CN111576494A - 用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统及其应用方法 - Google Patents

用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极‑砂浆复合阴极保护系统及其应用方法，该系统包括包围于钢结构之外的环形导电砂浆浇筑体、内置于环形导电砂浆浇筑体内的砂浆比与环形导电砂浆浇筑体一致的至少两块牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块内部埋设有锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出牺牲阳极砂浆试块外部并与从钢结构表面引出的铜导线电连接。本发明可以根据现场情况的需要来确定维修维护中所使用的砂浆导电率，根据应用环境确定溴化锂的掺量来配制导电砂浆，不仅保证钢结构的有效保护还可以大大降低工程成本。

Description

用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系 统及其应用方法
技术领域
本发明属于海洋工程钢结构腐蚀防护领域，尤其涉及用于钢结构牺牲阳极阴极保护的导电砂浆制备方法及应用。
背景技术
海洋工程钢结构面临湿度大、盐分高、干湿交替等严苛的腐蚀环境，长期在海洋大气、海水侵蚀及海浪冲击的作用下，钢结构腐蚀问题突出，严重威胁海工钢结构安全服役(RT Vashi，HK Kadiya.Corrosion study of metals in marine environment[J].Journal of Chemistry,2009,6(4):1240-1246)。为保证海工钢结构设备长期安全运行，牺牲阳极阴极保护技术被广泛用于提高水下钢结构耐久性(高聪，黄志强，王志强.海洋工程钢结构阴极保护新型阳极的研究[J].腐蚀与防护,2015,36(11):1086-1089)。然而，处于大气或浪溅区条件下的钢结构，由于结构物表面处于干燥或部分干燥状态，无法在牺牲阳极和钢结构之间形成离子回路，整体防护效果较差。近年来，牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术以不受应用环境影响的导电砂浆作为阴极保护的电解质成为钢结构防护研究的新方向(Sergi.G Ten-year results of galvanic sacrificial anodes in steelreinforced concrete[J].Materials and Corrosion,2011,62(2):98-104)。然而，砂浆的高电阻率却是限制牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术工程应用的主要问题，研发新型低电阻率砂浆是当前研究重点。
发明内容
本发明的第一目的在于研发一种新型高导电砂浆，用于海洋工程钢结构的牺牲阳极阴极保护系统，保障海工钢结构的全寿命周期安全服役。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统，其包括：包围于钢结构之外的环形导电砂浆浇筑体、内置于环形导电砂浆浇筑体内的至少两块牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块内部埋设有锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出牺牲阳极砂浆试块外部并与从钢结构表面引出的铜导线电连接，牺牲阳极砂浆试块与环形导电砂浆浇筑体的砂浆配比一致，所述砂浆配比为如下质量份的材料：
溴化锂：1，
水泥：3～15，
砂：9～45，
水：1.8～9。
所述砂浆配比根据应用场合对砂浆电阻率的需求，根据以下公式选择溴化锂的掺量：
ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
公式(1)由以下步骤获得：
步骤1：设置砂浆配比中对于溴化锂的多组掺量试验方案，称取各组中的溴化锂与水配成溶液，用溶液进行水化反应，依次加入水泥、砂搅拌完全后装入试模内，在试模中埋入四个钛网平行电极，振实、养护成型，采用四电极法测试砂浆电阻率，从而探明溴化锂掺量、砂浆导电性及龄期之间的相互关系并绘制溴化锂掺量与砂浆导电性曲线；
步骤2：利用计算机软件建立方程进一步拟合不同龄期不同掺量下砂浆电阻率发展状况，得到公式ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
本发明的第二目的在于提供一种对海上大气区钢结构进行腐蚀防护的方法。
为了实现这一目的，本发明采用了以下技术方案：一种采用如上任一所述的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统对海上大气区钢结构进行腐蚀防护的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.根据应用场合对砂浆电阻率的需求，选择溴化锂的掺量，制备导电砂浆；
S2.采用制得的导电砂浆制备牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块内部预埋锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出；
S3.对钢结构进行表面处理，并焊接铜导线引出；
S4.在钢结构外部固定一环形护套，在护套与钢结构外壁之间的环形空间内间隔均匀地设置两块牺牲阳极砂浆试块，在护套与钢结构外壁之间的环形空间内浇入同配比的导电砂浆将牺牲阳极砂浆试块包裹于其内，养护后去除护套；
