CN108914981A - 一种基于电场作用的基桩防腐系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场作用的基桩防腐系统，包括基桩桩体，所述基桩桩体的外围圆周一定距离处等间距埋设有数根导电体，基桩桩体内设有导电层，导电体的外表面包裹有绝缘防水层；所述基桩防腐系统设置有外加交流电源，该外加交流电源的输出负极通过导线与桩体内的导电层相连，其输出正极通过导线依次与导电体相连，使基桩桩体与外围导电体之间形成电场。通过分析找出造成基桩腐蚀的根本因素，即带负电荷离子的侵蚀，利用带电离子在电场中受到电场力作用而发生移动的原理，对基桩施以外加电压，使其在基桩周围一定范围内形成电场，促使土壤中对基桩有腐蚀作用的带负电的离子远离桩体，从根本上实现基桩整体防腐的目的。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种基桩防腐技术，具体指一种基于电场作用的基桩防腐系统。
背景技术
桩基础是我国建设工程中最常用的基础形式，每年有数百万根桩基础被沉入各种地基中，其中不少地基土具有腐蚀性。腐蚀严重影响着桩基础的使用寿命，由于其入土深度大，直径小，较其他建筑结构受腐蚀性影响会更大，一旦基桩受到土壤中的cl-、等酸根离子的侵蚀，很难进行维修，且维修成本高昂；因而基桩的抗腐蚀性越来越受到重视，特别是长线路输变电工程。一般高压输电线路每隔二三百米就要建设一座输电塔，输电塔跨越的地形地貌极其复杂，一些输电塔免不了要建在含有cl-、等酸根离子的土壤中，研究如何预防、降低基桩的防腐蚀性具有重要的工程意义。基桩的腐蚀主要源于以下三种原因：(1)被混凝土包裹的钢筋表面会产生钝化膜，而土壤中的cl-离子、离子会破坏这层钝化膜，在钢筋表面生成Fe2O3·nH2O晶体，这种晶体和还未发生锈蚀的钢筋在潮湿的环境中会形成腐蚀电池，进一步加速腐蚀速率；此外，被锈蚀的钢筋体积会扩大，使得混凝土与钢筋之间的连接发生松动，从而大大减弱了混凝土对钢筋的保护。而在腐蚀性酸根离子中，氯盐是使钢筋混凝土结构中的钢筋发生破坏最主要原因。(2)在潮湿的环境中，土壤中的硫酸盐会电离出该离子会与混凝土中的碱性物质发生酸碱中和反应，对混凝土产生腐蚀作用。(3)空气中的CO2进入土壤中，部分会溶于土壤中的水而产生碳酸，这种弱酸也会对混凝土有一定的腐蚀作用。基于上述原因可知，埋于地下的钢筋混凝土基桩的防腐主要针对这些酸根离子而采取措施。
随着技术的不断发展，目前关于混凝土结构基桩的防腐施工技术主要有以下几类：(1)刷涂料法，具体就是在桩的外表面涂刷一层保护涂料，用以隔断土壤中对桩有危害的介质与桩发生接触。此种方法施工简单、成本低，但仅能用于预制桩防腐；由于需要先在预制桩上涂刷保护涂料，再进行沉桩，沉桩过程中涂层受到土层的摩擦作用，极有可能发生破裂，造成防腐层失效。(2)布袋法，采用防腐布袋隔绝桩与腐蚀性土的接触，但此方法施工工艺比较复杂，施工过程对布袋有破损的可能，且布袋多为土工合成材料，使用成本较高，且易老化使用寿命短。(3)电化学防腐法，根据电化学腐蚀原理，依靠外部电流的流入改变金属的电位，从而降低金属腐蚀速率的一种材料保护技术。具体做法是把桩体内的钢筋作为阴极，硅铁材料作为阳极固定在混凝土构造物的表面，其上覆盖一层导电沥青或导电混凝土，将直流电源的负极与阴极相连，正极与阳极相连从而形成“腐蚀电池”回路。电化学防腐方法原理简单，较为实用，不足在于电化学防腐法是使内部钢筋成为腐蚀电池中的阴极，是一种金属防腐方法，只能保护桩体内的钢筋，无法实现混凝土防腐；且不便于施工，尤其是导电沥青和导电混凝土的涂刷较复杂，难以实现全面有效的防腐性能。
基于现有混凝土基桩防腐方法的不足，综合考虑防腐性能及成本，深入研究并设计出新的防腐措施，将会给建筑工程带来新的发展方向和经济前景。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于电场作用的基桩防腐系统，通过对基桩施以外加电压，在基桩周围一定范围内形成电场，利用带电离子受电场力作用发生移动，促使土壤中对基桩有腐蚀作用的带负电的离子远离桩体，从根本上实现基桩整体防腐的目的。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于电场作用的基桩防腐系统，包括基桩桩体，所述基桩桩体的外围圆周一定距离处等间距埋设有数根导电体，基桩桩体内设有导电层，导电体的外表面包裹有绝缘防水层；所述基桩防腐系统设置有外加交流电源，该外加交流电源的输出负极通过导线与桩体内的导电层相连，其输出正极通过导线依次与导电体相连，使基桩桩体与外围导电体之间形成电场。
