Roadscience:腐蚀 - 内在的敌人

研究继续为所有者和设计师提供新选择,以节省混凝土桥梁。


由Tom Kuennen,贡献编辑


腐蚀HPC复杂的横甲板开裂,例如从底面看的纽约状态,在桥梁甲板中对钢板的热情减少,作为腐蚀保护方法。

混凝土桥梁中加强钢的腐蚀降解了桥式甲板和其他上部结构元件 - 除了子结构之外 - 通过使嵌入式钢膨胀,造成混凝土中的裂缝,最佳粗糙骑行,最坏的结构失败。

幸运的是,桥梁所有者的“工具箱”中存在许多工具,用于慢慢或停止其轨道的腐蚀。防腐蚀可以内置于桥梁中或追溯地应用。路面除冰技术和材料也可以中度氯化物诱导的腐蚀。

研究继续为所有者和设计师提供新的选择。这是一些这些更改和选项的样子。

桥梁腐蚀是由钢铁及其环境之间的反应。从铁矿石中精制钢,但是它产生的那一刻它开始腐蚀,主要用于氧化物化合物,然后越来越富于氧化物化合物。

钢结构也可以极大地遭受腐蚀,并且通常受各种高性能桥接涂层的良好保护。但近几十年来,钢筋混凝土桥梁的扩散 - 由预应力或张切的元素构成,包括梁,墩,码头盖和甲板,专注于防止混凝土中钢腐蚀的巨大关注。

由于波特兰水泥是高度碱性的,因此由它制成的混凝土提供了一层,为钢材提供了一种被动保护。增强钢从初始腐蚀的表面开发初始氧化膜,并且混凝土的高碱度稳定薄膜。但由于PCC允许液体通过其毛孔,微裂纹和裂缝移动,从雪和冰的氯化物熔化,或沿着沿着沿着沿着沿着沿着沿着沿着陆地环境的氯化水,可以达到钢,破坏氧化膜,加速腐蚀。

钢不仅是氯化物退化,而且因为腐蚀的产品比现有的钢更多的房间,由化学反应突出的巨大向外压力裂解混凝土,导致更多的裂缝,使更多的氯化物进入混凝土,加速这个过程。向外表现可以是裂缝的裂缝,耐锈污渍渗出在混凝土表面上,或具有结构降解的混凝土的剥落和分层。

除冰和海洋盐水不是唯一的罪魁祸首;增强钢的腐蚀也可以通过混凝土碳酸化进行,与游离大气二氧化碳的反应,降低混凝土的pH。这种极慢的过程可降低混凝土保护嵌入式钢的能力。

工具箱如果不控制,脱光诱导的腐蚀会导致剥落,这可以降解桥梁子结构,在此之前在修复之前清洁。

通过被动和主动装置保护钢筋混凝土桥的腐蚀修复的工具箱是广泛的,并且不断变化。这些修复包括:

增强钢筋。钢钢筋可以是环氧树脂涂层的,镀锌或包层,以惰性不锈钢,以抵抗腐蚀。钢筋本身可能是不锈钢,或者最近,碳纤维聚合物复合材料不会腐蚀。

混凝土添加剂和混合设计。如Microsilica(硅粉)等混合物填充了混凝土的孔,抑制了氯化物升水的迁移。低水位混合比率帮助。和高性能的混凝土(HPC) - 抵抗氯化物除了提高混凝土抗压强度之外的迁移 - 已经取得了一些成功,尽管与HPC相关的意外的甲板开裂导致近年来桥梁甲板中的设计师在桥式甲板上重新思考HPC。

表面密封剂和膜。大量不透水和微链光学增强的混凝土覆盖,硅烷/硅氧烷密封剂,甲基丙烯酸酯树脂裂纹密封剂,乳胶改性混凝土覆盖物和防水甲板膜保持保护免受抗氯化物的破坏性抗氯化物。

