犧牲陽極法在混凝土橋梁保護中的應用

肖勇輝

（上海蘭德公路工程咨詢設計有限公司,上海市200065）

犧牲陽極法在混凝土橋梁保護中的應用

肖勇輝

（上海蘭德公路工程咨詢設計有限公司,上海市200065）

采用犧牲陽極工法對鋼筋混凝土結構物進行腐蝕防護與腐蝕控制，是以電化學方式有效保護其中的鋼筋，將結構物修補區(qū)邊緣的新生腐蝕轉移至犧牲陽極上，從而能保護周圍鋼筋，延長修補區(qū)的使用年限，減少修補次數(shù)，因此具有高經(jīng)濟性與高耐久性。所得結論可為上海等潮濕氣候沿海地區(qū)其他橋梁大修工程提供有益的參考。

犧牲陽極；電化學防腐；橋梁；混凝土；耐久性；腐蝕預防；腐蝕控制

0 引言

建筑與橋梁等結構物常由鋼筋混凝土材料建造而成?；炷猎谟不^程中，水和水泥在水化反應時會產(chǎn)生堿性的氫氧化鈣，在鋼筋表面形成鈍化膜（F e2O3），從而保護鋼筋不生銹。但是混凝土為多孔隙材料，孔隙的形狀、體積均影響著混凝土的強度及滲透性。上海位處高溫潮濕氣候，若因先天材料與施工質(zhì)量不良，再加上后天外力破壞及不正確的修補行為，就會造成鋼筋腐蝕，進而影響結構物的安全性、耐久性與使用性，故鋼筋混凝土結構物的腐蝕預防或腐蝕控制為極需受重視的課題。

采用犧牲陽極工法對鋼筋混凝土結構物進行腐蝕防護與腐蝕控制，是以電化學方式有效保護其中的鋼筋，將結構物修補區(qū)邊緣的新生腐蝕轉移至犧牲陽極上，從而能保護周圍鋼筋，延長修補區(qū)的使用年限，減少修補次數(shù)，因此具有高經(jīng)濟性與高耐久性。

1 犧牲陽極保護法的原理、安裝及案例

1.1 鋼筋混凝土使用陽極保護的原理

遭氯化物或碳酸鹽污染而開裂的混凝土，在局部修補后仍可能因電化學的不協(xié)調(diào)性而導致周圍的鋼筋加速腐蝕，這種現(xiàn)象稱為初生陽極作用。在修補區(qū)內(nèi)外之間，因種種量差因素而導致鋼筋的電位不同，驅(qū)使修補區(qū)和基體混凝土的接口外圍產(chǎn)生新的腐蝕。這些因素包括局部氯化物離子量、酸堿度、滲透性、水分、含氧量、溫度、碳酸鹽離子量等，甚至在不同類型的鋼筋相連結時亦可能導致電位差。這些因素可能加速修補區(qū)本身腐蝕，但更常導致修補區(qū)外圍的混凝土腐蝕惡化。當新混凝土結構加在舊混凝土結構上時，也會產(chǎn)生另一種形式的初生陽極反應，所產(chǎn)生的腐蝕行為一般會出現(xiàn)于新舊混凝土結構間的接口部分，例如將橋面加寬、替換橋面板和修補水泥板后，均極易出現(xiàn)這種破壞機制，如圖1所示[1]。

當兩種不相似的金屬在電解質(zhì)中連結在一起時，電位序在前面的金屬對于電位序在其后的金屬將形成陽極；相反地，電位序在后的金屬對于電位序在前的金屬成為陰極。這些金屬，例如金、鉑、銀等稱為貴金屬或具化學惰性。另一方面，由于電位序在前面的金屬相對于電位序在其后的金屬易形成陽極，且腐蝕行為發(fā)生于陽極，故可利用這個特性來保護在后位的金屬使其避免腐蝕，也就是犧牲陽極法。

常見材料的標準電位見表1。

以X P陽極為例，將X P陽極應用于混凝土結構物修補時，將X P陽極安裝在修補區(qū)邊緣，使初生陽極作用所產(chǎn)生的腐蝕轉移至X P陽極上，并搭配使用高強度、輕質(zhì)、抗化學腐蝕性能佳的修補材料。如此可大幅延長修補區(qū)的使用年限、減少修補次數(shù)，具有高經(jīng)濟性與高耐久性。

圖1 新舊混凝土交界面的腐蝕機制[1]

