CN111270245A - 一种phc管桩桩底端板阴极保护防腐系统及方法 - Google Patents

一种phc管桩桩底端板阴极保护防腐系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统及方法，该防腐系统包括牺牲阳极和PHC管桩桩底端板，所述牺牲阳极包括阳极体，所述阳极体与PHC管桩桩底端板电性连接，所述阳极体为阳极，所述PHC管桩桩底端板为阴极。本发明解决了PHC管桩桩底端板在土壤环境中的腐蚀问题，该成果大大降低端板的腐蚀速率，从而减少端板腐蚀对管桩性能的影响，增加了管桩的使用年限。

Description

一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统及方法
技术领域
本发明涉及碳素钢防腐技术领域，具体为一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统及方法。
背景技术
PHC管桩作为一种预应力高强混凝土管桩具有工业化规模生产、单桩承载力高、对工程地质条件适应力强、施工速度快、环保无污染等优点，在我国许多地区的应用越来越广泛。PHC管桩的端板作为其端部的一种构件主要作用是固定钢筋骨架，使钢筋骨架在钢膜内准确定位，同时方便对管桩内的数根预应力钢筋实施整体张拉，使数根预应力钢筋的预应力钢筋和拉伸长度均匀一致以及作为接桩时的接头等等。PHC管桩的端板材质是Q235钢，PHC管桩作为一种基础长期处于土壤环境中，其桩底端板位于地下埋深较深处，土壤可能处于强酸性、强碱性或者中性以及可能有地下水的存在，位于桩底处的端板必然遭受腐蚀，而端板的腐蚀又会对管桩的承载力造成影响，因此研究PHC管桩端板的防腐是有必要的，该成果大大降低了端板的腐蚀速率，从而减少端板腐蚀对管桩性能的影响，增加了管桩的使用年限。
阴极保护是电化学保护技术的一种，其原理是向被保护体表面施加一个外加电流，使被保护体成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生，阴极保护包括外加电流阴极保护和牺牲阳极保护两种。外加电流阴极保护是指通过外加直流电源以及辅助阳极，给被保护体补充大量的电子，使被保护体整体处于电子过剩的状态，从而难以被腐蚀；而牺牲阳极保护是指将容易失去电子的金属与被保护体连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护体上去，使整个被保护体成为阴极，从而难以被腐蚀。
目前，工程上大部分的PHC管桩对于端板没有采取防腐措施，部分对端板防腐措施也就是在端板表面涂刷防腐蚀涂层或刷漆，但是这种涂漆易在端板表面产生缺陷称为“漏涂”，它可以促进电流释放点产生而导致局部腐蚀，还有就是在沉桩过程中桩与土体接触过程中涂层容易被机械破坏，基于以上原因，现提出一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐措施。
发明内容
本发明目的是提供一种PHC管桩桩底端板在土壤环境中长期有效防止腐蚀的一种牺牲阳极的阴极保护措施，以克服现有PHC管桩桩底端板在土壤环境下易发生腐蚀的问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，包括牺牲阳极，所述牺牲阳极与PHC管桩桩底端板电连接。所述牺牲阳极的阳极体作为阳极，所述PHC管桩桩底端板作为阴极，阳极体的氧化性比PHC管桩桩底端板强。
优选的，所述牺牲阳极包括阳极体，所述阳极体焊接有铁芯，所述铁芯连接有密封接头，所述阳极体位于布袋内，所述布袋内填满填充料，所述密封接头连接阳极电缆一端，所述阳极电缆穿出布袋的袋口后扎紧，所述阳极电缆另一端与PHC管桩桩底端板内圈焊接。
优选的，为防止沉桩过程中对牺牲阳极和电缆造成破坏，所述牺牲阳极及阳极电缆通过U型管卡固定于闭口十字型桩尖内侧，卡子两侧与桩尖内侧焊接，所述闭口十字型桩尖与PHC管桩桩底端板焊接。
优选的，在沉桩前将牺牲阳极的填充料浇水浸透。
优选的，所述PHC管桩内填充与桩底环境相同的土壤，填充高度30cm。
优选的，所述阳极电缆由外至内依次设置有隔水层、防腐蚀层、绝缘层以及金属导体。
