欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

钢板桩防腐保护措施

352 2021-08-25 11:01:13


大多数情况下钢材的腐蚀率均较低,因而没有必要采取保护措施。但是,有些情况下,钢板桩的腐蚀会很明显,此时就有必要采取保护措施增加其使用寿命,具体措施如下;

(1)采用较大截面的钢板桩;(2)采用高屈服强度的低碳钢;(3)采用有机防护涂层或混凝土封套;(4)运用阴极保护。

如果板桩墙位于极易发生局部腐蚀的地区,在设计阶段就需要考虑采取一项或多项保护措施,确保其有效寿命,特别是在低水位区及其附近。(考虑到腐蚀是高度局部的,有必要对成本中有关防腐的费用进行说明)

此外,还应提出一个专门针对可能受到磨损或侵蚀的结构的处理方案。当考虑防腐措施,例如,选用何种防腐涂层时,也要考虑磨损和侵蚀的影响。

9.4.1 新建结构保护措施

9.4.1.1. 采用较大截面的钢板桩

增加额外厚度补偿板桩墙的腐蚀损失,可以延长钢板桩的有效寿命,厚度大小取决于钢板桩的使用寿命和所处环境。9.3 中列出了钢板桩在各种环境中的厚度损失。确定厚度补偿时,最关键的一点是分析结构的应力分布,找到腐蚀损失最严重的区域。腐蚀最严重的区域和应力最大的区域也有可能不在同一个地方,因此,在很多情况下,增加板桩厚度是延长钢板桩使用寿命的最划算的方法。

此外,对处于低水位区的钢板桩,在其表面另焊一块钢板来增加其厚度,是一种更经济的防腐方法,通常选用的钢板长度为 2~3m。

9.4.1.2 .采用高屈服强度钢

除了采用较大截面的钢板桩外,还有一种方法是采用高屈服强度的钢材;并保持截面不变。虽然各种等级碳素钢的腐蚀率都相似,但是将 S355GP 的钢板桩按照 EN10248 的规定设计成 S270GP的钢板桩时,将会增加 30%的额外厚度用于腐蚀损失,相当于提高了钢板桩的安全储备。这种方法实际上就是腐蚀补偿,将钢板桩的有效寿命延长 30%的同时增加不到 2%的钢材成本。将 S390GP 或 S430GP的钢板桩设计成 S270GP 的钢板桩时,可以使板桩的安全性得到更大的提升。

9.4.1.3 涂层保护 1)大气区

沿海地区和工业区,由于盐和工业污染物——特别是二氧化硫会使得腐蚀加快。常规涂料的寿命很短,因此需要频繁养护。重型环氧树脂/聚氨酯可以延长第一次养护的时间,并且降低钢板桩的维护成本。通常情况下钢板桩有一部分会暴露在大气中,如挡土墙。这种情况下,对钢板桩的外观要求很高,煤焦油环氧漆或生锈表面已经不满足审美要求,兼具光泽和色彩且便于使用和养护的聚氨酯成了最佳选择。

推荐系统∶硅酸锌环氧底漆;二道环氧底漆;脂肪族聚氨酯面漆; 240μm厚干膜系统。 2)淡水水下区

虽然咸水和污水的腐蚀也很严重,但是总体而言,淡水的腐蚀性还是要低于海水。淡水工程通常有审美方面的考虑,为了节省时间和成本,通常在水上和水下采用相同的涂层系统。建议采用不含焦油、同时适用于水下区和大气区的涂层系统。如果工程对颜色及光泽度要求较高,可以采用聚氨酯面漆。

推荐系统∶

多胺固化环氧树脂涂料; 300μm厚干膜系统。

 3)海水水下区

对于部分或全部位于水下区的钢板桩,需要特别注意。水下区的磨损和冲击(直接或间接的)可能会损害涂层,海水中的溶解盐也会加速水下区的腐蚀速率。对于处在水下区的钢板桩,必须确保其质量不会出现问题,防腐要做到位。应用涂层保护系统时,要选用高质量的涂料,正确操作。阴极保护通常是和涂层保护系统一起使用的,使用时必须保证所选的涂料完全通过兼容性测试。

推荐系统∶聚酰胺固化环氧底漆;聚酰胺固化煤焦油环氧涂层; 450μm 厚干膜系统。

此外,也可以用玻璃鳞片加强环氧涂料结合适当的底漆和密封层使用。

 4)垃圾处理场地

钢板桩正越来越多地用来隔离受污染场地,或阻挡从其他地区运来的污土。在这种情况下,钢板桩的防腐就显得至关重要。选用的涂层系统必须具备突出的耐腐蚀性,特别是抵抗矿物和有机酸侵蚀的能力。此外,还要能够承受磨损和碰撞。

