材料的腐蚀材料的制作不良 2020 1 7 13 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 日本曾统计过104所悬索断桥事故 其中有23例与钢材的质量与腐蚀问题有关 2020 1 7 14 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 桥梁承受着交变载荷 长期暴露在自然环境中 桥梁的钢结构及混凝土结构都会受到环境介质的腐蚀 2020 1 7 15 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 特别是在一些环境质量恶劣的地区 如大气污染严重的地区 水污染严重的地区以及滨海 海洋环境中SO2 CO2 Cl 等腐蚀性物质含量增大 都会造成桥梁的严重腐蚀 影响桥梁的结构安全性及使用寿命 因此 桥梁的腐蚀与防护问题已经成为桥梁工程及腐蚀与防护领域的重要研究课题 2020 1 7 16 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 2001年 中国四川省的宜宾小南门金沙江大桥发生断裂 2020 1 7 17 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 据现场勘查人员的报告 发现坍塌断裂之处露出一层薄薄的钢筋网 悬吊的承重钢管中露出了锈迹斑斑的钢缆 正是因为吊索钢丝的锈蚀折断 造成了桥梁断成三节 另据现场工程人员说 让人不可思议的是 那承重钢缆是装在钢管中且加了防锈油的 怎么会生锈 2020 1 7 18 2 桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 桥梁工程中的腐蚀问题主要是指钢铁构件和混凝土的腐蚀 其中混凝土的腐蚀又包括混凝土中钢筋的腐蚀及混凝土材料本身的腐蚀 混凝土中钢筋的腐蚀与其它钢铁构件的腐蚀在机理上是一致的 2020 1 7 19 2 1 大气腐蚀 一般情况下 桥梁的桥身 桥面所处的腐蚀环境是大气环境 2020 1 7 20 2 1 1 大气腐蚀的机理 大气腐蚀是金属处于表面水膜层下的电化学腐蚀过程 表面水膜是空气中水分在金属表面吸附凝聚而形成的 阴极反应 中性碱性水膜中 O2 H2O 4e 4OH 阴极反应 弱酸性水膜 酸雨中 O2 4H 4e 2H2O阳极反应 Fe Fe2 2e 或写成金属离子水化物的形式 2020 1 7 21 2 1 1 大气腐蚀的机理 实际中 由于腐蚀开始后有锈蚀产物的存在 它对锈层下基体钢材的离子化起氧化剂的作用 在湿润大气下电化学腐蚀反应机理大致如下 阴极反应发生在Fe3O4 FeOOH界面 6FeOOH 2e 2Fe3O4 2H2O 2OH 阳极反应发生在金属 Fe3O4界面 Fe Fe2 2e阴极反应实质为锈层内Fe3 Fe2 的锈层还原反应 硫化物 盐雾 酸雨及尘埃颗粒的存在 增强了水膜电解质的导电性 加速了大气腐蚀 2020 1 7 22 2 1 2 大气腐蚀的主要破坏形态 均匀腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀 2020 1 7 23 2 1 3 大气腐蚀的影响因素 一 成分大气的主要成分几乎是不变的 但不同地域的大气中还含有一定量的二氧化硫 一氧化碳 硫化氢 盐雾等物质 2020 1 7 24 2 1 3 大气腐蚀的影响因素 SO2 1 SO2 SO3 H2SO4 2 与Fe作用 FeSO4 易溶于水 H2SO4Cl 氯离子随氯化物颗粒沉积在金属表面的水膜中 