犧牲陽極法應(yīng)用及其在鋼筋混凝土文物保護(hù)中的應(yīng)用研究

賈肖虎，淳 慶，廖海學(xué)

(1. 東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京 210096； 2. 維特防腐技術(shù)有限公司，加拿大曼尼托巴 R3Y 1G4)

0 引 言

隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在日常建設(shè)中的廣泛普及與使用，越來越多的學(xué)者將目光投射在對其耐久性的研究之上。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性作為評定建筑工程的重要指標(biāo)之一，對鋼筋混凝土的應(yīng)用具有重要意義。由于材料自身和自然環(huán)境雙重因素的長期影響，鋼筋混凝土中的鋼筋不可避免地會面臨銹蝕的問題，一旦鋼筋開始銹蝕，隨之引發(fā)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂對結(jié)構(gòu)安全性十分不利。因此，研究鋼筋防銹機制以及防銹方法對于提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性意義重大。犧牲陽極法作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的鋼筋防銹方法，近年來為一些重大工程所應(yīng)用。

本研究旨在通過對鋼筋混凝土防銹中犧牲陽極法研究與應(yīng)用進(jìn)行回顧，從應(yīng)用趨勢轉(zhuǎn)變中提出犧牲陽極法在鋼筋混凝土文物保護(hù)工程中應(yīng)用的可行性，提出該法在鋼筋混凝土文物保護(hù)中的應(yīng)用機理與設(shè)計方法，并通過南京長江大橋雙曲拱橋的文物保護(hù)工程案例的介紹，為犧牲陽極法新的應(yīng)用范圍和具體實施方法提供借鑒與指導(dǎo)。

1 犧牲陽極法背景原理

1.1 鋼筋銹蝕的原理

一般情況下，由于混凝土內(nèi)部強堿環(huán)境下被包裹的鋼筋表面會形成一層致密的鈍化膜，這層膜能夠保護(hù)鋼筋不被腐蝕，一旦鈍化膜破壞，鋼筋即會較快發(fā)生銹蝕。致使鈍化膜破壞的原因有兩個，一是混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)被水濾除或被CO2等酸性氣體中和，失去了堿性環(huán)境的鈍化膜難以維持而破壞；二是Cl-擴(kuò)散到鋼筋表面使鈍化膜破壞。

鈍化膜遭受破壞后，空氣中的CO2與H2O進(jìn)而擴(kuò)散到鋼筋表面并以鈍化膜破壞處作為陽極、未破壞處作為陰極在其上發(fā)生電化學(xué)腐蝕，具體反應(yīng)如下：

生成的Fe(OH)3失水生成Fe2O3，并在鈍化膜破壞處形成Fe2O3·3H2O，生成的物質(zhì)體積增大并在鋼筋表面與混凝土層之間產(chǎn)生較大壓力，迫使混凝土開裂崩落，鋼筋因此暴露于空氣中，其腐蝕速率與程度也因此而增加。

1.2 鋼筋防銹的方法

鋼筋銹蝕問題可應(yīng)用相關(guān)措施防止或減少其發(fā)生。主要的方法有：電化學(xué)除氯(Electrochemical Chloride Extraction，簡稱“ECE”)與電化學(xué)再堿化法、緩蝕劑法、涂層技術(shù)法、陰極保護(hù)法等；前三種方法目的均是為保護(hù)鈍化膜完整不被破壞；陰極保護(hù)法則是在鈍化膜破壞后，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時起到保護(hù)鋼筋的作用。陰極保護(hù)法是目前應(yīng)用較多、保護(hù)效果較好的方法，包括外加電流法與犧牲陽極法。

外加電流法是將鋼筋與直流電源的陰極相連，通電后使鋼筋極化至保護(hù)電位，從而抑制鋼筋發(fā)生銹蝕。該法不足之處在于需要專人進(jìn)行維護(hù)，成本較高，并需要電源等復(fù)雜設(shè)備，專業(yè)性較高。犧牲陽極法是將電負(fù)性更強的材料與鋼筋相連，與混凝土層形成回路，通過陽極材料的犧牲銹蝕提供電流使鋼筋極化至保護(hù)電位，免除鋼筋遭受銹蝕。通常作為陽極材料的有Al、Zn、Mg及其作為基體的合金等。相比外加電流法，犧牲陽極法保護(hù)效果顯著，安裝簡易，且不會產(chǎn)生過保護(hù)現(xiàn)象。