表1 常見材料的標準電位

X P陽極的組成包括（1）核心(純鋅)，（2）一對熔鑄在陽極兩端的鋼導線，（3）高堿性水泥基外殼（p H＞14）。X P陽極被塑造成棋子狀。兩端伸出的鋼導線用來將X P陽極拴在鋼筋上。圖2為X P陽極的腐蝕預防機制[1]。由圖2可見，由于鋅和鐵具有電位差，當鋅腐蝕時，它釋放出電子，這些電子經(jīng)由鋼導線流向被拴上的鋼筋，使有效范圍內(nèi)的腐蝕轉移至X P陽極。其中，X P陽極的電流輸出受混凝土電阻值、含水量、溫度和鋼筋密度等影響。

圖2 XP陽極的腐蝕預防機制[1]

1.2 XP陽極的安裝

X P陽極安裝于混凝土中，并利用伸出的鋼導線將X P陽極沿修補區(qū)周邊拴于鋼筋上，以進行腐蝕預防與腐蝕控制。為達最佳效果,X P陽極應安裝在修補區(qū)的最外邊緣內(nèi)(15 c m),且需有充足的空隙使修補材料將X P陽極完全地圍攏。X P陽極間距應由設計單位評估計算后決定,然而X P陽極與X P陽極間的中心間距不應超出75 c m。如果結構物中的鋼筋分布較密集，或暴露于特別腐蝕的環(huán)境,則陽極的安裝間距應視其條件而縮小，始可確保其防護質(zhì)量。

表2為X P陽極的安裝距離。由表2可知，X P陽極的有效半徑范圍約為35～75 c m，使用年限為15 a以上，依外部的環(huán)境條件和內(nèi)部的鋼筋密度而定。

表2 XP陽極的安裝距離

X P陽極的安裝步驟：

（1）如同一般混凝土結構物的修補方式，先將修補區(qū)內(nèi)的鋼筋周圍和鋼筋下面的老化、開裂或劣質(zhì)混凝土去除，在X P陽極和主體混凝土之間保留充足的安裝空間。

（2）修補區(qū)內(nèi)的外露鋼筋清理干凈,以使X P陽極的電子能與鋼筋正常連通、順利連接。在安裝X P陽極前，可用電表檢測X P陽極和鋼筋間是否形成連通的回路。"不連通"的鋼筋可用標準鋼線捆扎到鄰近的鋼筋，使兩者間產(chǎn)生“相通”。

（3）利用X P陽極本身的鋼線將X P陽極牢固捆扎于適當位置。若X P陽極只捆扎于某一根鋼筋,或混凝土保護層厚度小于25 c m的情況下，應將X P陽極安置于鋼筋內(nèi)側(由混凝土的表面計起)。倘若混凝土的保護層厚度充足，則X P陽極可安置于兩根鋼筋間的交叉點并將鋼導線捆扎于每邊的鋼筋上。

（4）安裝完成后，宜采用適當?shù)碾姳頇z驗X P陽極導線與鋼筋是否相通。兩者間的電阻值不應超出5Ω或電位差小于1 m V。

（5）檢測確定X P陽極導線與鋼筋相通后，再回填修補材料。修補材料的電阻率應在15 000Ω·c m以下，故帶有大量聚合物或硅灰的產(chǎn)品可能不適合使用。相同地,若要使用黏著劑，則黏著劑應有合適的導電性，不應使用絕緣材料，例如環(huán)氧黏著劑。

注意：若在鋼筋上涂裝其它防腐材料，則不可涂蓋X P陽極導線與鋼筋的連接部分，避免使該處絕緣并失去導電性。

以一般的混凝土或其他材料完成修補作業(yè)，不可在X P陽極附近留下空隙。

X P陽極安裝圖解見圖3。

圖3 XP陽極安裝圖解[1]

1.3 犧牲陽極在鋼筋混凝土中的應用

犧牲陽極主要用于混凝土結構物修補的腐蝕預防，即預防初生陽極作用，預防修補區(qū)和基體混凝土的接口外圍產(chǎn)生新的腐蝕。犧牲陽極也廣泛應用于鋼筋混凝土的腐蝕控制及陰極保護。按防護等級的不同及所需電流強度的不同進行腐蝕防護分類[1]，如表3所示；工程案例[2]如圖4～圖6所示。