同时其也具有吸湿作用 会将大气中的湿气吸纳与金属表面 大大增强表面水膜电解质导电性 同时 氯离子自身对钢铁和混凝土的侵蚀性也非常高 2020 1 7 25 2 1 3 大气腐蚀的影响因素 固体尘埃 1 本身具有腐蚀性 2 本身无腐蚀性 但能吸附腐蚀性物质 如碳层会吸收SO2和水气 3 本身腐蚀性和吸附性都没有 但会在金属表面形成缝隙而凝聚水分 形成氧浓差电池 如砂粒 2020 1 7 26 2 1 3 大气腐蚀的影响因素 此外 影响大气腐蚀的因素还有相对湿度 金属表面温度 金属表面形态 相对湿度 过高时 氧扩散困难 过低时 水膜难以形成 达到某一临界值 腐蚀明显 金属表面温度 金属表面温度比大气温度低时 表面才能凝结水膜 即结露 所以气温高的地区和昼夜温差大的地区 腐蚀更严重 金属表面形态 粗糙的表面吸附性强 更易发生各种形态的腐蚀 2020 1 7 27 2 1 大气腐蚀 设计防护方案时 往往根据环境条件来确定具体方案 热带 亚热带 温带 寒带湿和区 湿热区 亚湿区 亚干燥区 干燥区乡村大气 工业大气 海洋大气 2020 1 7 28 2 2 水介质腐蚀 一般情况下 桥墩所处的腐蚀环境之一是水环境 2020 1 7 29 2 2 水介质腐蚀 海水中 腐蚀机理如下 阴极反应 O2 H2O 4e 4OH 阳极反应 Fe Fe2 2e其机理与大气腐蚀相同 但与大气腐蚀不同的是 这种反应在海水环境中是没有阻滞性的 2020 1 7 30 2 2 水介质腐蚀 海水含盐量高达3 20 3 75 pH值在7 50 8 60之间 溶有各种杂质 电化学反应非常活泼 且海水流速较快 易发生冲刷腐蚀现象 加速腐蚀现象的发生 所以说 海水腐蚀比大气腐蚀要更为严重 也需要受到更高的重视 2020 1 7 31 2 3 土壤腐蚀 桥墩所处的另一种腐蚀环境是土壤环境 2020 1 7 32 2 3 1 土壤腐蚀的特点 多相性 多孔性含有多种有机物和无机物不均匀性有微生物腐蚀发生不仅对金属造成破坏 也会对混凝土造成破坏土壤组成 结构 物理化学的差异 易造成各种不同的宏观或微观腐蚀电池 形成局部腐蚀 2020 1 7 33 2 3 2 金属的土壤腐蚀 阳极过程 阳极 Fe nH2O Fe2 nH2O 2e碱 中性介质 Fe2 2OH Fe OH 2氧的作用 2Fe OH 2 1 2O2 2Fe OH 3表面腐蚀产物与粘土结合 覆盖在表面 可阻碍腐蚀的阳极过程 2020 1 7 34 2 3 2 金属的土壤腐蚀 阴极过程 阴极 O2 2H2O 4e 4OH 在酸性很强的土壤中会发生放氢过程 在硫酸盐还原菌丰富的土壤中 硫酸根的还原反应液参与土壤腐蚀的阴极过程 2H 2e H2SO42 4H2O 8e S2 8OH 由于氧在土壤中扩散速度受到土壤结构 松紧程度 湿度 深度等综合影响 土壤中阴极过程受氧输送所控制 阴极过程为主要控制步骤 2020 1 7 35 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 混凝土中 对其中包裹钢筋进行保护的物质主要是Ca OH 2 使混凝土具有强碱性 pH 12 6 使其内部钢筋处于钝化状态 其主要的影响因素有 CO2 Cl 硫酸盐 2020 1 7 36 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 CO2对混凝土的腐蚀 大气中的CO2 SO2 NO2 酸雨与酸性水 酸性土等 均能与混凝土直接起反应 中和混凝土中的碱 Ca OH 2 CO2 Ca OH 2 CaCO3 H2O随着混凝土表面的碳化 碱含量减少 其内部的 Ca OH 2 向表面渗透 