2 犧牲陽極法研究與應(yīng)用綜述

2.1 從“水利管線”到“路橋建筑”應(yīng)用對象的轉(zhuǎn)變

縱觀犧牲陽極法應(yīng)用實踐歷程，在20世紀(jì)上、中葉時期均以水利工程、管線工程為主，應(yīng)用上仍依托于陰極保護(hù)技術(shù)。1928年被稱為美國“電化學(xué)之父”的羅伯特·J·柯恩在新奧爾良的一條長距離輸氣管道上安裝了第一套犧牲陽極保護(hù)裝置，此舉為陰極保護(hù)的現(xiàn)代技術(shù)打下了基礎(chǔ)，此后陰極保護(hù)在美國和一些發(fā)達(dá)國家開展了應(yīng)用與研究[1]；1961年克拉瑪依-獨山子輸油管道，并施加了陰極保護(hù)，此后連續(xù)運行了20多年未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象[1]；1960年以來，我國先后在新疆、大慶、四川、勝利、華北等油氣田的地下輸油和輸氣管道工程中，以及在北京、上海、天津、哈爾濱等十幾個大中城市新建的輸氣管線和輸水管線等工程中采用了陰極保護(hù)技術(shù)，取得了較明顯的防腐蝕效果[2]；1966年江蘇的三河閘、射陽河擋潮閘和安徽裕溪口船閘閘門上進(jìn)行了現(xiàn)場“涂料與外加電流陰極保護(hù)及犧牲陽極”的試驗并獲得成功[3]；1971年混合型金屬氧化物陽極首次應(yīng)用于海水中，埋在海床泥漿中發(fā)揮著陰極保護(hù)作用[4]。

1973年陰極保護(hù)法首次應(yīng)用于橋梁防銹中：Strufull等對美國50號國道位于加州斯萊公園的一座鋼筋混凝土公路橋進(jìn)行了外加電流陰極保護(hù)。當(dāng)時犧牲陽極法的研究還較為落后，主要是由于混凝土層很厚，且電阻很高時犧牲陽極提供的保護(hù)電流不易達(dá)到保護(hù)要求[5]。1978年利用犧牲陽極系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)某座混凝土橋的橋面，效果不佳[5]。此后到1990年間陰極保護(hù)較多應(yīng)用于橋梁工程，但犧牲陽極法應(yīng)用較少，主要以研究開發(fā)為主[6-7]。

1995年佛羅里達(dá)皮爾斯堡的橋墩上安裝了第一個鋅箔/導(dǎo)電黏結(jié)劑犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)，面積約為100 m2，3年后保護(hù)系統(tǒng)仍然運行良好[8]。20世紀(jì)末開始大量采用犧牲陽極法進(jìn)行橋梁工程的保護(hù)。1999年，美國內(nèi)布拉斯加州奧馬哈橋墩、美國北達(dá)科他州邁諾特高架橋下部結(jié)構(gòu)、加拿大魁北克省魁北克市橋墩、加拿大安大略省倫弗魯橋以及加拿大曼尼托巴省溫尼伯市預(yù)應(yīng)力混凝土梁均使用了埋入式犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)保護(hù)[8]。與此同時，也出現(xiàn)了少量應(yīng)用在鋼筋混凝土建筑物上的案例，如：1996年澳大利亞悉尼歌劇院對由于鋼筋腐蝕造成破壞的鋼筋混凝土下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修，除了在結(jié)構(gòu)物的橋墩和拱腹上安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)，還在重新制作的新的預(yù)制構(gòu)件上安裝了陰極保護(hù)系統(tǒng)[9]。標(biāo)志著犧牲陽極法以陰極保護(hù)技術(shù)為依托從水利、管線工程上的應(yīng)用逐步轉(zhuǎn)向橋梁、建筑工程上的應(yīng)用，技術(shù)逐步發(fā)展成熟。

2.2 實踐與研究并舉的發(fā)展進(jìn)程

犧牲陽極法的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)程總體上是基于陰極保護(hù)法這一大的發(fā)展框架下，作為其中一種方法而不斷發(fā)展，亦是一個實踐與研究并舉的進(jìn)程。