优选的，所述阳极电缆另一端与PHC管桩桩底端板内圈采用铝热焊连接，要求焊接牢固，焊缝均匀，焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层。
优选的，所述填充料用于降低牺牲阳极的接地电阻，填充料由硫酸钙、膨润土和硫酸钠混合而成。
优选的，根据施工场地PHC管桩桩底端板处的土壤电阻率勘探数值选择：当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体。
一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐方法，包括如下步骤：
步骤(Ⅰ)、选择阳极体材质
根据施工场地PHC管桩桩底端板处的土壤电阻率勘探数值选择，当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体。
步骤(Ⅱ)、选择阳极体规格
根据PHC管桩设计使用寿命Y与施工场地PHC管桩桩底端板埋深处的土壤电阻率勘测数值ρ进行设计计算并确定阳极体的重量G及其规格大小。
2.1、单支阳极体接地电阻R按公式(1-1)计算：
Figure BDA0002420805160000041
式中，R—单支阳极接地电阻，Ω；
ρ—施工现场PHC管桩桩底端板处深度的土壤电阻率数值，Ω·m；
ρ1—填包料的土壤电阻率数值，Ω·m；
L—阳极体长度，m；
L1—布袋长度，m；
D1—布袋直径，m；
D—阳极体当量直径，m；
t—阳极区中心距地面的距离，m；
2.2、单支阳极体输出的电流If按公式(1-2)计算：
Figure BDA0002420805160000042
式中，If—单支阳极体输出的电流数值，A；
ΔE—阳极体驱动点位，V，镁合金阳极取ΔE＝0.65V，锌合金阳极取ΔE＝0.25V；
R—单支阳极接地电阻，Ω；
2.3、阳极体设计寿命Y核算，按公式(1-3)计算：
Figure BDA0002420805160000051
式中，Y—阳极体设计寿命，a；
G—单支阳极体净重量，Kg；
Q—阳极体实际电容量，镁合金阳极Q＝1100A·h/kg，锌合金阳极Q＝780A·h/kg；
1/K—阳极体利用系数，取值为0.85；
Im—每支阳极体的平均发生电流，A；Im＝(0.6～0.8)If。
步骤(Ⅲ)、安装牺牲阳极
首先，根据步骤(Ⅰ)确定所选的阳极体材质，根据步骤(Ⅱ)确定阳极体的规格，将阳极体放入布袋，再将阳极电缆一端通过密封接头与阳极体的铁芯相连接，然后将填充料充满布袋并浇水将填充料浸透，最后把布袋袋口扎紧；将阳极电缆另一端与PHC管桩桩底端板内圈采用铝热焊接，要求焊接牢固，之后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层；之后将阳极电缆和牺牲阳极通过U型管卡固定在闭口型十字型桩尖内侧，再将U型管卡两侧与闭口型十字型桩尖内侧焊接，便实现了阳极电缆和牺牲阳极的固定同时避免了在沉桩过程中对阳极电缆和牺牲阳极造成破坏；最后将闭口十字型桩尖与PHC管桩桩底端板焊接。
步骤(Ⅳ)、沉桩
PHC管桩内桩底填充与桩底环境相同的土壤，填充高度30cm；在沉桩时选择静力压桩法沉桩。
牺牲阳极安装埋设完毕，对PHC管桩桩底端板的阴极保护效果进行测试评价：选取三组PHC管桩，一组对桩底端板进行阴极保护措施，一组不做防腐处理，最后一组在PHC管桩桩底端板表面刷一层环氧涂层，然后将其埋入相同土壤环境中，一段时间后取出观察其桩底端板的腐蚀形貌进行对比，若有阴极保护的端板表面未被腐蚀，或者，未做防腐处理的端板和表面刷有环氧涂层的端板均比有阴极保护的端板表面腐蚀形貌好，则说明有阴极保护的PHC管桩桩底端板的腐蚀得到了良好的抑制，防腐效果理想。若经观察防腐效果不明显则需增加埋设阳极体用量直至达到保护效果。
本发明设计合理，利用牺牲阳极的阴极保护系统对PHC管桩桩底端板在土壤环境中进行防腐，具有施工方便，材料易得，防腐效果好、时间长的特点，解决了PHC管桩桩底端板在土壤环境中的腐蚀问题，该成果大大降低端板的腐蚀速率，从而减少端板腐蚀对管桩性能的影响，增加了管桩的使用年限。
附图说明
