水工鋼筋混凝土聯(lián)合防腐措施在白浪河防潮閘工程中的應(yīng)用研究

楊國瑞 李貴清 成 棟 侯 仟

（山東省水利勘測設(shè)計院 山東濟南 250013）

1 概述

白浪河防潮閘工程位于山東省濰坊濱海經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，處于白浪河入?？?，渤海萊州灣潮下帶。建筑物級別為2 級，防潮閘閘孔總凈寬210m，共14 孔，每孔凈寬15m。當(dāng)?shù)厮l、橋梁等建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕情況較為嚴(yán)重。本工程處于入?？诤Ｋ?、淡水交互環(huán)境，場區(qū)環(huán)境水對普通混凝土具有結(jié)晶型硫酸鹽型強腐蝕性。工程環(huán)境條件對防潮閘鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐提出了更高的要求。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的原因分析

鋼筋混凝土腐蝕劣化的原因主要有水泥水化產(chǎn)物中性化、混凝土凍融破壞、氯離子（Cl-）侵害、堿—骨料反應(yīng)等幾種。在海洋環(huán)境中，Cl-的滲透是引起鋼筋混凝土劣化的最大外在原因。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞，除混凝土本身的破壞外，最主要的還是進而引起的鋼筋的腐蝕破壞。混凝土內(nèi)具有高堿性環(huán)境，Cl-滲入到鋼筋表面后，對鋼筋銹蝕的主要作用表現(xiàn)在破壞鋼筋表面的鈍化膜；鐵基體與尚完好的鈍化膜區(qū)域之間產(chǎn)生電位差形成腐蝕電池；Cl-與Fe++相遇氧化從而加速陽極過程；Cl-的導(dǎo)電作用加速電化學(xué)腐蝕過程等幾個方面。Cl-達到一定濃度時，鋼筋銹蝕便會發(fā)生和發(fā)展，鋼筋銹蝕使其體積發(fā)生膨脹，根據(jù)最終產(chǎn)物的不同，可膨脹2～7倍，使混凝土順鋼筋開裂，握裹力下降，并出現(xiàn)鋼筋斷面損失、腐蝕斷裂等情況。海洋工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往建成后3～5年就出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

3 混凝土結(jié)構(gòu)防腐的必要性

通過對工程附近類似環(huán)境的橋梁、水閘等建筑物的調(diào)查了解，發(fā)現(xiàn)凡是未采取防腐措施的建筑物，多數(shù)達不到設(shè)計使用年限，有的在建成后10～15年就出現(xiàn)了較嚴(yán)重的混凝土剝蝕、鋼筋銹蝕等情況，甚至不足10年就開始修復(fù)加固。

海水環(huán)境對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕是多方面的，混凝土本身的破壞，進而引起的鋼筋的腐蝕破壞，對建筑物形成致命的危害。因此，采取措施保證建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的安全及耐久性是非常重要的。白浪河防潮閘處于入?？诤Ｋ?、淡水交互環(huán)境，場區(qū)海水水化學(xué)類型為氯-鈉型，PH 值為7.3，礦化度為24642.8mg/L，全硬度為5840.8mg/L，游離CO2為24.2mg/L。場區(qū)環(huán)境水對普通混凝土具有結(jié)晶型硫酸鹽型強腐蝕性。防潮閘工程作為濰坊濱海水城的最外一層防線，地理位置關(guān)鍵，保護對象重要。因此，進行水工混凝土結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性研究，確定合理的防腐方案是非常必要的。

4 混凝土結(jié)構(gòu)防腐發(fā)展及應(yīng)用情況

提高混凝土自身對鋼筋的保護能力是最重要、最根本的防護原則。提高混凝土耐久性的措施有很多，主要是提高混凝土的密實性，如提高強度等級、抗凍等級等。除加強施工管理，提高混凝土澆筑質(zhì)量外，還常通過摻加粉煤灰、外加劑等作為輔助措施。

