混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料结构的应用的制作方法

技术领域

本发明属于海洋环境中混凝土的防护领域，涉及一种混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料的方法。

背景技术：

近年来，国家对海洋经济发展的扶持，不仅将促进我国海洋技术从近浅海向深远海的战略性转移，也必将进一步促进各领域对海洋资源的利用水平和相关关键性技术的发展。在开发海洋及海岸工程技术方面，《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要》指出，要重点发展离岸深水港海工结构物建设技术、海底隧道工程技术研究与示范、海上构筑物建造技术、海洋新材料及防腐蚀技术等。

重力式沉箱结构型式是我国沿海构筑物中分布较广、使用较多的一种结构型式，广泛应用于我国沿海的港口工程建设中。其优点是整体性好、结构坚固耐久、用钢量少、造价较低、适应性强、施工较为简单。随着水运事业的发展、深水泊位建造日趋增多，以钢筋混凝土为基材的预制沉箱逐渐向大尺寸、低重量、多功能化发展，应用也愈发广泛。钢筋混凝土材料是海港工程构筑物的主要组成部分，几乎在港口码头、跨海大桥、潮汐电厂和海底隧道等所有近海工程中均有广泛使用。但在复杂苛刻的海洋环境中，由于钢筋锈蚀所产生的体积膨胀，将超过其原体积的2～7倍，产生的膨胀应力最高可达60MPa，从而导致混凝土发生顺筋胀裂。海洋环境下混凝土结构往往不到10年就会出现顺筋锈胀开裂、剥落，尤以浪溅区和潮差区更甚，严重威胁混凝土结构物的安全性。因钢筋腐蚀所导致的混凝土构筑物耐久性降低已成为影响海洋工程安全运行和服役寿命的主要因素，也是影响重力式钢筋混凝土沉箱结构耐久性的主要因素之一。

延缓混凝土钢筋锈蚀是保证混凝土结构耐久性的重点。海洋工程中用于防治混凝土中钢筋锈蚀的常用方法主要有以下几种：(1)采用高性能优质密实混凝土、(2)在混凝土表面涂刷防腐涂料、(3)在混凝土中参加钢筋阻锈剂、(4)在施工前对钢筋进行涂/镀层保护(如环氧涂层钢筋、镀锌钢筋等)、(5)对混凝土中的钢筋进行阴极保护、(6)选用不锈钢钢筋或纤维塑料筋等耐腐蚀材料替代普通钢筋。

对于重力式混凝土沉箱结构，特别是对于苛刻腐蚀海洋环境下的离岸式或远海地区的沉箱结构，要求钢筋混凝土结构应具有高耐久性且在设计寿命内应尽量免维护或少维护。然而由于重力式沉箱的结构特点和重量要求，目前常用的腐蚀防护措施主要采用高性能优质密实混凝土、表面涂刷防腐涂料或选用环氧涂层钢筋替代普通钢筋，但由于上述方法各自的局限性难以满足钢筋混凝土结构高耐久性的要求，迫切需要更为先进、长效的防护技术来对以沉箱结构型式服役的钢筋混凝土结构进行更为有效的防护。

基于此，本发明针对苛刻海洋环境下轻质混凝土沉箱结构的防腐发明了一种在其外表面包覆一层耐蚀金属材料的方法，包括耐蚀金属材料选择、设计耐蚀金属板的规格和安装位置、现场安装方法及注意事项等，为实现大面积沉箱钢筋混凝土结构外表面包覆耐蚀材料提供了一套简单可行的方法，尤其适用于对浪溅区和潮差区的保护。本发明提出的包覆方法在混凝土浇筑前与模板预制同步进行，无需后期破坏混凝土结构，与混凝土沉箱的施工工艺紧密结合。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，发明了一种能够在苛刻海洋环境中用于对混凝土沉箱结构进行防护的外包覆耐蚀金属板的技术，通过利用混凝土的外侧模板作为支撑结构、螺柱和螺母作为固定和锚固构件，实现了针对大面积平面混凝土结构的表面包覆，结合对耐蚀金属材料的防腐评价以及海洋环境下混凝土钢筋的腐蚀特征，形成了一套有效可行的用于海洋环境下混凝土沉箱的外包覆耐蚀金属的防腐技术及其实现方法。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将耐蚀金属板与外侧模板的内表面紧密贴合，并将螺柱贯穿外侧模板和耐蚀金属板，且使螺柱的两端分别露出耐蚀金属板和外侧模板，然后将螺母分别旋入螺柱的两端并拧紧，以将耐蚀金属板和外侧模板紧密固定在一起；