從1890年愛迪生根據(jù)法拉第原理提出了強制電流陰極保護(hù)的思路，到1902年K·柯恩采用愛迪生的思路，使用外加電流成功地實現(xiàn)了實際的陰極保護(hù)；再到1910至1919年間德國人保爾和佛格爾在柏林的材料試驗站確定了陰極保護(hù)所需要的電流密度；有了諸如此類的試驗探索，在20世紀(jì)70年代前才有了眾多對于犧牲陽極法乃至陰極保護(hù)法在水利、管線、海灣工程上的應(yīng)用實踐。犧牲陽極法不僅對電化學(xué)領(lǐng)域理論進(jìn)行完善，同時帶動電學(xué)、材料學(xué)等相關(guān)學(xué)科的應(yīng)用研究的發(fā)展。

20世紀(jì)下葉，1979年布勞爾發(fā)表了使用有限元法進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計的第一篇論文[10]；1982年國家建材局蘇州水泥制品研究所率先在營口的一條穿越鹽田、已經(jīng)爆裂的預(yù)應(yīng)力混凝土管道上，開展了陰極保護(hù)技術(shù)的研究[11]；同年，美國聯(lián)邦公路管理局指出：陰極保護(hù)是已經(jīng)被證實的唯一能夠制止鹽污染橋面板腐蝕的維修技術(shù)，無論混凝土中的氯化物含量如何；同時菲尤發(fā)表了第一篇關(guān)于邊界元法在陰極保護(hù)設(shè)計上應(yīng)用的文章[12]?？梢钥闯?，與應(yīng)用方面有類似之處，在初始與中期階段，犧牲陽極法的具體研究還依托于陰極保護(hù)法，而未完全轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩⒌难芯浚嬲鳛楠毩⒓夹g(shù)科學(xué)深入研究與應(yīng)用大體上到了20世紀(jì)90年代才不斷涌現(xiàn)。

20世紀(jì)90年代，一批對于犧牲陽極法的深入研究開始出現(xiàn)，從初期的理論研究，到中期的方法研究，再到后期逐步將研究視角轉(zhuǎn)向材料研究與革新，犧牲陽極技術(shù)的發(fā)展突破逐步轉(zhuǎn)向?qū)τ陉枠O材料的性能研究。

1992年美國聯(lián)邦公路管理局成功研發(fā)了鋅箔/水凝膠犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)；1994年美國3M公司研制了具有良好導(dǎo)電性能和黏結(jié)性能的水凝膠黏結(jié)劑；同年，美國聯(lián)邦公路管理局資助開展了新型犧牲陽極材料的研究，開發(fā)了電弧噴鋁-鋅-銦合金犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)，噴涂層的組成為80%鋁、20%鋅、0.2%銦[13]；英國阿斯頓大學(xué)最早開展了埋入式犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)的研究并將其進(jìn)一步發(fā)展，英國Fosroc國際有限公司和加拿大馬尼托巴湖Vector Onstruction Group共同開發(fā)研制了可供市售的Galvashield埋入式犧牲陽極專利產(chǎn)品[14]。近些年印度Karaikudi電化學(xué)中心研究所對鎂合金陽極保護(hù)法進(jìn)行了3年的長期實驗，發(fā)現(xiàn)該法在預(yù)防鋼筋腐蝕方面效果顯著[15]。

2.3 應(yīng)用層面的拓寬及在文物保護(hù)中的機遇

隨著犧牲陽極法、陰極保護(hù)技術(shù)理論的不斷完善、材料領(lǐng)域的研究不斷進(jìn)步，在應(yīng)用層面上也有所拓寬：隨著當(dāng)下由增量時代逐步邁入存量時代，大量歷史建筑、文化遺產(chǎn)等均面臨著修繕保護(hù)，其中關(guān)于鋼筋保護(hù)尤為突出，從側(cè)面反映犧牲陽極法在類似文物保護(hù)中出現(xiàn)了應(yīng)用與發(fā)展的新機遇。