但由于混凝土材料的多孔性和施工易產(chǎn)生裂紋等問題是很難徹底解決的，特別在較嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，單靠混凝土自身不足以實現(xiàn)耐久性保護，必須采用附加措施。比如對混凝土表面進行涂層封閉，切斷外界的水氣（包括液態(tài)水)、O2、Cl-、酸性液體的滲透途徑，就可以防止或延緩腐蝕的發(fā)生。陰極保護技術(shù)發(fā)展也很快，包括犧牲陽極、外加電流等不同方式。我國的輸油管道已廣泛采用了陰極保護，對混凝土內(nèi)部的鋼筋采用陰極保護同樣獲得很好的效果。多功能、綜合性鋼筋阻銹劑在國內(nèi)外迅速發(fā)展，已成為當(dāng)今世界防鋼筋腐蝕的主要技術(shù)措施之一。環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等在國內(nèi)外也有較多采用。多年的實踐證明，這些方法都是有效的，各自有其獨特的優(yōu)點，同時也存在其不足或局限性。

5 聯(lián)合防腐方案

5.1 聯(lián)合防腐方案的確定

本工程防腐首要措施是提高混凝土本身的耐久性，閘室混凝土采用強度等級C35，抗凍等級F300，鋼筋保護層厚度60mm。施工過程中對骨料及混凝土拌和用水進行嚴(yán)格控制。閘墩采用適用海水環(huán)境的抗硫酸鹽水泥，防止SO42-對混凝土本身的破壞。混凝土中摻加粉煤灰、引氣劑、高效防腐蝕氣密劑等外加劑，從而提高了混凝土自身性能，在一定程度上阻隔或延緩了Cl-等滲入速度。

混凝土防腐涂層是海上建筑物（跨海大橋、海港碼頭等）經(jīng)常采用的防腐措施。1983年東京灣曾做過試驗，分別將有、無涂裝的混凝土試件暴露于海洋大氣環(huán)境下7年時間，未涂裝的其鋼筋腐蝕面積接近80%，而涂裝的幾乎未被腐蝕。在混凝土表面約2cm處測定Cl-含量，未涂裝試件2cm處Cl-含量約為有涂裝試件的300倍。從調(diào)查了解的情況來看，由于種種原因而引起的局部涂層破損，會影響到整個工程的防腐效果，單一的混凝土防腐涂層對于環(huán)境復(fù)雜的防潮閘水利樞紐來說，還有不完備之處。陰極保護是長期有效的用以保護鋼筋的有效措施之一，在電場的作用下，帶負電的Cl-可從鋼筋表面向陽極（位于混凝土表面）遷移，對鋼筋的防護非常有利，特別適用于在水中或潮濕的土體中。經(jīng)過研究分析，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用了防腐涂層與犧牲陽極陰極保護聯(lián)合防腐措施。

5.2 混凝土結(jié)構(gòu)防腐涂層

隨著化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，不斷出現(xiàn)了一些性能優(yōu)異的涂料。采用環(huán)氧清漆作底漆是經(jīng)典的處理方法，低分子量的環(huán)氧樹脂和改型聚酰胺固化劑黏度小、附著力強、流動性及浸潤性好、耐堿，易于滲透進入混凝土的表層，填充并徹底封閉細微的裂縫和孔洞，可大大提高表面的強度和致密度，為下道工序打下良好的基礎(chǔ)。改性聚酰胺固化劑使得底漆具有一定的柔韌性，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)承載重力或因溫度發(fā)生變化而出現(xiàn)細小裂紋時，柔性涂層可以拉伸，從而保證其阻斷功能。

根據(jù)防潮閘樞紐工程所處的萊州灣的具體環(huán)境，大氣區(qū)、表濕區(qū)（浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)和全浸區(qū)）非填土面采用了具有良好裂紋追隨性能的鋼筋混凝土專用防腐涂料，表濕區(qū)填土面采用聚氨酯煤焦油瀝青系列涂料。

涂刷防腐涂層的混凝土的齡期不應(yīng)少于28d，涂刷前須完全徹底的清除所有混凝土表面的灰塵、鹽分、油脂、濕氣、異物、粉化層等其他有害附著物，同時處理混凝土表面起鼓、突起物、高低平面的差異等。處理完整個表面后，通過用毛刷清掃、高壓空氣吹、高壓水沖洗等手段，充分清掃被涂面。防潮閘鋼筋混凝大氣區(qū)、表濕區(qū)非填土面涂裝方案分別見表1、表2。