引起其强度降低 直至完全破坏 2020 1 7 37 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 Cl 对混凝土的腐蚀 2Cl Ca OH 2 CaCl2 2OH 破坏混凝土高碱性钢筋钝化膜 引起钢筋锈蚀后体积膨胀 导致其开裂失效 2020 1 7 38 2020 1 7 39 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 硫酸盐对混凝土的腐蚀SO42 Ca OH 2 CaSO4 2H2O反应后混凝土体积增大数倍 使其内部产生很大的应力 导致其强度降低而破坏 2020 1 7 40 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 盐类物质除了与Ca OH 2发生反应对混凝土造成破坏外 还会发生膨胀性腐蚀 混凝土结构多孔隙 渗入可溶性盐类 干湿交替 结晶析出 晶体体积膨胀 混凝土开裂 疏松 粉化 结构强度和对钢筋的保护作用均受损 2020 1 7 41 2 3 3 混凝土的土壤腐蚀 补充 混凝土的碱集料反应 混凝土的癌症 在混凝土的硅质集料中如果含有碱活性的物质 如矿物蛋白石等 在潮湿的环境下 就有可能发生碱 硅酸反应 在混凝土内部产生较大的膨胀应力 从而引起混凝土开裂 2020 1 7 42 3 桥梁的腐蚀防护 随着我国基础设施建设速度的加快 大型钢结构桥梁不断涌现 钢桥防腐蚀的重要性日益显现 防腐蚀是钢桥从设计 施工 使用全过程必须优先考虑的重要环节 通过广泛应用各种先进有效的防腐蚀方法 完善对钢桥长效防腐蚀处理 不仅可以节约大量的桥梁维护费用 延长钢桥使用寿命 同时也产生巨大的经济效益和社会效益 2020 1 7 43 3 桥梁的腐蚀防护 对桥梁进行腐蚀防护 其中最常用的方法有两种 涂料防护和阴极防护 2020 1 7 44 3 1 桥梁的涂料防护 钢铁的大敌就是腐蚀 而涂料正是钢铁桥梁防腐蚀的最方便有效的方法之一 比如悉尼港口大桥在建设时的涂装工作量就相当繁重 每道漆约有8000L 涂装面积相当于60个足球场那么大 钢结构桥梁的表面需要兼具装饰和防腐蚀两种功能的涂料 2020 1 7 45 3 1 1 涂料的防腐蚀特点 1 屏蔽作用涂料被涂至钢结构件表面 并形成一定厚度的涂层 直接将钢铁与腐蚀环境隔开 形成一道防腐蚀保护屏障 推迟腐蚀介质与钢铁相接触时间 所有的涂层均具备这一性能 2020 1 7 46 3 1 1 涂料的防腐蚀特点 2 钝化缓蚀作用在涂料家族中 有磷化底漆 铬酸底漆和各类车间底漆等 它们在工序间起到防锈或增加涂层底漆附着力和钝化缓蚀作用 其自身防腐效果较弱 2020 1 7 47 3 1 1 涂料的防腐蚀特点 3 阴极保护作用防腐底漆中添加锌 铝 粉形成富锌涂料 电流由锌流向钢铁 锌粉首先被腐蚀从而就保护了钢铁 锌粉在大气中的腐蚀产物为难溶碱式盐 它们会添没涂层中的空隙 也具有保护作用 2020 1 7 48 3 1 2 涂料的基本组成 成膜物质主要基础物质 有天然油脂 天然树脂 各类合成树脂等溶剂使涂料保持良好的溶解和稀释状态 由于严格要求控制涂料有机挥发物VOC总量 现在发展纯溶性和水性等多种溶剂 颜料使涂膜呈现一定的色彩 形成一定的厚度 具有一定的功能 主要有红丹 氧化铁红 富锌涂料中的锌粉等 助剂改善涂料的施工工艺性能 用量少 效果大 如改善颜料在涂料中的分散性的表面活性剂和防沉淀剂 还有润湿剂 消泡剂 紫外线吸收剂等 2020 1 7 49 3 1 3 常用的防腐蚀涂料 油脂涂料醇酸涂料氯化橡胶涂料环氧涂料丙烯酸树脂涂料聚氨酯涂料 2020 