优选地，所述基桩桩体与导电体之间的距离为60～80cm。
优选地，所述外加交流电源的电压取安全电压，幅值为25～35V。
优选地，所述外加交流电源与基桩桩体和导电体之间还设有调压器和整流桥；所述外加交流电源与调压器连接，调压器与整流桥连接，其中整流桥的输出负极与桩体内的导电层相连，整流桥的输出正极与导电体依次相连。
优选地，所述基桩桩体内导电层与桩体外表面间的距离不小于50mm。
优选地，所述导电体的埋设深度与基桩桩体的埋设深度或腐蚀性土层的厚度相同。
优选地，所述导电体为铝合金金属棒，导电层为铝合金金属网。
与传统基桩防腐设计相比，本发明的创新点及优势主要体现在以下几个方面：
(1)本发明开辟了基桩防腐的新思路，通过分析找出造成基桩腐蚀的根本因素，即带负电荷离子的侵蚀，利用带电离子在电场中受到电场力作用而发生移动的原理，对基桩施以外加电压，使其在基桩周围一定范围内形成电场，促使土壤中对基桩有腐蚀作用的带负电的离子远离桩体，从根本上实现基桩整体防腐的目的；而传统基桩防腐措施要么是通过改良桩自身的抗腐蚀性能，要么是通过增设防腐层将腐蚀性土壤与桩体隔开，防腐措施被动，防腐层易失效；
(2)本防腐系统施工成本低，施工技术要求低、可实施性强，不会对基桩本身的力学性能产生影响；而现有的一些防腐蚀方法需要对桩的施工工序做出调整，比如采用电化学原理的防腐蚀技术需要对桩的外表面做多次处理，无形中会使桩体自身的力学性能发生一定的改变；
(3)本防腐系统易进行后期维护，能有效避免防腐效果受年限影响，传统防腐蚀措施大多是施工时一次性完工，后期如果防腐层出现老损或失效时很难进行维护；而本防腐系统的核心部件，即产生外加电场的器件没有设置在桩基础上，便于检修维护。
附图说明
图1为本发明基于电场作用的基桩防腐系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中电场作用关系示意图；
图3为本发明实施例一的结构示意图；
图4为图3的局部示意图；
图中：1-基桩桩体，2-导电体，3-导电层，4-外加交流电源，5-调压器，6-整流桥，7-导线，8-钢筋笼。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。
如图1所示，一种基于电场作用的基桩防腐系统，包括基桩桩体1，所述基桩桩体1的外围圆周一定距离处等间距埋设有数根导电体2，导电体2的埋设深度与基桩桩体1的埋设深度或腐蚀性土层的厚度相同；当基桩桩体1的埋设深度小于腐蚀性土层时，导电体2的埋设深度与基桩桩体1的埋设深度相同；而当基桩桩体1的埋设深度大于腐蚀性土层时，导电体2的埋设深度可与腐蚀性土层的厚度相同，实现防腐的同时，能够有效降低施工成本。所述基桩桩体1内设有导电层3，导电层3与基桩桩体1外表面间的距离不小于50mm，导电体2的外表面包裹有绝缘防水层。所述基桩防腐系统设置有外加交流电源4，外加交流电源4设置在基桩桩体1附近，该外加交流电源4的输出负极通过导线7与桩体内的导电层3相连，输出正极通过导线7依次与导电体2相连，使基桩桩体1与外围导电体2之间形成电场。其中，导电层3和导电体2可分别选用电流效率高，电流分布均匀，性能稳定的铝合金金属棒和铝合金金属网。
进一步地，为了提高外加交流电源的稳定性和可调节性，外加交流电源4与基桩桩体1和导电体2之间还设有调压器5和整流桥6；具体地，外加交流电源4与调压器5连接，调压器5与整流桥6连接，其中整流桥6的输出负极与桩体内的导电层3相连，整流桥6的输出正极与导电体2依次相连。