步骤二：按浇筑要求将步骤一中固定在一起的耐蚀金属板与外侧模板拼装成适合所要浇筑的混凝土沉箱的形状，拼装好后所有耐蚀金属板的内壁所组成的形状与所要浇筑的混凝土沉箱外轮廓相同；

步骤三：向耐蚀金属板内浇筑混凝土，耐蚀金属板内侧露出的螺柱被浇筑进混凝土沉箱中；

步骤四：待混凝土沉箱浇筑成型后，卸下外侧模板，将耐蚀金属板之间采用与耐蚀金属材质相同的焊条进行单面搭接焊，使耐蚀金属板将混凝土沉箱封闭。

在上述技术方案中，所述螺柱、螺母、耐蚀金属板三者的材质相同。

在上述技术方案中，耐蚀金属板和外侧模板上设置有数量相同、大小相同、位置相对应的孔，用以穿入螺柱。

在上述技术方案中，在步骤一中，耐蚀金属板内侧露出的螺柱长度至少为沉箱壁厚的1/2且不超过沉箱壁厚；进一步，耐蚀金属板内侧露出的螺柱长度为4-20cm，外侧模板外侧露出的螺柱长度为1-5cm。

在上述技术方案中，在步骤一中，耐蚀金属板内侧的螺母与螺柱点焊加固。

在上述技术方案中，在步骤四中，先将外侧模板外侧的螺母卸下，然后将外侧模板卸下使之与耐蚀金属板分离，再将螺母重新旋入螺柱并顶紧耐蚀金属板，并对螺柱、螺母和外侧模板三者相结合处的连接缝隙进行密封处理。

所述的混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料的方法在水工条件下混凝土沉箱施工中的应用。

制作所述的混凝土沉箱的模具(参见图3)，包括耐蚀金属板(1)、外侧模板(2)、螺柱(3)和螺母(4)，所述螺柱、螺母、耐蚀金属板三者的材质相同；耐蚀金属板和外侧模板上设置有数量相同、大小相同、位置相对应的孔，所述螺柱贯穿外侧模板和耐蚀金属板的孔，且螺柱的两端分别露出耐蚀金属板和外侧模板，所述螺母旋入螺柱的两端将耐蚀金属板和外侧模板紧密贴合；多个耐蚀金属板相互拼装在一起以使耐蚀金属板的内壁所组成的形状与所要浇筑的混凝土沉箱外轮廓相同。

本发明与其他混凝土沉箱防腐工艺相比具有以下优势：

1、针对轻质沉箱混凝土结构，本发明具有简便可行的安装工艺，可适用于大面积混凝土平面的表面包覆；

2、本发明提出的针对混凝土沉箱外包覆防腐技术，可利用混凝土浇筑用的外侧模板作为支撑结构，安装过程与浇筑工序紧密结合。与其他外覆技术相比，不需对已成型的混凝土结构进行打孔，避免了外包覆过程对混凝土结构的破坏。

3、鉴于目前对常用金属材料在海洋环境下的防腐方法(防腐涂料与牺牲阳极联合保护)的相对成熟，在极其严重苛刻的海洋腐蚀环境下，本发明还可以与有机涂料防腐和牺牲阳极阴极保护防腐技术进行联合使用，以加强对混凝土结构的保护等级并延长其保护年限。

本发明针对混凝土沉箱的防腐保护提出了一种全新的解决思路和完整安装方案，并且可以根据前期的腐蚀评价环节对外覆耐蚀金属材料的保护寿命进行合理的预测，即在水工条件下混凝土沉箱施工中进行应用。本发明的安装在混凝土浇筑前期与模板预制同步进行，与混凝土沉箱的施工工艺紧密结合，且所用材料及构件均可提前设计预制，能够满足现场施工工期的要求，有一定的工程推广前景。

附图说明

图1是本发明中耐蚀金属板和外侧模板的结构示意图。

图2是本发明中耐蚀金属板和外侧模板用螺柱和螺母配合后的结构示意图，图中只画出了两个螺母作为说明，未表示出全部。

图3是以浇筑长方体形的混凝土沉箱为例，利用耐蚀金属板和外侧模板拼装支模的结构示意图。

图4是进行混凝土浇筑时的状态示意图。

图5是混凝土沉箱最终制作完成的结构示意图。

具体实施方式

在本发明所提出的混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料的方法中，所用到的主要模具结构单元包括耐蚀金属板1、外侧模板2、螺柱3和螺母4。