岩土工程

推荐系统∶

云母氧化铁色素聚酰胺固化环氧底漆;多胺固化环氧涂层增强化学抵抗力; 480μm 厚干膜系统。 9.4∶1.4.阴极保护

海洋钢板桩阴极保护系统的设计和应用是一项非常复杂的工作,需要由专业公司完成。阴极保护分为两种∶牺牲阳极的阴极保护和外加直流电的阴极保护。电化学腐蚀中,所有的金属损失都发生在阳极,这两种阴极保护的本质都是将钢板桩作为阴极,然后外置一个阳极,从而起到防腐的作用。裸钢在海水中所需的初始平均电流密度约为 100mA/m²,经过一段时间之后会下降至 30~70mA/m²。因此,表面积大的钢板桩需要的总电流也较大。如果板桩涂层在水位线以下,根据涂料类型,电流量可以相应降低,最低至 5mA/m²。随着时间的推移,保护涂层会退化,但是,板桩裸露部位防护钙和镁盐的沉积以及海洋有机物的生长,又在一定程度上减轻了涂层退化。从长远来看,总电流量会增加,因而在设计阴极保护系统时要预留一定的措施来应对这种情况。不是所有的涂层都可以和阴极保护一起使用的,涂层应有较大的电阻,并尽可能连续分布,能够抵抗钢材表面阴极反应生成的碱性物质的腐蚀,9.4.1.3 中推荐的海水水下区的涂层保护系统均可以同阴极保护共同使用。

阴极保护只适用于半潮位线以下的区域,半潮位线以上的区域,包括浪溅区,则需要采用其他方法。目前已经对三种防腐方法(牺牲阳极、外加电流或将阴极保护系统与可兼容的涂层共同使用)进行了包含细菌生物反应测试在内的评估,欧洲和日本推荐这三种方法为低水位区的局部防腐方法。

由于砂子冲刷的是腐蚀产物(而不是钢表面),因而一般情况下阴极保护在海底面处效果更好。但是,砂子的侵蚀阻挡了阴极保护生成的钙质沉积物的沉积,因而,保护电流的密度要高于标准值。

9.4.1.5 '混凝土套筒

混凝土套筒可以用来保护海洋环境中的钢板桩。通常情况下,混凝土套筒仅限于在浪溅区使用,使用时可以将套筒底端延伸至平均高水位线以下。但是,在某些情况下,浪溅区和水位变动区均要用套筒保护。

经验表明,浪溅区钢板桩和混凝土的交界处会形成一个狭窄的高腐蚀区域。这是电化学作用的结果,即混凝土中的钢筋和钢板桩之间存在电势差,再加上连接处氧气浓度的差异,使得邻近混凝土的外露钢筋迅速成为阳极,进而先被腐蚀。

混凝土自身始终存在退化问题,它的 pH值约为12~13,在此范围内,钢筋是惰性的并且只在表面发生腐蚀。但是,海水中的氯离子扩散进入混凝土会破坏钢筋的惰性,加快腐蚀速率。因而,海洋环境中采用的混凝土必须具备高性能,如高强度、良好的连接性、低渗透性及不含氯化物。此外,还必须有足够厚度的保护层,正确放置及加工。如果没有达到这些要求,那么钢板桩或混凝土中的钢筋锈蚀形成的锈层就会产生很大的压力,导致混凝土破裂,使钢板桩暴露在海水中。局部碎裂的混凝土套筒及外露钢筋的修复工作是很困难的,费用也很高。

采用正确的设计方案以及高性能混凝土套筒是提高钢板桩使用寿命的有效方法。

9.4.2 已建结构保护措施 9.4.2.1 局部覆板

板桩墙受腐蚀部位可以另焊一块钢板来"加厚",这块钢板也可以用来修补缺口和裂缝。潮湿和干燥的环境下都可以焊接钢板,但是后者不需要潜水员和特殊技术。目前已经有专业的排水设备,可以为焊接施工提供干燥的环境。钢板桩经过修复之后,可以考虑采用防腐涂层或阴极保护。

9.4.2.2 防腐涂层

局部腐蚀区域可以使用防腐涂层。钢板桩的表面处理以及涂料性质对钢板桩的使用寿命至关重要。利用排水设备,可以在干燥环境下涂抹防腐涂层,但是这种设备能够到达的深度有限,最低只能到达低水位线附近,到不了河床面。