电化学修复。这些包括桥梁结​​构的主动阴极保护,并从它们中除去氯化物。

维护最佳实践。使用更昂贵的无腐蚀剂,继续修复裂缝,甲板的洗涤,以及流量和桥接接头的周期性维护,远远可以保护桥梁免受腐蚀。


获得甲板

“由于氯离子侵入,桥式甲板失效的主要机制是钢筋的表面劣化和腐蚀,”威廉S.凯尔斯,校长和斯坦利R.彼得斯,PE,高级工程师,百年盛会,Colo.-基于施工技术服务,2006年向科罗拉多州的科罗拉多州运输部报告,对冬季维护材料保护桥甲板混凝土和加固钢的产品。

如果这是真的,那么一个坚强的抵抗甲板表面可以为氯化物渗透提供第一行防线。抗性甲板将抑制快速的氯化物渗透并抵抗较长的熔融水中的渗透。但它也必须是耐磨性的,冰砖和彼得斯写。

他们说,需要开发混凝土混合物以最大限度地减少干燥收缩和渗透率(高密度,低收缩),以防止氯化物侵入的第二线。“ “然而,膜似乎是防止通过总是发生的裂缝直接侵入除冰化学品的最有效方法。”

流行脱落器的热门甲板屏障是乳胶改性混凝土(LMC)覆盖层。它在繁忙的高速公路上使用,也可以站在交通中。但是LMC更常被放置在桥式甲板和停车结构上的薄粘合覆盖层。

sw经过几十年的服务,坚韧的乳胶改装混凝土桥式覆盖层覆盖在一个星期五晚上的匹兹堡的I-376努力磨削;新的LMC叠加层将于周一早上高峰时段重新开放的第二天和桥梁。

作为LMC固化,聚合物形成内部塑料薄膜,导致氯化物的低渗透性,低弹性模量(使其比传统的混凝土更柔韧),该粘合剂比下面的基板更强,以及对滥用交通负荷的高耐久性。然而,最终将不得不更换LMC覆盖,并且与他们一样强烈,他们对承包商提出了一个特殊的挑战,该承包商将在更换的提前磨削年龄LMC覆盖层。

“乳胶修饰符有助于覆盖物到甲板的粘附性,并且还有助于降低混凝土的渗透性,”Northbrook,Ill.的Wiss,Janney,Elstner Associates,Inc。 “LMC已经使用了很多年,并且有很多甲板在芝加哥,例如,在芝加哥非常成功。但其他机构患有早期塑料收缩裂缝问题。“


“LMC已经使用了很多年,并且有很多甲板已经成功,例如芝加哥。但其他机构患有早期塑料收缩裂缝问题。“

保罗D. Krauss,P.E., Northbrook,Ill.的校长Wiss,Janney,Elstner Associates,Inc。


另一种选择,穿透硅烷/硅氧烷封口机,深入混凝土甲板,与混凝土形成化学键,并排斥水。

另一种排列是来自嘉吉的Safelane冰覆盖。 3/8英寸厚的覆盖层用环氧树脂和典型的多层环氧树脂覆盖物构成,用于为弗吉尼亚州的PE迈克尔M. Sprinkel,PE报告桥式甲板提供滑动的磨损和保护表面。研究委员会。

在覆盖层中使用的聚集体的不同之处在于它们被认为吸收和储存施加到表面的液体制剂化学物质。 “这些化学品有可能减少,在某些情况下,在某些情况下,冰雪积累在覆盖层上,从而减少与冰雪和冰和冰和冰和冰的事故的数量。”


支持远离HPC

高性能混凝土是耐用的混凝土,因为它的强度和氯化物渗透的不透明度使得它比常规PCC更长。它是由水,波特兰水泥和精细和粗聚合物的经典元素组成的工程混凝土,但添加了组件。