图1表示本发明阴极保护系统的流程示意图。
图2表示本发明PHC300(70)A型管桩桩底端板在土壤环境中的牺牲阳极的阴极保护系统的结构示意图。
图3表示本发明牺牲阳极与PHC300(70)A型管桩桩底端板内圈连接的结构示意图。
图4表示本发明牺牲阳极与闭口十字型桩尖内侧连接的结构示意图。
图5表示本发明牺牲阳极的结构示意图。
图中：1-PHC300(70)A型管桩，2-牺牲阳极，3-阳极电缆，4-桩底端板，5-闭口十字型桩尖，6-U型管卡，7-管桩内部填充土壤，8-外部土壤，9-密封接头，10-铁芯，11-阳极体，12-填充料，13-布袋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种PHC管桩桩底端板在土壤环境中的阴极保护防腐系统，包括PHC300(70)A型管桩1和牺牲阳极2，牺牲阳极2的阳极体11为阳极与PHC管桩桩底端板4电连接，PHC管桩桩底端板4作为阴极。
如图5所示，牺牲阳极2包括阳极体11，阳极体11的氧化性比桩底端板4强；根据施工场地PHC管桩桩底端板4处的土壤电阻率勘探数值选择：当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体11；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体11。牺牲阳极2还包括阳极电缆3、密封接头9、铁芯10、布袋13和填充料12，阳极体11焊接有铁芯10，铁芯10连接有密封接头9(实现密封接头9可拆卸连接于阳极体11上)，阳极体11位于布袋13内，布袋13内填满填充料12，并将阳极体11包裹在内，密封接头9连接阳极电缆3一端，阳极电缆3穿出布袋13的袋口后扎紧，阳极电缆3另一端与PHC管桩桩底端板4内圈焊接，如图3所示。
填充料12用于降低牺牲阳极2的接地电阻，填充料12由硫酸钙、膨润土和硫酸钠混合而成。若选用锌合金为牺牲阳极，三者按10:9:1的重量比例混合配制；若选用镁合金为牺牲阳极，三者按15:4:1的重量比例混合配制。在沉桩前将牺牲阳极2的填充料12浇水浸透。
阳极电缆3与PHC管桩桩底端板4内圈采用铝热焊连接，要求焊接牢固，焊缝均匀，焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层。
阳极电缆3由外至内依次设置有隔水层、防腐蚀层、绝缘层以及金属导体。
为防止沉桩过程中对牺牲阳极2和阳极电缆3造成破坏，将阳极电缆3及牺牲阳极2用U型管卡6固定在闭口十字型桩尖5内侧(如图4所示)，U型管卡6两侧与闭口十字型桩尖5内侧焊接，最后将闭口十字型桩尖5与PHC管桩桩底端板4焊接。
PHC管桩内填充与桩底环境相同的土壤作为管桩内部填充土壤7，填充高度30cm，如图2所示。
一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤(Ⅰ)、选择阳极体材质
根据施工场地PHC管桩桩底端板4处的土壤电阻率勘探数值选择，当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体11；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体11。
步骤(Ⅱ)、选择阳极体规格
根据PHC管桩1设计使用寿命Y(一般选为50年)与施工场地PHC管桩桩底端板4埋深处的土壤电阻率勘测数值ρ进行设计计算并确定阳极体11的重量G及其规格大小。
2.1、单支阳极体接地电阻R按公式(1-1)计算：
Figure BDA0002420805160000091
式中，R—单支阳极接地电阻，Ω；
ρ—施工现场PHC管桩桩底端板处深度的土壤电阻率数值，Ω·m；
ρ1—填包料的土壤电阻率数值，Ω·m；
L—阳极体长度，m；
L1—布袋长度，m；
D1—布袋直径，m；
D—阳极体当量直径，m；
t—阳极区中心距地面的距离，m。
2.2、单支阳极体输出的电流If按公式(1-2)计算：
Figure BDA0002420805160000092
式中，If—单支阳极体输出的电流数值，A；
ΔE—阳极体驱动点位，V，镁合金阳极取ΔE＝0.65V，锌合金阳极取ΔE＝0.25V；