目前已经开发出了无溶剂涂料,可以通过专门的设备在水下涂抹和固化。此外,还可以采用双涂层将涂层缺陷降至最低,这种涂层可以在河床面附近使用。

9.4.2.3 阴极保护

阴极保护可用于受腐蚀或需要修复的钢板桩。如果钢板桩的电位是连续的,且一直维持在合适的电位,就可以得到较好的防腐效果。

9.4.2.4 正面保护

特殊情况下,可以在板桩墙前另外打入一排较短的钢板桩,将两排钢板桩连接在一起,形成一个新的板桩墙,两排桩之间的空隙用混凝土填充。因而,前墙被腐蚀后不会破坏整个结构的稳定性。但是,由于对前排板桩的几何要求等原因,这种方法在实际情况中是不实用的。

9.4.2.5 其他保护措施

在编写这本手册的过程中,又发展了一些新的方法。

目前正在研究一种处理早期局部腐蚀的电化学方法。受腐蚀部位首先通过电化学清洗、消毒,然后将由海水中的溶解盐形成的钙质沉积物涂抹在钢板桩表面,就可以避免进一步腐蚀。但是,这种涂层是否具有耐久性仍然有待验证。

水基胶凝改性聚合物涂料可以在现场喷涂,只需 2mm 就可以得到很好的防腐效果。这种涂料目前正在进一步研制之中。

此外,还有很多现有水下涂料的升级产品正在研制和测试中。

9.4.3 不同环境中钢板桩的保护措施

本小节列出的几点建议均基于.9.3中各种环境下钢板桩的腐蚀率以及我们的经验。此外,还应考虑场地条件,特别是会减少板桩寿命的不利条件,如钢板桩的局部腐蚀。

1)泥下区

打入原状土的钢板桩,不论遇到的是何种土,都不需要采取保护措施,这一点也适用于打入港口、河底和海底的钢板桩。

对于打入新近填土和特殊工业填土的钢板桩,需要另外采取保护措施,但是应区别对待,推荐在 480μm 的干涂层中添加具有持久保护性能的有机涂层(9.4.1.3)。

2)海水水下区

通常情况下,海水水下区的钢板桩腐蚀率较低,可以在设计时将其厚度损失也一并考虑在内,因此,可以在海水水下区使用裸钢。此外,也可以采用防腐涂层或阴极保护来达到其设计寿命。

3)淡水水下区

这种情形同海水水下区实际上是一样的,腐蚀率也很低,因而也可以使用裸钢。淡水水下区可以使用有机防腐涂层来延长钢板桩的寿命。

4)淡水水面附近

没有潮水时,板桩河堤在水面附近会发生腐蚀,特别是在运河等水位保持不变的水域。小型运河通常采用槽型板,大型运河中钢板桩使用较多。建议在临水侧水面上下 1m 范围内使用 300μm 的干膜有机防腐涂层,其他部位不需要采取保护措施。如果水面上方的钢板桩出于审美要求需要上色时,就要在高出水面 1m 以上的部分也使用防腐涂层。

如果水位线是变化的,就不需要使用防腐涂层了。此时,如果水位线上方仍然因为审美要求需要上色时,也可以使用防腐涂层。

5)海洋水位变动区

水位变动区往往会累积海洋污损生物,这些生物可以保护钢板桩,降低这一区域的腐蚀率。水位变动区的钢板桩可以通过保腐涂层或阴极保护达到设计使用寿命,也可以采用有腐蚀补偿的裸钢。腐蚀峰值出现在低水位区,低水位区的局部腐蚀,可以采用 9.4.2 中的防腐措施。

6)海洋浪溅区

浪溅区和低水位区一样,腐蚀率也是最高的,可以选用不同的防腐方法。多数情况下都可以采用有适当腐蚀补偿的裸钢。在浪溅区,ASTM 规定的 A690 级钢(船用钢)相对于传统的碳素钢在性能上有2~3 倍的提升。此外,也可以采用有机涂层或混凝土套筒。前者建议使用 450μm 的干膜涂层,并且应当延伸至平均高水位线下至少 lm处。需要注意的是,由于缺少钻孔参数,通常无法预估打桩深度,这种情况下,就需要增大涂层使用面积,确保处于浪溅区的板桩也有防腐涂层。这一区域钢板桩维修的难易程度和效果取决于当地条件,如波浪的侵蚀程度。-..

当潮差较小时,可以采用混凝土套筒。套筒至少延伸到平均高水位线下 1m 处,并应采用最高强度混凝土,且必须确保套筒内的钢板桩有良好的密封性。

7)大气区

农村、城市或工业区的钢板桩通常因为美观要求需要上色,针对不同的要求可以采用不同的涂层。对于美观是首要要求的工程,可以在聚氨酯涂层上再刷别的油漆。

这类涂料也适用于板桩桥墩、受盐雾作用的地上板桩结构以及被砖石覆盖的板桩墙或桥墩。大气区和浪溅区通常采用相同的防腐措施。