在HPC中,仔细选择和分化(“优化”),以形成高早期优点,高终极强度和高耐久性,超越传统混凝土。

HPC在预制混凝土结构元件中提供增强的机械性能,包括较高的拉伸和抗压强度,以及加强弹性模量(刚度)。在冰霜的地区,HPC的好处很棒。 HPC的增强耐久性有助于抵抗氯化物雪和冰熔融水的渗透。这导致钢筋内的寿命更长,并且减少剥落,开裂和相关的维修。

战略高速公路研究计划(SHRP,1987-1993)研究了HPC在桥梁结构中的功效,作为从解解盐的熔融水腐蚀的一种方式。第一个HPC结构设计是在20世纪90年代中期构建的。 HPC在20世纪90年代末开始迁移到路面,20​​04年,它具有完全穿透的PCC路面建设。

HPC耐久性标准包括空气空隙结构,低渗透性,新的混凝土水含量,以及对破裂的低易感性。几十年前的一些工业“废物”材料现在是这款新型工程混凝土的组成元素。这些混合物如煤粉煤灰,微米和地面颗粒状高炉(GGBF)炉渣,为混凝土增添了强度和耐用性,并提高了其作为环保产品的可销售性。


早期开裂Colorado HPC甲板的横裂

虽然HPC继续用于桥梁上层建筑,子结构和高层建筑物,但由于未填充早期开裂,它因桥甲板而陷入困境。

混凝土桥甲板的早期开裂是一个复杂的问题,可能是由生产和放置因子的组合导致的,如高蒸发速率,收缩率高,在混合或放置过程中使用高坍落度混凝土和过量的水根据肯塔基运输柜(州DOT)的研究人员,不足的顶部加强盖,混凝土的振动不足,较好的细节,以及形式的重量和偏转,根据肯塔基交通柜(州DOT)。

警报首先在国家合作高速公路研究计划(NCHRP)报告380中,新建桥甲板的横断裂缝,由Krauss和Ernest Rogalla,S.E.,Wish,Janney,Elstner Associates,Inc。,Northbrook,Ill。

从那时起,关于涉及HPC甲板的破解的投诉已经丰富,普遍存在,但并非所有HPC甲板都陷入困境。 2004年,联邦公路管理局发布了23个国家在HPC桥甲板中解决开裂的名单。该报告得出结论,仔细养护是无故障HPC甲板的秘诀。

“国家现在正在战斗的最大问题之一是,几乎所有这些高性能的混凝土都有破裂问题,”Krauss说。 “加州,伊利诺伊州和很多其他国家正在努力弄清楚为什么他们的甲板裂开太多了。就甲板而言,他们并没有成功地取得了很大的成功,因为它们是如此强大,并且往往是脆弱的。破解问题击败了使用HPC的目的。“

Krauss表示,HPC早期破解风险增加可能与二氧化硅烟雾的使用及其更高的优势有关。 “高强度将使甲板横向开裂甚至更糟,”Krauss说。 “如果指定HPC的一个方面是增加耐用性,那么耐久性的一个考虑因素应该消除裂缝。这并不是渗透性;这是为了平衡可加工性的渗透性,具体整合如何,承包商的融合程度如何。所有这些因素都应该考虑甲板的HPC,而不仅仅是其高强度。“

Krauss研究了密封裂纹HPC甲板与高分子量甲基丙烯酸酯树脂的疗效。 “这是一种丙烯酸树脂,用作局部处理,以泛滥成甲板表面并密封裂缝,”Krauss告诉更好的道路。 “如果在桥式甲板中发生裂缝,我们知道裂缝将降低该甲板的性能。树脂流入裂缝和粘合并密封它们。“

由于其纹理的表面和凹槽,这种裂缝在甲板的顶部非常难以看到,这是将树脂划过甲板的原因。 “他们很难看到,难以追随,”Krauss说。 “由于水染色,它们将从甲板的底部更明显。当你有这么多的这些裂缝时,追逐每个人的裂缝并没有很大的意义;涂层整个表面更容易。“

