陰極保護技術在海工鋼筋混凝土結構修復中的應用

黃學松，馬永棟，馬龍，何小松

（1.華陽電業(yè)有限公司，福建 漳州 363150；2.蘇威（天津）材料科技有限公司，天津 300452；3.圣維可（廣州）防腐科技有限公司，廣東 廣州 510530）

1 維修加固方案

1.1 腐蝕環(huán)境調查

為了制定合理的修復方案，對已經發(fā)生腐蝕的典型部位進行調查。對鋼筋周圍混凝土氯化物含量、混凝土電阻率、半電池電位等進行了檢測，此外，對鋼筋銹蝕產物進行了SEM能譜分析，對銹蝕產物中有害離子含量進行了測定。

1.1.1 混凝土氯化物含量測定

鉆取混凝土芯樣6個，長度105 mm，編號為1號～6號。從芯樣外側向內側分段取粉末進行氯離子含量測試，氯離子平均含量如表1所示。

表1 混凝土氯離子含量Talbe 1 Chlorineion content of the concrete

根據(jù)相關標準[1]，引起混凝土中鋼筋腐蝕的氯離子含量臨界值在浪濺區(qū)為0.35%~0.45%，所檢測試樣氯離子含量已接近或超過該值，可以判定混凝土中鋼筋已經處于腐蝕狀態(tài)[2]。

1.1.2 鋼筋半電池電位

采用半電池電位法對樁帽側面和正面鋼筋電池電位進行測量，測量間距20 cm，對每條測線上各測點電位值讀數(shù)穩(wěn)定（浮動不超過±0.02 V）時進行記錄，測試結果見表2。可以對比看出，樁帽結構正面電位比側面更負，正面發(fā)生腐蝕的幾率更大，這與正面承受更多來自海水浪濺的影響有關。根據(jù)標準[1]，“腐蝕電位負向大于-350 mV，則此區(qū)域發(fā)生鋼筋腐蝕的概率大于90%”，表2所測得數(shù)據(jù)基本上都負向大于該值，可以判定所檢測部位鋼筋已基本處于腐蝕狀態(tài)。

表2 鋼筋半電池電位測量結果Table 2 Measuring results of the half-cell potential of reinforcement

1.1.3 鋼筋腐蝕形貌

??帕特里克·H．赫頓:《記憶:見證、經驗、集體記憶》，載南希·帕特納、薩拉·富特主編《史學理論手冊》，余偉、何立民譯，格致出版社、上海人民出版社2017年版，第503、494頁。

對外表完整的樁帽混凝土鑿出鋼筋進行檢查，發(fā)現(xiàn)橫向鋼筋已經銹蝕，并且出現(xiàn)鋼筋直徑局部減小現(xiàn)象，豎向鋼筋存在不同程度的銹蝕，銹蝕面積大于70%。這與氯離子含量結果和半電池電位測定結果是一致的。

1.1.4 銹蝕產物成分分析

為進一步確定鋼筋腐蝕的原因，對鋼筋銹蝕產物進行了掃描電鏡能譜分析，結果表明，鋼筋腐蝕產物中氯元素含量重量百分比達到2.91%，可以判斷氯離子已經完全穿過混凝土保護層到達鋼筋表面，造成鋼筋大量銹蝕。

1.2 腐蝕調查結論

根據(jù)氯離子含量、混凝土電阻率、半電池電位和鋼筋銹蝕產物能譜分析結果，可以判斷出造成樁帽混凝土內鋼筋銹蝕的主要原因是氯鹽滲透。由于所檢測混凝土結構已經存在大量主筋銹蝕，混凝土表面保護層剝落，鋼筋裸露，為了保證碼頭的安全使用，延續(xù)碼頭的使用壽命，將對整個碼頭所有樁帽進行修復加固。

1.3 碼頭樁帽修復方案的制定

針對結構損壞情況，考慮以下4種方案[3]：拆除結構重建，移除氯離子含量高的混凝土，電化學除氯以及陰極保護技術[4]。前3種方法存在成本高，無法在潮差區(qū)和浪濺區(qū)進行施工的缺陷，而陰極保護技術一方面可以僅對腐蝕嚴重的部位進行修復，另一方面還可以消除氯鹽污染后更換新混凝土而造成的“陽極效應”[4]。