2 上海某高架伸縮縫電化學防腐犧牲陽極的應用

上海某高架維修的主要內(nèi)容為混凝土鋪裝鑿除、重做，以提高板梁的橫向整體性，而工程范圍內(nèi)伸縮縫基本完好，未進行維修。伸縮縫混凝土白帶與重新澆筑生成的混凝土鋪裝層將形成新舊混凝土交界面。新舊混凝土交界面處因電化學的不協(xié)調(diào)性，易導致周圍的鋼筋加速腐蝕。而且，伸縮縫道路縱坡的上游側易積水，對界面防腐更加不利。另外，高架位于上海高溫潮濕氣候區(qū)域，同時也處于工業(yè)區(qū)域，腐蝕環(huán)境更加惡劣?；诖耍紤]在伸縮縫道路縱坡的上游側采用電化學防腐。

表3 腐蝕防護分類[1]

圖4 工程案例(腐蝕控制)[2]

圖5 工程案例(腐蝕預防)[2]

圖6 工程案例(陰極保護)[2]

防腐陽極安裝在混凝土中，并利用伸出的鋼導線將陽極沿修補區(qū)周邊拴于鋼筋上，以進行腐蝕預防。為達最佳效果,陽極安裝在修補區(qū)的最外邊緣內(nèi)(約15 c m),且保證充足的空隙使修補材料將陽極完全地圍攏。現(xiàn)場安裝照片見圖7、圖8所示。

圖7 更換伸縮縫植入XP陽極以控制腐蝕

圖8 現(xiàn)場安裝

電化學防腐設施在本工程設計使用年限要求為15 a，陽極有效半徑定為50 c m。

3 結語

混凝土電化學腐蝕犧牲陽極法在國外已有多年的應用和實踐，國內(nèi)也開展了一些相應的技術研究，但收效甚微。通過在上海某高架伸縮縫維修加固的應用，給橋梁新舊混凝土交界面如何處理帶來了新的思路和更多的方案選擇。中國已是橋梁大國，隨著時間的推移，環(huán)境的影響和污染的加重，混凝土橋梁耐久性、腐蝕控制和腐蝕預防的需求將越來越迫切。因此，引進和研究國外成熟及效果可靠的混凝土腐蝕保護技術，并結合中國實際，將其轉化成適應中國橋梁的混凝土保護技術，使之具有較高的經(jīng)濟性和實用性，以達到合理利用有限資金來滿足橋梁的耐久性使用要求是十分必要的。

在混凝土結構橋梁的腐蝕控制和腐蝕保護方面，電化學防腐的犧牲陽極法能取得較好的效果，可供類似工程參考。

[1]FHWA-HIF-11042.美國橋梁防腐指南[M].[S.l.]:[s.n.],2011: 21-23.

[2]ACI RAP-8, Installation of embedded galvanic anodes[S].

新疆擬建穿古爾班通古特沙漠和準葛爾盆地高速路

新疆擬建首條穿越古爾班通古特沙漠，同時又穿越準葛爾盆地的高速公路，一旦建成，烏魯木齊到阿勒泰將真正意義實現(xiàn)直線距離，將縮短300km路程，時間也由8 h縮短到4 h。

S21線烏魯木齊至五家渠至阿勒泰公路建設項目五家渠至北屯段已列入自治區(qū)基本建設計劃，目前已進入招投標階段，并在新疆交通建設管理局官方網(wǎng)站上進行公布。

五家渠至北屯段起點位于梧桐鎮(zhèn)西與S301線相交，設計樁號為K32+000，接烏五高速終點，終點位于奎阿高速北屯南互通立交處，接奎阿高速，全長約346km。采用雙向4車道高速公路標準建設，設計速度為120 km/h。線路經(jīng)過梧桐鎮(zhèn)、漢佳西村、103團、東道海子、三個泉管理站、S324線、烏倫古河、182團、福海水庫、豐慶湖水庫、S310線等。項目共設置兩條連接線：北屯工業(yè)園連接線，全長約10.08km；福海連接線，全長約66.050km。

該項目建成后，線路將向北穿越古爾班通古特沙漠、準葛爾盆地，為直線形道路，從五家渠到北屯僅需3 h，而北屯到阿勒泰市不到半小時。加上目前烏魯木齊市區(qū)到五家渠市的不到一個小時車程，從烏魯木齊去阿勒泰地區(qū)不再繞行，全程僅需4 h。

屆時，該線路將成為阿勒泰地區(qū)連接首府烏魯木齊市的一條方便、快捷的高速通道。對提升旅游產(chǎn)業(yè)整體水平，促進經(jīng)濟跨越發(fā)展意義重大,影響深遠。

U445.7

B

1009-7716（2017）06-0270-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.080

2017-03-15

肖勇輝（1976-），男，江西南昌人，工程師，從事橋梁設計工作。