R—单支阳极接地电阻，Ω。
2.3、阳极体设计寿命Y核算，按公式(1-3)计算：
Figure BDA0002420805160000093
式中，Y—阳极体设计寿命，a；
G—单支阳极体净重量，Kg；
Q—阳极体实际电容量，镁合金阳极Q＝1100A·h/kg，锌合金阳极Q＝780A·h/kg；
1/K—阳极体利用系数，取值为0.85；
Im—每支阳极体的平均发生电流，A；Im＝(0.6～0.8)If。
步骤(Ⅲ)、安装牺牲阳极
首先，根据步骤(Ⅰ)确定所选的阳极体11材质，根据步骤(Ⅱ)确定阳极体11的规格，将阳极体11放入布袋13，再将阳极电缆3一端通过密封接头9与阳极体11的铁芯10相连接，然后将填充料12充满布袋13并浇水将填充料12浸透，最后把布袋13袋口扎紧；将阳极电缆3另一端与PHC管桩桩底端板4内圈采用铝热焊接，要求焊接牢固，之后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层；之后将阳极电缆3和牺牲阳极2通过U型管卡6固定在闭口型十字型桩尖5内侧，再将U型管卡6两侧与闭口型十字型桩尖5内侧焊接，便实现了阳极电缆和牺牲阳极的固定同时避免了在沉桩过程中对阳极电缆和牺牲阳极造成破坏；最后将闭口十字型桩尖5与PHC管桩桩底端板4焊接。
步骤(Ⅳ)、沉桩
为了保证电子的有效转移，以及缓冲沉桩时对阳极电缆3和牺牲阳极2的冲击，可在PHC管桩1内桩底填充与桩底环境相同的土壤，填充高度30cm。
在沉桩时选择静力压桩法沉桩，可以减少沉桩时的振动，以避免对阳极电缆3和牺牲阳极2造成破坏；在沉桩前将牺牲阳极2的填充料12浇水浸透。
步骤(Ⅴ)、测试牺牲阳极的阴极保护防腐效果
牺牲阳极2安装埋设完毕，对PHC管桩桩底端板4的阴极保护效果进行测试评价：选取三组PHC管桩1，一组对桩底端板4进行阴极保护措施，一组不做防腐处理，最后一组在PHC管桩桩底端板4表面刷一层环氧涂层；然后将其埋入相同土壤8环境中，一段时间后取出观察其桩底端板4的腐蚀形貌进行对比。
若有阴极保护的端板表面未被腐蚀，或者未做防腐处理的端板和表面刷有环氧涂层的端板比有阴极保护的端板表面腐蚀形貌好，则说明有阴极保护的PHC管桩桩底端板4的腐蚀得到了良好的抑制，防腐效果理想。若经观察防腐效果不明显则需增加埋设阳极体11用量直至达到保护效果。
本发明解决了PHC管桩桩底端板在土壤环境中的腐蚀问题，该成果大大降低端板的腐蚀速率，从而减少端板腐蚀对管桩性能的影响，增加了管桩的使用年限。
虽然以上描述了本发明的具体实施方案，本领域的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用变形、修饰、等同替换或等效替换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：包括牺牲阳极(2)，所述牺牲阳极(2)与PHC管桩桩底端板(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述牺牲阳极(2)包括阳极体(11)，所述阳极体(11)焊接有铁芯(10)，所述铁芯(10)连接有密封接头(9)，所述阳极体(11)位于布袋(13)内，所述布袋(13)内填满填充料(12)，所述密封接头(9)连接阳极电缆(3)一端，所述阳极电缆(3)穿出布袋(13)的袋口后扎紧，所述阳极电缆(3)另一端与PHC管桩桩底端板(4)内圈焊接。
3.根据权利要求1或2所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述牺牲阳极(2)通过U型管卡(6)固定于闭口十字型桩尖(5)内侧，所述闭口十字型桩尖(5)与PHC管桩桩底端板(4)焊接。
4.根据权利要求3所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：在沉桩前将牺牲阳极(2)的填充料(12)浇水浸透。
5.根据权利要求4所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述PHC管桩内填充与桩底环境相同的土壤(7)，填充高度30cm。