在國內(nèi)，2016年9月至10月，對地處遼寧省丹東市的“丹東一號”沉艦(致遠(yuǎn)艦)遺址進(jìn)行了清理，并采取犧牲陽極對該文物采取了保護(hù)措施[16]；在國外，1999年，英國萊斯特大橋(Leicester Bridge)在使用犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)的同時，完成了對嵌入陽極的首次監(jiān)控應(yīng)用，其數(shù)據(jù)為后續(xù)犧牲陽極的監(jiān)控意義深遠(yuǎn)[17]；由哈利·費爾德霍斯特以新古典主義風(fēng)格設(shè)計的阿克賴特之家作為曼徹斯特建筑遺產(chǎn)之一使用了外加電流陰極保護(hù)；該法在磚石復(fù)合框架建筑中亦有應(yīng)用，如：馬歇爾菲爾德公司百貨商店等[18]；美國庫斯灣大橋于2007年、2013年分別對其南北引橋、懸臂桁架北部的鋼筋混凝土上實施了外加電流陰極保護(hù)[19]。同時，在相關(guān)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中對陰極保護(hù)技術(shù)有明確規(guī)定，有的基于經(jīng)驗[20]、有的基于理論考慮[21]。美國腐蝕工程協(xié)會(NACE)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對處理腐蝕活動所需的電流密度與極化驗收標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定，在應(yīng)用上體現(xiàn)了較高的保護(hù)效果[22]。

綜上所述：犧牲陽極法依托陰極保護(hù)技術(shù)，發(fā)展進(jìn)程中凸顯了實踐與研究并舉的特征，應(yīng)用對象從水利、管線工程和道路、橋梁工程發(fā)展到建筑工程和文物保護(hù)，其應(yīng)用層面的不斷拓寬，為犧牲陽極法在文物保護(hù)中創(chuàng)造了新的機遇。目前國外有一些應(yīng)用案例與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但國內(nèi)犧牲陽極應(yīng)用于文物保護(hù)的案例較少，且鮮有對鋼筋混凝土文物保護(hù)的應(yīng)用。

3 犧牲陽極法在鋼筋混凝土文物保護(hù)上的應(yīng)用機理與設(shè)計方法

3.1 犧牲陽極法的應(yīng)用機理

由電化學(xué)保護(hù)原理可知，在陰極保護(hù)的過程中：給金屬補充大量電子需要負(fù)電位，以使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，其表面各點達(dá)到同一負(fù)電位，金屬原子因此不易失去電子而形成離子溶蝕。能夠抑制或使金屬腐蝕停止的電位值為保護(hù)電位。被保護(hù)鋼筋單位面積上所需的保護(hù)電流稱為保護(hù)電流密度。

犧牲陽極法利用一種比被保護(hù)金屬電負(fù)性更強的金屬或合金陽極材料與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，陽極材料因金屬性強而優(yōu)先被溶蝕，釋放出電流以供被保護(hù)金屬陰極化，隨著電流不斷流動，陽極材料不斷消耗使得被保護(hù)金屬處于保護(hù)狀態(tài)。

新修混凝土中鋼筋電位較高，鋼筋表面會形成一層致密的鈍化膜保護(hù)其免受侵蝕，隨著有害物質(zhì)入侵破壞鈍化膜，電位降低，若立即進(jìn)行砂漿修補，新修砂漿部位電位高于未修補鋼筋電位，此后在修補周邊部位形成“陽極環(huán)”而出現(xiàn)腐蝕破壞。采用犧牲陽極后，陽極塊電位較低，腐蝕優(yōu)先發(fā)生在犧牲陽極之上，保護(hù)混凝土中鋼筋不銹蝕。各階段不同部位電位值及電極屬性見表1。增設(shè)犧牲陽極前后的不同腐蝕機理見圖1、圖2所示。

表1 不同部位電位值及電極屬性表Table 1 Potential values and electrode properties of different parts

圖1 鋼筋銹蝕機理(腐蝕后期)Fig.1 Corrosion mechanism of steel bar(later stage of corrosion)

圖2 犧牲陽極工作機理(以鋅塊為例)Fig.2 Working mechanism of sacrificial anode(e.g. zinc block)

3.2 鋼筋混凝土文物保護(hù)中犧牲陽極法的設(shè)計方法

1) 對鋼筋混凝土文物進(jìn)行詳細(xì)勘察與分析，明確殘損病害類型與鋼筋銹蝕情況，如碳化深度，腐蝕電位，化學(xué)成分分析等；

2) 對于混凝土碳化深度過大、鋼筋銹蝕嚴(yán)重的文物，考慮去碳化層、鋼筋除銹后采用腐蝕控制用犧牲陽極；若結(jié)構(gòu)承載力不足，需要植筋時，可在新鋼筋上采用防腐蝕用犧牲陽極；對于碳化深度較淺但混凝土并未破壞的文物，可采用防腐蝕用犧牲陽極進(jìn)行預(yù)防；