如果一个不透水甲板是针对氯化物诱导的腐蚀的第一行,最后一条线将是将脱落器脱落的涂层,以及最流行的选项存在环氧涂层加固钢。

环氧树脂涂层螺纹钢近几十年来已经广泛使用。根据混凝土钢筋加固研究所,当它首次出现在20世纪70年代初期,环氧树脂涂层增加了80%至120%至120%至120%至120%至120%,以至于混凝土钢筋加固研究所。但是,从那时起,CRSI表示,环氧涂层增强的成本显着下降,尤其是当计算生命周期成本时,包括避免腐蚀引起的裂缝,拼接和坑洼。

“螺纹钢的环氧涂层绝对有很多价值,特别是对于价格,”Krauss说。 “研究和现场性能已经证明,这是一种减少加强钢腐蚀的有效方法。”好处? Krauss表示,其中一个主要福利是,钢筋受到保护免受氯化物,同时彼此电隔离杆。 “这显着降低了随着时间的推移腐蚀速度,”Krauss说。

完全避免腐蚀问题的一种方法是使用不会腐蚀的惰性非金属增强件。不锈钢钢筋是另一个长期但昂贵的选择。最终可能从新一代的碳纤维增强聚合物(CFRP)棒中产生较低的昂贵的选择,该碳纤维增强聚合物(CFRP)棒在实验室和现场中继续进行分析。

2006年,肯塔基交通柜发布了肯塔基州大学Ching Chiaw和肯塔基交通中心的Choo Ching Chiaw和Isisam E. Harik的报告,检查和评估,并在肯塔基州肯塔基州的肯塔基交通中心哈里克。在其研究的CFRP甲板上,远低于接受的阈值。

在桥梁中,CFRP棒用作顶部和底部加强垫中的横向和纵向加强件。该桥在2002年5月开放到交通,监测裂缝形成和位置,下个月开始的甲板上的最大裂缝宽度和长度,并持续到2005年9月。“甲板中的裂缝由于最大值而无法衡量观察到的裂缝宽度小于1/100英寸的最小尺寸。在裂缝比较器上,“作者写道。 “这表明裂缝远低于每AASHTO标准规范0.013英寸的最大允许裂缝宽度。”


面对阴极保护的困境

虽然有许多保护钢免受腐蚀的方法,但只有某种方法可以实际阻止它发生,并且这是阴极保护(CP)。

CP通过通过暗示的直流电流(DC)或将其连接到牺牲或电镀阳极来消除腐蚀来消除腐蚀。施加的电流抵消腐蚀反应中释放的电荷,停止轨道腐蚀。

阴极-1甲基丙烯酸酯树脂在桥式甲板上铺展,以密封高性能的混凝土相关裂缝。

问题是,阴极保护需要注意,如果它们不是绝对必要的,工程师和所有者都是厌恶指定需要监控的材料或流程。 “设置并忘记”是副词。

“桥梁的阴极保护真的没有被取消,”Wje的Krauss告诉更好的道路。 “它仍然在这里,但它没有被广泛接受。”

阴极-2桥式甲板上的ELGARD阴极保护网是用乳胶改性混凝土覆盖层覆盖。

在1959年开始,Richard Stratfull的桥梁甲板的阴极保护历史可日期。“他负责混凝土甲板的一些最早的阴极保护应用,并有很多其他系统从那时起,“Krauss说。 “但他们并没有真正脱掉常见的事情,部分原因是缺乏对状态点的意识,而且由于系统所需的维护。

“很多系统工作了几年,如果没有人要维持他们,他们就可以不完全起作用,”Krauss说。 “圆点维护和跟踪它们可能是一个太大的负担。更具侵略性实施桥梁甲板阴极保护的国家机构通常具有良好的电气集团,与理解电气系统的技术人员。“

Krauss已访问现有的阴极保护系统。 “常时他们不受干扰或不工作,”Krauss说。 “各个区域不会工作;不同的区域可能部分工作,而其他区域可能根本不起作用。这对所有权机构成为挑战。“