本方法是将物理学中的电场知识应用于土木工程的基桩保护中，是一种交叉学科的应用。本发明基于以下理论分析：钢筋混凝土桩主要是受到土壤中的cl-、等酸根离子的侵蚀而发生破坏。如果能用某种方法促使这些带有负电荷的酸根离子尽可能的远离桩体，那么桩体受到的腐蚀破坏就会大大降低。而我们知道在电场中，带正电荷的离子会向负电极板移动，带负电荷的离子会向正电极板移动。设想若桩体完全带有负电荷，在离桩体s处设有若干带正电荷的导体，那么桩体与这些导体之间就会形成很多的电场；此时土壤中带正电荷的离子受到电场力的作用，会向带负电荷的桩体方向移动，而带负电荷的离子则会向带正电荷的导体方向移动。如果这些电场力的大小、分布合理，那么土壤中绝大多数阴离子都会受到电场力的作用而发生移动，这样就能够阻隔基桩与腐蚀性阴离子接触，进而达到了保护基桩的目的。
基本计算
假设土壤中所有的阴离子都均匀分布在距离桩体s处，所有的阳离子都处在带有负电的桩体表面，此时由正负离子产生的电场力F1的强度最大(一般土壤中的离子是做布朗运动的)。若外加电压形成的电场力的大小等于正负离子处于上述假设位置所产生电场力F1，那么土壤中的各种带电离子就会处于受力平衡状态，即负离子不会向桩体方向运动，而此时的外加电压是最小电压。
(1)设土壤中cl-含量为a(mg/kg)，含量为b(mg/kg)，桩径为d，因氯离子带一个负电荷，硫酸根离子带两个负电荷，则处于电场力F1作用范围内的土壤中cl-、所带的总电荷量Q为：
其中，
由总电荷量Q产生的场强E1为：
则由土壤中正负离子产生的电场力F1为：
(2)如图2所示，设桩外距离桩s处共均匀分布有n个导电体，在桩横截面的圆表面处找到两点C、D，这两点满足在C点的电荷受到来自导电体B、E的电场力的大小完全相等；在D点的电荷受到来自导电体B、F的电场力的大小完全相等。那么导电体B产生的场强对桩体表面影响的主要范围是段，此时C点处电荷q受到来自导电体B的电场作用力F2最小，设C处的电场强度为E2，由几何关系得：
那么F2如下
(3)令F1＝F2，可得到上面假设的“最小电压”，将上式(7)带入(4)式可得：
其中：
U-外加交流电源的电压；
L-基桩桩体长度；
ρ-土的密度；
NA-阿伏伽德罗常数，一般取为6.022×1023；
α-折减系数，取0.7～0.8；
s-外围导电体与基桩桩体之间的距离；
d-基桩桩体直径；
c-导电层与基桩桩体外表面间的厚度，c≥50mm；
k-库伦常数，通常取k＝9.0×109N·m2/C2；
e-原电荷，通常取e＝1.60×10-19C；
具体计算时，电压U取安全电压，电压的幅值范围可以是25～35V的安全电压。考虑到桩基础的安全，不能对基桩周围的土体产生较大扰动，所以导电体与基桩桩体间的距离s不能过小，如果距离过小，即使在安全电压下，两个导电体也会存在被电压击穿的风险，从而使得该防腐结构失效。在安全电压的取值范围内，经试验反复验证，得到s最优的取值范围为60～80cm；然后再根据上述公式(8)，可将外围导电体n的个数计算出来。
实施例一
输电塔作为一种特殊的工业建筑，由于输电线路的需要，其往往建在地势较高的地方，目前大部分输电塔的基桩采用灌注桩，下面我们就先以灌注桩为例进行基桩防腐，其结构示意图如图3、4所示：
(1)将绑扎好的钢筋笼8表面包裹上导电层3，这里可以选用电流效率高，电流分布均匀，性能稳定的高效铝合金金属网。
(2)在开挖好的基坑内先注入部分混凝土浆，使桩底形成约30cm厚的保护层，作用是使被铝合金网包裹的钢筋笼的底部不与土壤接触。
(3)将包裹好的钢筋笼8放入桩孔内，然后浇筑混凝土成桩。
(4)首先，用洛阳铲在距离桩s的外围圆周均匀开挖n个和桩孔等深孔洞，在实际操作中，导电体个数n的取值可通过确定电压U和距离S后计算出；而导电体的直径相比于桩体直径比较小，且其直径的取值与产生电场的大小无关，因而对导电体的直径大小不做严格要求；但是导电体直径过大或过小均会引起施工成本和施工难度的增加，在实际操作中可综合成本及施工等因素进行取值，如本实施例中导电体的直径可控制在10mm左右。然后，在导电体外表面缠绕数层绝缘防水胶带，以此来避免该防腐系统与土壤形成回路，一旦形成回路，那么该系统就无法产生电场，从而造成防腐系统失效；最后，将铝合金导电体依次垂直埋入开挖好的孔洞内，铝合金导电体的顶部与地面齐平。
(5)在输电塔附近设置外加交流电源4、调压器5和整流桥6，用调压器5将外加交流电源4的电压调到所需的电压值，再将合适量程的整流桥6与调压器5相连，将整流桥6的输出负极与桩内的铝合金金属网相连，整流桥的输出正极依次与外围的铝合金导电体连接起来，闭合电源开关，这样中心基桩桩体与外围导电体之间就会形成大小时刻在变，但方向不变的电场，使电场作用范围内土壤中的各类阴离子受电场力的作用远离基桩桩体。
