基本信息
- 项目名称：
- 象山港公路大桥钢管桩耐久性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目根据象山港公路大桥中钢管桩的防腐蚀设计，并结合当前国内外对牺牲阳极和涂层保护的研究现状，进行实验分析。本项目对牺牲阳极材料的性能，截面大小尺寸对钢筋的有效保护面积的影响，同时还对具有涂层缺陷（点蚀）下的重防腐熔解环氧粉末和环氧沥青漆进行加速模拟实验，分析点蚀对钢筋的危害现象。该作品成果为钢管桩防腐措施的质量评定及预处理提供了理论基础和技术支持，具有一定的特色和推广应用价值。
- 详细介绍：
- 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，促进海洋经济发展。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较较少。通过对在阴阳极表面积、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对比实验，计算其腐蚀速率和阳极损失质量，来比较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：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。 实验三：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。 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。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前，我国正处于城市化加速的进程中，每年用于基础设施建设的费用高达2万亿元以上。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，因此有效利用资金，节约能源，是迫切需要的。 基本思路：收集象山港大桥的地理和水文资料，选取海水，土壤，钢管桩碎片等样品，对钢管桩的防腐涂料，阴极保护进行研究，比较不同方法的优缺点。
科学性、先进性及独特之处
- 本项目通过分析象山海洋环境，对海水和土壤中氯离子浓度进行分析，并在实验室进行加速腐蚀试验，比较不同防腐涂料和牺牲阳极材料等对钢材的保护效能，总结不同防腐措施的优缺点。 独特之处：对几种不同牺牲阳极材料研究，在实验室进行腐蚀试验，比较几种阳极对钢材的保护效能；采用新涂料对比实验，比较不同涂料的优缺点。
应用价值和现实意义
- 在应用方面：该项目的成果将可用于各种海洋环境的钢管桩结构工程中，可延长结构的使用寿命和减少钢管桩后期的维护，检修费用。在经济方面：现今我国每年用于基础设施建设费用高达2万亿元以上，而腐蚀造成的结构耐久性不足是经济损失高达1800~3600亿元，该项目的成功研制会更大限度的降低腐蚀对钢管桩耐久性的影响，减小工程后期对钢管桩的维护，检修资金。
学术论文摘要
- 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，不仅凸显象山港沿湾区位优势，促进海洋经济发展，而且有利于实现宁波社会经济持续、协调发展。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。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：通过对在阴阳极表面积、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对比实验，计算其腐蚀速率和阳极损失质量，来比较这三种不同阳极材料对钢筋的保护效能。 实验二：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。 实验三：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。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。
获奖情况
- 《钢管桩耐久性研究的发展与应用》于2010年9月在宁波工程学院学报上发表
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- [1]皇甫熹,刘小方.东海大桥打入桩基础耐久性研究与应用[J].世界桥梁,2004,16(S1):17-20. [2]张基沛,陈兴磊.海洋环境中码头钢管桩的腐蚀与防护[J].中国科技信息,2006,17(04):49. [3]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,2007,24(03):25. [4]中国科学技术部.中国科学技术发展报告2007[R].中国年鉴出版社,2007. [5]高明赞,徐天宁,蒋海平,干伟忠.混凝土结构钢筋电解行为的模拟实验研究[A].崔京浩.第17 届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C].第17届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册):《工程力学》杂志社,2008-08. [6]夏志东,穆楠,史耀武.锡锌钎料的腐蚀行为[J].中国腐蚀与防护学报,2003,(4):234-238. [7]R.温斯顿.里维(Revie,R.W.)等.杨武等译.尤利格腐蚀手册[M].北京:化学工业出版社,2005. [8]鲜宁,刘道新,谭宏斌.铁轨钢与不锈钢在模拟雨水环境中的电偶腐蚀行为[J].材料保护,2007,(12). [9]王振尧,马腾,韩薇,于国才.LC4 铝合金在模拟污染大气环境中的腐蚀行为[J].中国腐蚀与防护学报,2005,(6):51-52.
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外学者对钢管桩耐久性进行了大量研究，主要是对防腐材料和防腐措施的分析和研究。 在钢管桩防腐涂料方面的研究从未间断过。从开始的石油沥青防腐涂层，环氧煤沥青涂层，应用包覆聚乙烯涂层，和环氧粉沫防腐涂层，到90年代开始应用的三层结构缠绕聚乙烯涂层，钢管桩的防腐研究不断发展，而21世纪环氧树脂粉末涂料，聚乙烯三层结构，耐海水特种钢等也被广泛应用到工程中。 1）聚乙烯三层结构：防护层又称三层PE/PP，其结构由以下三层组成：底层为熔结环氧，中间层为胶粘剂，面层为挤塑聚乙烯。三层PE防腐层， 2）熔结环氧粉末：采用热固性粉末涂料喷涂一次成膜的生产工艺，其防腐性能极其优越，耐化学腐蚀性好，与基材粘结强度高，表面光滑，耐磨、耐高温，寿命可超过40年；涂装时充分熔化流动，流平覆盖于钢管表面，与基材间没有空隙，完全紧密结合，且在此过程中发生化学反应，环氧粉末树脂受热固化交联形成连续的热固性聚合物，和钢管形成某种程度的化学键。 3）交联聚乙烯热缩带包覆：聚乙烯是性能稳定、优良耐腐蚀性能的材料。将它经过一定的处理手段后包覆于钢结构之上，经加热收缩后，将其箍紧，形成一有机体封闭系统，阻止Cl-、O2、H20等有害物质的侵入。据日本推算，这种材料单独用于海洋浪溅区环境中，当厚度达到2.5mm时，寿命可达40年以上。 除了在钢管桩表面喷涂防腐材料外，各种利用电化学原理而采用的防腐措施也发展的十分迅速。 1）金属喷涂保护措施 （1）热喷涂：金属热喷涂是利用某种形式的热源将金属喷涂材料加热，使之形成熔融状态的微粒，这些微粒在动力的作用下，以一定的速度冲击并沉附在基体表面上，形成具有一定特性的金属涂层。水工钢结构件等基体材料的表面，经过热喷涂技术处理，得到了耐腐蚀、耐磨蚀的金属保护涂层，从而增强水工钢结构件耐腐、耐磨的性能。 （2）冷喷涂：冷喷涂技术是在镁合金表面上生成厚的铝镀膜的一种有效方法，该方法对表面制备要求不高，而且对镀件的力学或热学特性无需顾及。铝镀膜表现出对镁元件具有防止各种以及电腐蚀的能力。 2）阴极保护措施：主要是提高环境中原有阳极的电位，使之处于阴极地位，钢材变成电位较低的一极，电子就从外部朝钢材一阴极流动，从而阻止钢材的腐蚀速度。阴极保护能有效抑制晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等由电解质引起的其他腐蚀行为。阴极保护措施技术可靠，控制效果好，使用年限长。