这是由弗吉尼亚州运输研究机构的2008年报告承载。迈克尔C. Brown,Ph.D.,P.E的阴极保护系统在弗吉尼亚桥上的阴极保护系统调查中。研究人员发现,弗吉尼亚州运输研究委员会的研究科学家斯蒂芬,博士,博士,弗吉尼亚州运输研究委员会的研究科学家们发现英联邦的桥梁CP系统成功部署,但并非总是。

“弗吉尼亚州[DOT]在12个钢筋混凝土桥梁结构上使用了CP系统,”作者写道。 “尽管在vtrc研究研究中部署了CP系统,但是,研究人员们发现几乎没有证据表明,对将这些系统的维护和监测这些系统的责任转移到了适当的VDOT现场人员。因此,在研究研究期间的初始评估之外,已经收集了很少的信息。此外,这导致了在这些网站上进行的CP系统的几乎没有维护。“

他们说,vdot的桥接检查报告被发现仅包括有关系统状态的最小信息,这些信息在实地调查中的结构上的结构中的状态。 “似乎已经对系统外观进行了视觉观察。

然而,常规电测量没有报道确认这些系统的操作状态,因此从施加足够的阴极电流以确保保护结构的记录并不清楚。这指出了一致的常规维护和CP系统监控的政策需要,以记录其性能。“

即使CP系统正在运行,也需要定期微调。 “需要调整桥式甲板阴极保护系统,”Krauss表示。 “桥梁随着时间的推移而变化,因此有效,所有者需要调整随时间应用的电流量。”


远程监控不是灵丹妙药

蜂窝电话技术的出现已启用现场活动系统状态的实时报告,其中字段单元将“拨入”其状态到另一个系统,该系统会记录状态或在系统中发出警报没有按照指定执行。但这些监测系统也可以行为不端。

“远程监控系统可以在计算机上提取系统状态,”Krauss表示。 “问题是,技术也可以易于失败或缺乏维护。它可以完成,但它可以很高的费用。随着点绑在一起,因为他们将远程监控系统放在服务中,并保持它们对阴极保护系统本身具有相同的问题。在未来,这种系统可能变得更加可靠,更便宜,这可能有助于CP系统变得更加可接受。“

没反应非反应性碳纤维增强聚合物棒(黑色)放置在桥式甲板中,作为肯塔基研究的一部分。

CP系统的物理修复可以涉及接线修复或更换阳极。 “由于各种原因,系统可能会损坏,”Krauss说。 “我们看到鸟进入控制箱并建造巢穴。破坏主义是一个大问题;船员看到电线并希望撕掉它们或剪掉它们。“

当使用时,可以对预制/预应力大梁等更昂贵的结构元素以及墩和柱而不是甲板时,可能会对阴极保护。

“大量桥梁上的甲板是消耗的,”Krauss说。 “它们很容易被替换,阴极保护的浓度将是不可替换的支撑元件。在这些领域,对腐蚀保护的兴趣增加,而不是与活跃的系统完全进行,而是朝着被动系统的运动,这需要比活跃系统更少的维护,这些可以应用于如梁板的甲板支撑元件,如梁,端部 - 在关节和码头和码头盖上。关节泄漏是最糟糕的罪犯之一;然后氯化物溶液通过关节进行,我们开始筛分腐蚀。它可能导致非常昂贵的修复。“

被动CP系统可包括电弧喷涂锌,活性锌板或离散阳极。这些通常与改进的关节系统和涂层相结合。

Krauss表示,甲板的康复将最常常包括封口剂或低渗透性覆盖。 “做甲板叠加相对容易,这比阴极保护便宜,”他说。 “有源或被动CP选项通常比甲板更换更便宜,希望代理主人将获得长期使用寿命,同时避免了车道关闭的需要和重建的交通中断。” V.