实施例二
对于预制桩，先用导电涂料，可以选用主要含有导电石墨粉的涂料，将桩体表面反复涂刷形成导电层，待涂料完全均匀固结在桩体表面时，再在其表面涂刷厚度不小于50mm的混凝土层，确保导电涂料不受土壤中水分的影响，然后按实施例一中的施工步骤(4)、(5)进行施工。
试验验证
为了检验本基桩防腐系统在施加电场后，电场作用范围内的土壤中的离子浓度是否发生明显变化，现进行相关试验来进行验证。
首先，试验基桩桩径d为5cm，在其外围圆周60cm处等间距埋设有数根导电体，基桩周围土壤的含水率ω＝5.7％，在基桩周围的土壤中均匀加入一定量的盐酸；在上述相同试验条件下设置对照组和实验组，实验组施加25V电压，对照组不施加电压；实验持续时间为6d；6d后在距离桩体s＝0，8和16cm处分别取样、标记，检测该处土壤中的氯离子含量。土壤中的氯离子初始含量平均为4500mg/kg；绘制氯离子含量变化曲线图如下：
通过上述试验组和对照组的氯离子含量曲线图可以清晰的发现：试验组中施加电场后，三个取样位置的土壤中的氯离子含量较原始土样发生了较为明显的变化；在s＝0处，氯离子含量由4500mg/kg下降至4152mg/kg；在s＝8cm处，氯离子含量由4500mg/kg上升至4800mg/kg；s＝16cm处，氯离子含量由4500mg/kg上升至5312mg/kg，即越靠近桩体的土壤中氯离子含量明显降低，而远离桩体的土壤中氯离子含量明显升高；而对照组中各点处的氯离子相较原始土样变化不大，在s＝0处，氯离子含量为4537mg/kg，在s＝8cm处，氯离子含量为4519mg/kg，s＝16cm处，氯离子含量为4486mg/kg。上述变化随试验持续时间的延长愈加明显，并在一定时间后趋于稳定。在对照组中，由于离子做布朗运动，上述三个取样点的土壤中氯离子含量发生了细微变化，总体上可忽略不计。通过理论分析与试验论证可以证实，使用电场进行基桩防腐的方法是合理且可行的。
以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于电场作用的基桩防腐系统，包括基桩桩体，其特征在于：所述基桩桩体(1)的外围圆周一定距离处等间距埋设有数根导电体(2)，基桩桩体(1)内设有导电层(3)，导电体(2)的外表面包裹有绝缘防水层；所述基桩防腐系统设置有外加交流电源(4)，该外加交流电源(4)的输出负极通过导线(7)与桩体内的导电层(3)相连，其输出正极通过导线(7)依次与导电体(2)相连，使基桩桩体(1)与外围导电体(2)之间形成电场。
2.根据权利要求1所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：所述基桩桩体(1)与导电体(2)之间的距离为60～80cm。
3.根据权利要求1所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：所述外加交流电源(4)的电压取安全电压，幅值为25～35V。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：所述外加交流电源(4)与基桩桩体(1)和导电体(2)之间还设有调压器(5)和整流桥(6)；所述外加交流电源(4)与调压器(5)连接，调压器(5)与整流桥(6)连接，其中整流桥(6)的输出负极与桩体内的导电层(3)相连，整流桥(6)的输出正极与导电体(2)依次相连。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：所述基桩桩体(1)内导电层(3)与桩体外表面间的距离不小于50mm。
6.根据权利要求1-3任一所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：所述导电体(2)的埋设深度与基桩桩体(1)的埋设深度或腐蚀性土层的厚度相同。
7.根据权利要求1所述的基于电场作用的基桩防腐系统，其特征在于：
所述导电体(2)为铝合金金属棒，导电层(3)为铝合金金属网。
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