6.根据权利要求2所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述阳极电缆(3)由外至内依次设置有隔水层、防腐蚀层、绝缘层以及金属导体。
7.根据权利要求2所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述阳极电缆(3)另一端与PHC管桩桩底端板(4)内圈采用铝热焊连接，焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层。
8.根据权利要求2所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：所述填充料(12)由硫酸钙、膨润土和硫酸钠混合而成。
9.根据权利要求2所述的一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐系统，其特征在于：根据施工场地PHC管桩桩底端板(4)处的土壤电阻率勘探数值选择：当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体(11)；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体(11)。
10.一种PHC管桩桩底端板阴极保护防腐方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(Ⅰ)、选择阳极体材质
根据施工场地PHC管桩桩底端板(4)处的土壤电阻率勘探数值选择，当土壤电阻率在20Ω·m以下时，采用锌合金作为阳极体(11)；当土壤电阻率在20Ω·m以上时，采用镁合金作为阳极体(11)；
步骤(Ⅱ)、选择阳极体规格
根据PHC管桩(1)设计使用寿命Y与施工场地PHC管桩桩底端板(4)埋深处的土壤电阻率勘测数值ρ进行设计计算并确定阳极体(11)的重量G及其规格大小；
2.1、单支阳极体接地电阻R按公式(1-1)计算：
Figure FDA0002420805150000031
式中，R—单支阳极接地电阻，Ω；
ρ—施工现场PHC管桩桩底端板处深度的土壤电阻率数值，Ω·m；
ρ1—填包料的土壤电阻率数值，Ω·m；
L—阳极体长度，m；
L1—布袋长度，m；
D1—布袋直径，m；
D—阳极体当量直径，m；
t—阳极区中心距地面的距离，m；
2.2、单支阳极体输出的电流If按公式(1-2)计算：
Figure FDA0002420805150000032
式中，If—单支阳极体输出的电流数值，A；
ΔE—阳极体驱动点位，V，镁合金阳极取ΔE＝0.65V，锌合金阳极取ΔE＝0.25V；
R—单支阳极接地电阻，Ω；
2.3、阳极体设计寿命Y核算，按公式(1-3)计算：
Figure FDA0002420805150000033
式中，Y—阳极体设计寿命，a；
G—单支阳极体净重量，Kg；
Q—阳极体实际电容量，镁合金阳极Q＝1100A·h/kg，锌合金阳极Q＝780A·h/kg；
1/K—阳极体利用系数，取值为0.85；
Im—每支阳极体的平均发生电流，A；Im＝(0.6～0.8)If；
步骤(Ⅲ)、安装牺牲阳极
首先，根据步骤(Ⅰ)确定所选的阳极体(11)材质，根据步骤(Ⅱ)确定阳极体(11)的规格，将阳极体(11)放入布袋(13)，再将阳极电缆(3)一端通过密封接头(9)与阳极体(11)的铁芯(10)相连接，然后将填充料(12)充满布袋(13)并浇水将填充料(12)浸透，最后把布袋(13)袋口扎紧；将阳极电缆(3)另一端与PHC管桩桩底端板(4)内圈采用铝热焊接，之后对焊接部位进行防腐处理，再做水泥砂浆防护层；之后将阳极电缆(3)和牺牲阳极(2)通过U型管卡(6)固定在闭口型十字型桩尖(5)内侧，再将U型管卡(6)两侧与闭口型十字型桩尖(5)内侧焊接；最后将闭口十字型桩尖(5)与PHC管桩桩底端板(4)焊接；
步骤(Ⅳ)、沉桩
PHC管桩(1)内桩底填充与桩底环境相同的土壤，填充高度30cm；在沉桩时选择静力压桩法沉桩。
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