1 7 50 3 1 4 涂料的成膜机理 一 物理干燥1 溶剂的挥发成膜 1 可逆性 2 溶剂敏感性 3 漆膜成型不依赖温度 无化学反应 4 热塑性 高温变软 2020 1 7 51 3 1 4 涂料的成膜机理 一 物理干燥2 聚合物粒子凝聚成膜 1 一定温度下具有可逆性 2 对溶剂的敏感性 3 漆膜成型有温度依赖性 4 热塑性 5 重涂性能比较好 2020 1 7 52 3 1 4 涂料的成膜机理 二 化学固化1 连锁聚合反应成膜氧化聚合方式引发剂引发聚合方式能量引发聚合形式2 逐步聚合反应成膜缩聚反应形式氢转移聚合形式外加交联剂固化形式 2020 1 7 53 3 1 5 常用的防腐蚀涂料的品种 车间底漆防锈底漆中间漆面漆封闭漆磷化底漆水性涂料 2020 1 7 54 3 1 6 涂层的失效与维修 涂层老化失效 有机涂层老化金属涂层的失效复合涂层的失效有机涂层状态评定标准ASTM涂层缺陷的评定标准 0 10级 ISO4628标准 涂层缺陷等级和数量的描述 起泡 锈蚀 开裂 剥落 粉化 GB9277 1988有机涂层老化评价标准 2020 1 7 55 3 1 6 涂层的失效与维修 风险评估 1 涂层系统的使用寿命是多少 2 有否必要全部出去旧涂层 3 如果仅用最小可能的表面处理 旧涂层会被新图层咬底吗 4 如果使用特殊涂料要使用特殊设备和技术吗 5 涂料易于施工吗 2020 1 7 56 3 1 7 涂层的失效与维修 防腐涂层维修施工 一 局部维修二 整体更新三 电弧喷涂封闭涂层更新世界各国钢桥防腐蚀涂装应用经历近一百年 从早期的简单维护 到现代的长效防腐蚀 涂装工艺技术也不断发展 防腐涂层使用寿命从3 5年提高到50 100年以上 涂装对环境的污染也得到有效的控制 2020 1 7 57 3 1 7 桥梁涂装系统应用实例 2020 1 7 58 3 1 7 桥梁涂装系统应用实例 例2美国旧金山的金门大桥涂装 1 1965年以前底漆 红丹 亚麻油 醇酸中间层 红丹 氧化铁红 醇酸面漆 钼橘红 氧化铁红 TiO2 酚醛醇酸 2 1965年以后底漆 水性无机富锌 含新粉及少量红丹中间漆 磷化底漆WP 1面漆 钼橘红 氯酸共聚体 2020 1 7 59 3 2 桥梁的阴极防护法 混凝土中钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀 腐蚀过程就是铁失去电子成为铁离子的过程 电化学方法的基本原理 1 阴极保护 钢筋极化达到负电位 2 电化学脱氯 低于腐蚀阀值 3 电化学再碱化 恢复碱度 钝化阴极保护就是将足够量的电子输送到钢筋表面 强制是钢筋成为阴极 阻止钢筋释放电子 从而抑制钢筋的腐蚀 常用有强制电流和牺牲阳极两种方式 2020 1 7 60 3 2 1 阴极保护准则 对于钢筋混凝土结构阴极保护效果的评判 主要依据欧洲标准EN12696 2000和美国腐蚀工程师协会标准NACESP0290 2007中规定的保护电位准则和极化衰减准则 EN12696 2000规定 任何具有代表性点的瞬时断电电位应负于 720mV 为避免 氢脆 发生 普通钢筋不应负于 1100mV 预应力钢筋不应负于 900mV 切断阴极保护电流24h内 极化衰减不小于100mV 断电超过24h后 极化衰减应不小于150mV 2020 1 7 61 3 2 2 阴极保护条件 必须具备的条件 1 钢筋的电连续性 保证阴极保护时都能成为阴极 避免杂散电流腐蚀 2 混凝土表面状况 安装阳极前 通过喷砂或其他适当方法去除高阻抗覆盖层 避免阻碍电流 3 避免阴极和阳极之间短路 保证阴阳极之间有一定的混凝土保护层 