S5.电连接钢结构铜导线与牺牲阳极砂浆试块的锌带阳极外引导线，测试钢结构不同部位电位变化，实现采用牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术对海上大气区钢结构进行腐蚀防护。
本发明可以根据现场情况的需要来确定维修维护中所使用的砂浆导电率，对处于大气区及飞溅区钢结构，环境干燥需要较高电导率砂浆，而对于浪溅区及水下区钢结构处于保水环境，较低电导率砂浆即可满足应用需求，根据应用环境确定溴化锂的掺量来配制导电砂浆，不仅保证钢结构的有效保护还可以大大降低工程成本。将配好的导电砂浆浇筑于钢结构外部并根据钢结构腐蚀程度、锈蚀面积确定牺牲阳极数量、尺寸、分布位置，能有效延长海工钢结构的维修周期和安全服役寿命，对保障海工钢结构全寿命周期安全运营具有重要意义。
附图说明
图1a是3天养护龄期情况下不同掺量溴化锂与砂浆试块电阻率的对应关系图；
图1b是14天养护龄期情况下不同掺量溴化锂与砂浆试块电阻率的对应关系图；
图1c是28天养护龄期情况下不同掺量溴化锂与砂浆试块电阻率的对应关系图；
图1d是49天养护龄期情况下不同掺量溴化锂与砂浆试块电阻率的对应关系图；
图2是牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统应用示意图；
图3是实施例1中1～7号测试点在不同养护龄期的过电位的对应关系图；
图4是实施例2中1～7号测试点在不同养护龄期的过电位的对应关系图。
其中，钢结构100，铜导线101，护套200，导电砂浆浇筑体300，牺牲阳极砂浆试块400，锌带阳极外引导线401
具体实施方式
本发明的一种用于海上大气区钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统，其包括包围于钢结构100之外的环形导电砂浆浇筑体300、内置于环形导电砂浆浇筑体300内的至少两块牺牲阳极砂浆试块400，牺牲阳极砂浆试块400内部埋设有锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出牺牲阳极砂浆试块外部并与从钢结构表面引出的铜导线101电连接。牺牲阳极砂浆试块与环形导电砂浆浇筑体的砂浆配比一致，所述砂浆配比为如下质量份的材料：
溴化锂：1，
水泥：3～15，
砂：9～45，
水：1.8～9。
所述砂浆配比根据应用场合对砂浆电阻率的需求，根据以下公式选择溴化锂的掺量：
ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
上述公式(1)由以下步骤获得：
步骤1：设置砂浆配比中对于溴化锂的多组掺量试验方案，称取各组中的溴化锂与水配成溶液，用溶液进行水化反应，依次加入水泥、砂搅拌完全后装入试模内，在试模中埋入四个钛网平行电极，振实、养护成型，采用四电极法测试砂浆电阻率，从而探明溴化锂掺量、砂浆导电性及龄期之间的相互关系并绘制溴化锂掺量与砂浆导电性曲线；
步骤2：利用计算机软件建立方程进一步拟合不同龄期不同掺量下砂浆电阻率发展状况，得到公式ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
实施例1：一种用于海上大气区钢结构阴极保护的导电砂浆制备方法及应用。
由于大气区钢结构表面干燥，为保证牺牲阳极与钢结构之间形成良好的离子回路，需要选用导电性较高的砂浆配比(砂浆电阻率小于500Ω·cm2)，配方如下：
溴化锂：1
水泥：3～4
砂：9～12
水：1.8～2.5
首先将溴化锂溶解，后依次加入水泥、砂搅拌2-5分钟，钢管桩外部固定护套，护套与钢管桩之间距离为4cm。采用上述配合比导电砂浆自制牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块模型为圆柱结构(φ2cm×L5 cm)，内部预埋锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出。将2个制好的牺牲阳极砂浆试块左右对称地置于固定护套内壁与钢管桩外壁之间的空隙中央，浇入同配合比导电砂浆，养护后去除固定护套。
连接钢管桩与牺牲阳极砂浆试块，采用万用表以Cu/CuSO4为参比电极，钢结构导线为工作电极测试钢结构不同部位连接牺牲阳极砂浆试块前后电位变化，实现采用牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术对海上大气区钢结构进行腐蚀防护。结果如附图3所示，牺牲阳极-导电砂浆复合阴极防护技术显著提升大气区钢结构的保护电位150mV以上，有效降低钢结构腐蚀风险，能够在长期范围内为大气区钢结构提供全面、充分的保护效果。
实施例2：一种用于海上浪溅区钢结构阴极保护的导电砂浆制备方法及应用。
由于浪溅区钢结构表面处于干湿交替状态，对砂浆导电性要求降低，为保证牺牲阳极与钢结构之间形成良好的离子回路，砂浆配比(砂浆电阻率500～1000Ω·cm2)如下：
溴化锂：1
水泥：4～7.5
砂：12～22.5
水：2.5～4.5
首先将溴化锂溶解，后依次加入水泥、砂搅拌5分钟，钢管桩外部固定护套，护套与钢管桩之间距离为4cm。采用上述配合比导电砂浆制备牺牲阳极砂浆试块，砂浆试块模型为圆柱结构(φ2cm×L5 cm)，内部预埋锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出。将2个自制牺牲阳极砂浆试块均匀置于固定护套与钢管桩空隙内，浇入同配合比导电砂浆，养护后去除固定护套。
对钢管桩采用间歇盐水喷雾模拟浪溅区海洋环境，连接钢管桩与牺牲阳极砂浆试块，测试钢结构不同部位电位变化，实现采用牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术对海上浪溅区钢结构进行腐蚀防护。结果如附图4所示，牺牲阳极-导电砂浆复合阴极防护技术显著提升浪溅区钢结构的保护电位100mV以上，有效降低了钢结构腐蚀风险，能够在长期范围内为浪溅区钢结构提供全面、充分的保护效果。