3) 由保護(hù)鋼筋面積確定陽極用量：具體可依據(jù)下述計算過程：

a. 計算被保護(hù)鋼筋面積A：

A=π×D×L

(1)

式中：D為被保護(hù)鋼筋直徑；L為被保護(hù)鋼筋長度。

b. 計算陰極保護(hù)電流I：

I=A×Cd×(1-E)

(2)

式中：Cd為保護(hù)電流密度；E為涂層效率(通常被保護(hù)的為既有鋼筋，一般無涂層)。

c. 根據(jù)設(shè)計壽命t、理論電容量Z計算陽極用量：

W=(8 760×I×t)/(Z×U×Q)

(3)

式中：W為陽極重量；U為電流效率；Q為陽極使用率。

4) 依據(jù)上述計算被保護(hù)鋼筋面積與保護(hù)電流密度，結(jié)合現(xiàn)場可達(dá)性、環(huán)境與所需電流需求等選取合適的犧牲陽極系統(tǒng)；

5) 根據(jù)計算陽極用量與選取的系統(tǒng)類型，優(yōu)化陽極排布方式(數(shù)量與間距等)，并設(shè)計試點安裝方案避免安裝后對文物外部觀感造成過大影響。

4 犧牲陽極法在鋼筋混凝土文物保護(hù)中的應(yīng)用實例——南京長江大橋雙曲拱橋

4.1 工程背景

南京長江大橋建成于1968年，是我國自主設(shè)計和建造的第一座長江大橋，具有極高的歷史價值、科學(xué)價值、藝術(shù)價值和社會價值。南京長江大橋在2014年7月入選不可移動文物，2016年9月入選“首批中國20世紀(jì)建筑遺產(chǎn)名錄”，2018年1月入選“第一批中國工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)名錄”。由于長期過載使用，南京長江大橋存在較多的結(jié)構(gòu)病害和安全隱患。2016年，南京市政府決定對大橋公路橋進(jìn)行大修，將其存在的病害和安全隱患徹底解決。維修從2016年10月起，至2018年12月底竣工，一共持續(xù)27個月。

南京長江大橋雙曲拱橋作為歷史文物的一部分，既要保證修繕后的安全使用，又要依法保護(hù)、最大限度地保持其原真性與完整性。結(jié)合雙曲拱橋的結(jié)構(gòu)特征與病害特點，應(yīng)用了犧牲陽極法進(jìn)行耐久性保護(hù)，具體步驟如下：

南京長江大橋引橋雙曲拱橋位于主線橋端部，內(nèi)側(cè)同T梁橋相接，外側(cè)連接引道，共計22孔，其中北岸4孔，長137.0 m；南岸18 孔，長623.2 m。南岸和北岸引橋雙曲拱橋全橋?qū)?0.1 m，車行道寬15.0 m，兩側(cè)各有2.55 m寬(含欄桿)的人行道。各孔均為等截面懸鏈線無鉸拱。引橋雙曲拱橋主拱圈由16根拱肋、15個拱波組成，拱板為填平式現(xiàn)澆構(gòu)件，與拱波形成整體；拱肋之間的橫向連桿為預(yù)制構(gòu)件，抗震加固時增設(shè)大拉桿(每孔1～3根不等)。拱上填料為石灰煤渣土，頂面為瀝青混凝土與瀝青砂面層。

南京長江大橋回龍橋雙曲拱橋始于南岸引橋T梁橋和引橋雙曲拱橋交匯點，同新建匝道橋相連接?；佚垬蛉珮?qū)?3.1 m，車行道寬8.0 m，兩側(cè)各有2.55 m寬(含欄桿)的人行道。回龍橋雙曲拱橋總計12孔，橋梁總長328.2 m。橋梁跨徑分32.7 m和22.0 m兩種，上部結(jié)構(gòu)采用有填料的空腹式雙曲拱，由10根拱肋、9個拱波組成。拱肋為鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，群肋總寬11.96 m。拱波為混凝土預(yù)制圓弧拱。頂面澆筑填平式混凝土。拱肋之間的橫向連桿為預(yù)制構(gòu)件。拱上填料為石灰煤渣土，頂面為瀝青混凝土與瀝青砂面層。

4.2 現(xiàn)狀分析

在修繕設(shè)計初期，對南京長江大橋引橋雙曲拱橋、回龍橋雙曲拱橋進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)狀勘察，對各個結(jié)構(gòu)的安全隱患進(jìn)行了記錄與分析(具體見表2所列的主要殘損病害情況)，以便為后續(xù)保護(hù)性修繕設(shè)計提供依據(jù)。圖3至圖5為部分雙曲拱橋現(xiàn)狀調(diào)研照片。