将露于混凝土表面的绑扎铁丝等所有金属件出去或向内弯折埋设于修补砂浆中 避免阴极保护系统失效 2020 1 7 62 3 2 2 阴极保护条件 必须具备的条件 4 混凝土破损和凿除 破损面积之和小于结构物总面积的50 破损的混凝土保护层均须凿除 清楚露出的钢筋上的锈层 5 局部修补 必须是离子导电材料 导电率与原混凝土处于同一数量级 修补前 对拟用修补材料的电阻率和机械性能进行综合评定 不应含有任何会增加电阻率的成分 影响电流的流入 6 碱骨料反应 碱性物质与活性成分反应 引起混凝土内部自膨胀应力而开裂的现象 谨慎 2020 1 7 63 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 64 一 工程简介杭州湾跨海大桥全长36km 其中海上部分桥梁长32km 设计使用寿命100年 总投资118亿元 2008年建成后 杭州湾大桥将成为世界上最长 工程量最大的世界第一跨海大桥 杭州湾大桥南航道桥的主塔采用钢筋混凝土外加电流阴极防护系统 保护区域为 南航道桥索塔 10 2m标高以下塔柱 塔座和承台 承台底面只保护沿其周边0 5m范围 保护范围的表面积为3115 2m2 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 65 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 66 二 外加电流阴极防护系统的组成外加阴极防护系统主要有以下几个部分组成 1 阳极材料 采用Savcor的LIDASP100活性钛网 其设计使用寿命为100年 2 参比电极 采用BorinStelth银 氯化银 Ag AgCl 和Savcor钛参比电极 Ag AgCl参比电极设计寿命20年 Savcor钛参比电极设计寿命100年 3 垫条 用作隔离条在阴极与钢筋之间起隔离作用 一般采用混凝土垫块 4 电缆线 采取符合相关规定电缆 5 其他 接线箱采取增强纤维材料 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 67 三 安装1 钢筋绑扎及阳极钛网 导电条安装在承台 塔座 每一浇筑层钢筋绑扎过程中或完成后 开始进行阴极钢筋的电连续性检测 确保所有钢筋是电连续的 不连续处可增焊几个钢筋接头 然后使用电缆绑带固定隔离垫块 在垫块外侧安装阳极钛网 钛网在固定时要注意到 大约30cm左右使用塑料夹固定 塑料夹和绑带交替使用 阳极网带的搭接长度不小于5cm 用点焊机焊接 再安装钛导电带 钛导电带与阳极网带焊接固定 此时还要将正极接头焊接在钛导电条上 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 68 2 参比电极安装阳极及钢筋接头安装完成后 开始进行参比电极安装 参比电极安装比较简单 即 按照设计图纸确定参比电极安装位置 使用塑料电缆绑带将参比电极安装在钢筋上的水泥垫块上 3 安装过程中的测试在外加阴极防护系统安装过程中 还要按照要求进行各种测试 其测试内容包括以下六部分 钢筋的电连续性测试 阳极区电连续性测试 钢筋和阳极区之间电路短路的测试 钢筋阴极电缆间的电连续性的测试 参比电极现场测试 阳极区之间的电绝缘测试 3 2 3 我国杭州湾跨海大桥 2020 1 7 69 4 安装注意事项 1 阳极网带 导电带应安装在水泥垫块条外侧 用塑料电缆线绑带固定 再将垫块与导电条一起用电缆绑带固定在钢筋上 绑带的间距应满足混凝土浇注强度要求 2 所有阳极网带均要与钢筋绝缘 在施工和混凝土浇筑过程中要进行不间断监视以保证电绝缘 3 阳极网带与导电条之间要进行