Claims (4)

1.一种用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统，其特征在于包括：包围于钢结构之外的环形导电砂浆浇筑体、内置于环形导电砂浆浇筑体内的至少两块牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块内部埋设有锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出牺牲阳极砂浆试块外部并与从钢结构表面引出的铜导线电连接，牺牲阳极砂浆试块与环形导电砂浆浇筑体的砂浆配比一致，所述砂浆配比为如下质量份的材料：
溴化锂：1，
水泥：3～15，
砂：9～45，
水：1.8～9。
2.根据权利要求1所述的一种用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统，其特征在于：所述砂浆配比根据应用场合对砂浆电阻率的需求，根据以下公式选择溴化锂的掺量：
ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
3.根据权利要求2所述的一种用于海上钢结构阴极保护的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统，其特征在于公式(1)由以下步骤获得：
步骤1：设置砂浆配比中对于溴化锂的多组掺量试验方案，称取各组中的溴化锂与水配成溶液，用溶液进行水化反应，依次加入水泥、砂搅拌完全后装入试模内，在试模中埋入四个钛网平行电极，振实、养护成型，采用四电极法测试砂浆电阻率，从而探明溴化锂掺量、砂浆导电性及龄期之间的相互关系并绘制溴化锂掺量与砂浆导电性曲线；
步骤2：利用计算机软件建立方程进一步拟合不同龄期不同掺量下砂浆电阻率发展状况，得到公式ρ＝(10136t0.34-10127)e-0.03m (1)
其中：ρ表示砂浆电阻率；
t表示龄期；
m表示无水溴化锂的掺量。
4.一种采用如权利要求1～3任一所述的牺牲阳极-砂浆复合阴极保护系统对海上大气区钢结构进行腐蚀防护的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.根据应用场合对砂浆电阻率的需求，选择溴化锂的掺量，制备导电砂浆；
S2.采用制得的导电砂浆制备牺牲阳极砂浆试块，牺牲阳极砂浆试块内部预埋锌带阳极，锌带阳极一端焊接导线引出；
S3.对钢结构进行表面处理，并焊接铜导线引出；
S4.在钢结构外部固定一环形护套，在护套与钢结构外壁之间的环形空间内间隔均匀地设置两块牺牲阳极砂浆试块，在护套与钢结构外壁之间的环形空间内浇入同配比的导电砂浆将牺牲阳极砂浆试块包裹于其内，养护后去除护套；
S5.电连接钢结构铜导线与牺牲阳极砂浆试块的锌带阳极外引导线，测试钢结构不同部位电位变化，实现采用牺牲阳极-砂浆复合阴极保护技术对海上大气区钢结构进行腐蚀防护。
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