表2 引橋雙曲拱橋、回龍橋雙曲拱橋主要病害匯總表Table 2 Major diseases summary of double curved arch bridges of the approach bridge and the Huilong Bridge

圖3 南引橋幕府西路50號孔Fig.3 Hole 50， Mufu West Road， the south approach bridge

圖4 北引橋浦珠北路37號孔Fig.4 Hole 37， Puzhu North Road， the north approach bridge

圖5 回龍橋跨金川河H12號孔Fig.5 Hole H12， Huilong Bridge crossing Jinchuan River

雙曲拱橋除橋面普遍存在車轍、坑槽、高低不平等問題外，急需解決的是主拱圈的結(jié)構(gòu)安全問題。主拱圈是結(jié)構(gòu)受力的主要構(gòu)件，是橋梁是否安全的關(guān)鍵。目前主拱圈存在的主要病害包括混凝土開裂和剝落、鋼筋露筋和銹蝕等，主要原因是混凝土強度偏低，保護(hù)層偏薄，暴露在自然環(huán)境中?；炷撂蓟疃炔糠忠殉^鋼筋表面。由于截面削弱，承載能力和剛度也有所下降。典型病害特征如圖6至圖8所示。

勘察過程中對北引橋38孔的鋼筋腐蝕電位差進(jìn)行了測量，其中拱肋-1#、拱肋-4#、拱肋-15#(從拱肋下游開始編號)處的鋼筋腐蝕電位差分別為-390 mV、-436 mV、-523 mV。一方面說明其高電位已經(jīng)形成了銹蝕的條件；另一方面為確定犧牲陽極的電位差提供依據(jù)。

圖6 拱肋混凝土剝落露筋Fig.6 Peeling of arch rib concrete and exposed steel bars

圖7 拱肋混凝土滲水露筋Fig.7 Seepage of arch rib concrete and exposed steel bars

綜合考慮工程實施與保護(hù)效果，采用犧牲陽極法進(jìn)行雙曲拱橋文物本體的耐久性保護(hù)，以期延年益壽，控制其鋼筋發(fā)生銹蝕以及陽極環(huán)效應(yīng)，延長其使用壽命。

4.3 實施機制

對南京長江大橋雙曲拱橋主拱圈采用高堿性埋置式犧牲陽極，直接綁扎于原鋼筋或修補后的鋼筋表面，呈點狀或條帶狀分布。犧牲陽極型號為FH-XPT電化學(xué)材料(犧牲陽極)，鋅芯最小重量為60 g，電線總長度600 mm，陽極標(biāo)稱尺寸為125 mm×25 mm×25 mm，預(yù)防性防腐間距≤750 mm。具體綁扎與安裝流程如圖9所示。

圖9中：(a)將犧牲陽極貼于鋼筋旁邊適當(dāng)?shù)奈恢?，并在各邊放置一根電線；(b)向相反的方向彎曲一側(cè)的電線；(c)向相反的方向彎曲另一側(cè)電線；(d)以反方向纏繞電線；(e)按(d)步驟纏繞數(shù)次；(f)將兩根電線擰為一股，注意勿折斷電線。

圖9 犧牲陽極綁扎安裝流程示意Fig.9 Installation flow diagram of sacrificial anode binding

南京長江大橋雙曲拱橋犧牲陽極安裝具體施工流程大致如下：1)對出現(xiàn)混凝土開裂、剝落、碳化嚴(yán)重的部分及鋼筋露筋、銹蝕的部分進(jìn)行充分的清理，對碳化深度較大的，鑿除碳化部分并對鋼筋進(jìn)行除銹防腐處理；對碳化深度較小的部分采用涂料進(jìn)行封閉；2)對承載力較低的部分綁扎布置新鋼筋；3)測量犧牲陽極電位差，確定其有效性與完整性；4)按計算與布置方案在對應(yīng)位置處間隔綁扎犧牲陽極，將陽極固定在暴露鋼筋的側(cè)面或下方，盡可能靠近周圍混凝土(100 mm為宜)，犧牲陽極綁扎安裝流程按圖9所示步驟操作；5)采用儀表驗證修補區(qū)域內(nèi)陽極和鋼筋之間、鋼筋和鋼筋之間的電連續(xù)性，無連續(xù)性鋼筋應(yīng)用扎絲固定于有電連續(xù)性的鋼筋上，電阻值在0～1 Ωm之間判定為合格；6)澆筑高標(biāo)號新混凝土，覆蓋厚度至少為20 mm，其作為修補材料的電阻率應(yīng)低于15 000 Ωm/cm，在填充之前，需預(yù)先濕潤混凝土基底與陽極以獲得飽和干燥狀態(tài)，而后進(jìn)行修補，達(dá)到原有形制觀感?，F(xiàn)場綁扎犧牲陽極和綁扎后的犧牲陽極分別如圖10和圖11所示。