5.3 犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)

5.3.1 陽極塊選擇

20 世紀(jì)70年代以來，我國的陰極保護技術(shù)得到了迅速發(fā)展。陰極保護分為外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種。外加電流法將直流電源的負極連接在混凝土內(nèi)的鋼筋上，以迫使鋼筋處于陰極狀態(tài)；犧牲陽極法是將比鐵更活潑的金屬（如鋅）與鋼筋相連，由于在電位序中，鋅排在前面，電位較鐵負得多，鋅可向鐵提供電子，鋅作為陽極而腐蝕，犧牲自己而保護了鐵（鋼筋）。工程中常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金、鋁合金三大類。鋁在電位序中位于鎂和鋅之間，原料來源廣，制造工藝簡單，價格低廉，是犧牲陽極品種中的后起之秀。鋁是自鈍化金屬，只能通過合金化促進表面活化，使合金具有較負的電位和較高的電流效率。

表1 大氣區(qū)涂裝方案

表2 表濕區(qū)涂裝方案

考慮到本防潮閘工程實際水環(huán)境基本屬于海水體系，鎂合金陽極消耗較快，且電流效率低，由此選用AI-6 型鋁合金（Al-Zn-In-Cd）犧牲陽極。防潮閘在閘墩潮差區(qū)和全浸區(qū)以及底板進行犧牲陽極保護，保護范圍為防潮閘閘墩高程1.52～-3.00m 側(cè)面和底板頂層主鋼筋，設(shè)計保護期內(nèi)不需專人管理和維修保養(yǎng)。

5.3.2 陽極塊用量計算

海水環(huán)境中鋁合金犧牲陽極的工藝計算，先計算出被保護鋼筋的濕潤表面積，乘以電流密度確定總的電流需要IA，通過逐步計算陽極接水電阻、輸出電流，并根據(jù)使用壽命要求計算陽極塊總量。選用細長棒形陽極，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，選取保護電流密度為20mA/m2。

細長棒形陽極在電解質(zhì)中電阻可通過下式計算：

式中：Ra為陽極接水電阻，Ω；L為陽極的長度，cm；ρ為介質(zhì)的電阻率，Ω·cm；r為陽極的等效半徑，cm。

陽極輸出電流 Ia是陽極材料的電極電位和極化到-0.80V（相對Ag/AgCl 電極，認為在這個電位時腐蝕停止）的鋼鐵電極電位的電位差△E除以陽極在電解質(zhì)中的電阻所得，即：

式中：Ia為陽極輸出電流，A；Ec為陰極開路電位，V；△Ec為陰極極化電位，V；Ea為陽極開路電位，V；△Ea為陽極極化電位，V；Rc為陰極過渡電阻，Ω；Rw為回路導(dǎo)線電阻，Ω；△E為陽極有效電位差，V；R為回路總電阻，Ω。

式中：N為陽極數(shù)量，塊；f為備用系數(shù)，取2～3倍。

式中：T為陽極工作壽命，a；W為陽極凈質(zhì)量，kg；ω為陽極消耗率，kg/(A·a)；I為陽極平均輸出電流，A。

陽極塊規(guī)格為850×(180+220)×180，重量85kg。陽極塊布置于閘墩底部，上、下游檢修門中間區(qū)域，閘墩每臨水面設(shè)2 塊。混凝土結(jié)構(gòu)潮差區(qū)、全浸區(qū)防腐保護壽命設(shè)計為20年，之后可根據(jù)犧牲陽極溶解情況和混凝土結(jié)構(gòu)潮差區(qū)、全浸區(qū)保護效果重新設(shè)計安裝犧牲陽極，最終達到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命的技術(shù)要求。

6 結(jié)語

混凝土本身耐久性的提高，及采用防腐涂層與鋁合金（Al-Zn-In-Cd）犧牲陽極聯(lián)合防腐方案，將會為海水環(huán)境中的水工混凝土結(jié)構(gòu)安全提供保障，減少建筑物運行中的維護費用，延長工程使用壽命。目前白浪河防潮閘主體工程已投入使用，運行情況良好。

1 胡士信.陰極保護工程手冊.化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

2 EN12696-2000，Cathodic Protection of Steel in Concrete.