所述混凝土沉箱外包覆耐蚀金属材料的方法如下：

结合腐蚀环境的特点，通过腐蚀评价试验确定耐蚀金属板1的材质以及螺柱3和螺母4的材质(首先，对混凝土沉箱所服役条件的海洋环境进行调查，包括水文条件、海水电导率、年平均温度、氯离子含量等，结合腐蚀环境的特点，通过有效的腐蚀评价手段在模拟或实际腐蚀环境下对拟选用的耐蚀金属板进行腐蚀评价试验，应包括开路电位、极化曲线、交流阻抗等电化学方法，或盐雾试验、应力腐蚀试验、腐蚀挂片试验等腐蚀试验方法的两种或两种以上，然后根据试验结果以及材料成本因素选择耐蚀金属板1、螺柱3和螺母4的材质)，螺柱3和螺母4的材质与耐蚀金属板1的材质相同，以避免发生电偶腐蚀；根据所要浇筑的混凝土沉箱的规格(包括形状、大小、面积)确定耐蚀金属板1的规格(包括形状、大小、面积)，以保证耐蚀金属板1能完全封闭混凝土沉箱所要保护的表面。

参见图1，分别在耐蚀金属板1和外侧模板2边缘位置处钻孔，两者钻孔的位置保持一致(即耐蚀金属板1上的孔1-1的数量与外侧模板2上的孔2-1的数量相同，耐蚀金属板1上的孔1-1的大小与外侧模板2上的孔2-1的大小相同，耐蚀金属板1上的孔1-1的位置与外侧模板2上的孔2-1的位置相对应)，钻孔数量取决于耐蚀金属板的重量，重量越重需要锚固的作用力越大，钻孔数量也越多，反之亦然。

将耐蚀金属板1与外侧模板2的内表面紧密贴合，并将螺柱3穿入外侧模板2和耐蚀金属板1，且使螺柱3的两端分别露出耐蚀金属板1和外侧模板2，优选为耐蚀金属板1一侧露出的螺柱长度至少为混凝土沉箱厚度的1/2且不超过沉箱壁厚，外侧模板2一侧露出的螺柱长度为螺母4厚度的1-3倍(1-5cm)；然后将螺母4分别旋入螺柱3的两端，以将耐蚀金属板1和外侧模板2紧密固定在一起(参见图2)，耐蚀金属板1内侧的螺母4与螺柱3点焊加固。

按浇筑要求将步骤三中固定在一起的耐蚀金属板1与外侧模板2拼装成适合所要浇筑的混凝土沉箱的形状，耐蚀金属板1组成的形状与所要浇筑的混凝土沉箱的形状相同，如图3所示，以浇筑长方体形的混凝土沉箱为例，需要将步骤三中固定在一起的耐蚀金属板1与外侧模板2拼装成与所要浇筑的混凝土沉箱外轮廓相同的长方体形，拼装时保证耐蚀金属板1在外侧模板2的内侧，即拼装好后所有耐蚀金属板1的内壁所组成的形状与所要浇筑的混凝土沉箱外轮廓相同，这样才能保证浇筑完成后形成所要求形状的混凝土沉箱。

向耐蚀金属板1内浇筑混凝土5(图4)，使耐蚀金属板内侧露出的螺柱被浇筑进混凝土沉箱中。

待混凝土沉箱浇筑成型后，先将外侧模板2外侧的螺母4卸下，然后将外侧模板2卸下使之与耐蚀金属板1分离，再将螺母4重新旋入螺柱3并顶紧耐蚀金属板1，并对螺柱、螺母和外侧模板三者相结合处的连接缝隙进行必要的密封处理，最后将耐蚀金属板1之间采用与耐蚀金属材质相同的焊条进行单面搭接焊，使耐蚀金属板将混凝土沉箱封闭，到此所述混凝土沉箱制作完成(图5)。

具体实施例：

以某外海工程混凝土沉箱为保护对象，采用本发明对该混凝土沉箱浪溅区和潮差区部分进行防腐加强保护。选用3mm厚的316L不锈钢钢板作为混凝土沉箱表面外包覆的耐蚀金属板，其尺寸为1220mm×2440mm，保护区域下标高为设计低水位以下0.5米(年平均潮差1米)。先使用直径为12mm的316L通丝螺柱和316L螺母将不锈钢钢板与混凝土沉箱外侧模板紧密贴合后将其相对固定。每个结构单元选取八组锚固点，分别使用螺柱和螺母沿不锈钢钢板边缘固定，每条边有三组。固定完毕后，进行拼装支模，浇筑混凝土，待拆模时将外侧模板的螺母拆下，拆除外侧模板后再将螺母重新安装，并对螺柱、螺母和外侧模板三者相结合处的连接缝隙进行必要的密封处理(例如，采用与耐蚀金属材质相同的焊条进行焊接)，再将各耐蚀金属板之间采用与耐蚀金属材质相同的焊条进行单面搭接焊(搭接长度不小于20mm，焊缝应连续饱满，不应具有明显缺陷)，到此所述沉箱制作完成。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。