圖10 現(xiàn)場綁扎犧牲陽極Fig.10 On-site binding of sacrificial anodes

圖11 綁扎后的犧牲陽極Fig.11 Sacrificial anode after binding

4.4 預(yù)期效果

未設(shè)置犧牲陽極單純進(jìn)行混凝土加厚補強的措施會導(dǎo)致在既有混凝土與新混凝土之間產(chǎn)生電位差，從而造成既有混凝土中的鋼筋較快發(fā)生銹蝕。而采用犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)后，由于犧牲陽極的電位較高(鋅芯可達(dá)-1 100 mV)，會大大減少既有混凝土中的鋼筋以及新鋼筋的銹蝕情況出現(xiàn)。

南京長江大橋公路橋維修工程文物保護(hù)工程已于2018年12月8日順利竣工，驗收專家組給出了較好的評價與總結(jié)，整體施工過程按照文物修繕的要求開展，符合設(shè)計方案的要求?？傮w做到了修舊如舊的效果。采用犧牲陽極法進(jìn)行保護(hù)的南京長江大橋雙曲拱橋能在未來使用過程中提升其耐久性。

5 結(jié) 論

本研究較為系統(tǒng)地對犧牲陽極法的相關(guān)研究文獻(xiàn)與工程實踐案例進(jìn)行了梳理，介紹了犧牲陽極技術(shù)的發(fā)展情況與應(yīng)用歷程，并由其應(yīng)用層面的轉(zhuǎn)變提出犧牲陽極法應(yīng)用于鋼筋混凝土文物保護(hù)的可行性，詳述了具體應(yīng)用機理與設(shè)計方法。通過介紹南京長江大橋雙曲拱橋主拱圈耐久性加固工程中對犧牲陽極法的應(yīng)用，闡述了該法在新時代文物保護(hù)方面的新機遇，為相關(guān)文物保護(hù)修繕設(shè)計提供了借鑒。得到如下相關(guān)結(jié)論：

1) 犧牲陽極法的發(fā)展前中期還主要依托于陰極保護(hù)法的發(fā)展研究，陰極保護(hù)法主要應(yīng)用于水利、管線工程，犧牲陽極法還未獨立成為單獨的技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究；從20世紀(jì)90年代逐步加強了對其的研究，主要在材料方面有所革新，與此同時帶來了犧牲陽極法在橋梁工程中的鋼筋防銹蝕上的廣泛應(yīng)用；近些年來國外對于該法應(yīng)用在歷史遺產(chǎn)保護(hù)工程中案例較多、規(guī)范翔實，而國內(nèi)鮮有應(yīng)用，亟待對其應(yīng)用與設(shè)計進(jìn)行研究。

2) 犧牲陽極法近年在國內(nèi)逐步推廣至橋梁修繕工程中，作為文物保護(hù)的實例之一，南京長江大橋雙曲拱橋主拱圈的耐久性加固工程采用了犧牲陽極法。作為該方法在新時代中的新機遇，此次犧牲陽極耐久性加固法為類似鋼筋混凝土文物保護(hù)工程提供了借鑒和參考。

3) 縱觀犧牲陽極法在研究與實踐中的不斷摸索前行，再以南京長江大橋雙曲拱橋這一文物保護(hù)修繕工程為契機，管窺犧牲陽極法未來的發(fā)展趨勢：預(yù)測未來犧牲陽極法將更為深入地實施于中大型橋梁保護(hù)，乃至文物保護(hù)工程之中，從單一的鋼筋混凝土橋梁保護(hù)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樨S富的鋼筋混凝土建、構(gòu)筑物保護(hù)，實現(xiàn)文物保護(hù)的科學(xué)性與耐久性。