钢筋混凝土体系阴极保护的数值模拟研究

摘要

对于海港工程钢筋混凝土结构，氯离子渗入导致钢混结构中钢筋的腐蚀，是造成钢混结构裂化失效的主要原因。为了防止钢混结构中钢筋腐蚀的发生，延长钢混结构的服役寿命，外加电流阴极保护系统被广泛地应用到海港工程钢混结构的腐蚀防护中。随着数值模拟技术的不断发展，越来越多的研究工作者运用数值模拟技术对于不同条件下的海港工程钢混结构阴极保护系统进行设计和规律研究。然而，目前对于水下钢混结构阴极保护的数值模拟研究多基于微观腐蚀机理，对于宏观和微观腐蚀共同作用的水下钢混体系的阴极保护研究尚不完善，同时钢混结构参数对于体系中保护电位和电流分布的影响也尚不明确。 因此，本文针对两种不同结构的水下钢混体系，基于实验和机理分析，分别建立了宏观和微观腐蚀共同作用的阴极保护数值模拟模型。探究了宏观腐蚀电池、钢筋初始腐蚀状态、裂缝以及不同钢混结构参数对于阴极保护体系的影响，同时论证了模型的可靠性，并进一步应用模型探究了其他钢混参数对于阴极保护体系的影响。主要工作如下： （1）对于水下三层钢混体系的研究：通过对水下三层钢混体系腐蚀特征和规律的分析，建立了基于氧浓差腐蚀电池控制的阴极保护模型，模拟计算的结果与实验结果吻合得较好。同时研究结果表明：对于宏观-微观腐蚀电池共同作用的三层钢混体系，进行外加电流阴极保护，当外加电流密度较小时，保护电流倾向于流向电位较正的钢筋；钢筋初始腐蚀速率越大，达到阴极保护需要的外加电流密度越大，同时体系内保护电流分布的均匀性越差； （2）对于水下有裂缝的单钢筋混凝土体系的研究：通过对水下有裂缝的单钢筋混凝土体系腐蚀特征和规律的分析，建立了基于氯离子浓度分布控制的阴极保护模型，模拟计算的电位分布与实验结果吻合得较好。同时研究结果表明：混凝土表面裂缝的存在，使裂缝处的钢筋和完整混凝土层内的钢筋之间存在电位差，形成了宏观-微观腐蚀共同作用的腐蚀体系；对体系进行外加电流阴极保护，保护电流倾向于流向电位较正的完整混凝土层中的钢筋；当混凝土保护层存在一个0.5 mm的裂缝时，保护电流密度需要提高至60 mA·m-2；随着保护层表面裂缝个数的增加，体系内钢筋达到完全保护所需要的保护电流密度也逐渐增大，增加的保护电流主要用于抑制裂缝处的微观腐蚀。

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