因此，項目選用陰極保護修復方案，使維修區(qū)域的鋼筋腐蝕得到有效控制，并為整個結構建立整體的陰極保護系統(tǒng)。

2 維修加固

2.1 陰極保護系統(tǒng)分區(qū)及組成

碼頭樁帽陰極保護系統(tǒng)主要包括：鈦基MMO金屬陽極網、鈦導電條、塑料卡、鈦參比電極、正極接頭、負極接頭、參比電極回路接頭、電纜及接線專用接頭、接線盒及接線箱、Mconex電源系統(tǒng)及SAVCOR參比電極監(jiān)控系統(tǒng)。

將整個碼頭結構分為15個分區(qū)，每個分區(qū)安裝1個主接線盒（JB1~JB15），每個樁帽安裝1個小接線盒、正極接頭和負極接頭，每個樁帽的接線都應接入相應區(qū)域的主接線盒。所有主接線盒接入1個或多個Mconex電源系統(tǒng)單元中。

2.2 陰極保護系統(tǒng)施工

1）施工流程為：切割開槽→鑿除舊混凝土→清潔鋼筋→建立電連續(xù)性→清潔混凝土基材→安裝負極、參比電極→涂刷底層砂漿并施工第一層砂漿→安裝陽極及正極接頭→施工第2層砂漿及養(yǎng)護→接線。見圖1。

圖1 主要施工流程示意圖Fig.1 Main construction flow chart

2） 主要施工方法為：

①混凝土鑿除及鋼筋腐蝕產物清潔。將需要維修的區(qū)域完全鑿開，邊緣深度至少10 mm，露出所有鋼筋，清潔鋼筋表面所有疏松的氧化皮和腐蝕產物。

②建立鋼筋電連續(xù)性并清潔混凝土。對維修區(qū)域暴露的鋼筋進行電連續(xù)性測試，如果發(fā)現(xiàn)鋼筋電連續(xù)性不佳（>2Ω），采用φ6 mm鋼筋焊接以重新建立電連續(xù)性。焊接后需重新測試，確保所有鋼筋之間建立電連續(xù)性。采用高壓水槍或者機械方法去除混凝土基材疏松物及其它污染物。

③安裝負極、參比電極及參比電極專用回路接頭。將負極接頭及參比電極專用回路接頭牢固焊接于鋼筋上，參比電極（如有）采用尼龍扎帶牢固綁扎在兩根鋼筋的中間。

④涂刷底層砂漿及施工第1層修復砂漿。將水泥∶淡水=1∶2的底層砂漿涂刷于鋼筋及混凝土表面，確保鋼筋表面，包括鋼筋后側完全被砂漿包裹。在砂漿未完全干燥時，用灰鏟抹上第1層修復砂漿，厚度應超過最外層鋼筋表面25 mm。

⑤安裝陽極及正極接頭。第1根陽極安裝在維修區(qū)域混凝土邊緣處，其余按20 cm間距安裝，安裝后采用導電條連接，再將正極接頭焊接于導電條上。安裝陽極后，需持續(xù)進行短路測試。

⑥施工第2層砂漿及養(yǎng)護。陽極安裝后，用灰鏟將第2層砂漿抹到陽極網上，要確保所有埋置陽極和電接頭外的保護層厚度至少達到40 mm。維修施工完成后應立刻噴涂丙烯酸養(yǎng)護液進行養(yǎng)護。

2.3 系統(tǒng)調試

2.3.1 測試

對每個區(qū)域主接線箱進行所有正極接線端之間的電連續(xù)性、所有負極接線端和參比回路接線端之間的電連續(xù)性、正極接線端和負極接線端之間是否存在短路、所有參比電極的自然電位測試。

對Mconex電源系統(tǒng)進行所有正極接線端和所有負極接線端短路測試、負極接線端和參比回路接線端之間的電連續(xù)性測試、參比電極自然電位等測試。

2.3.2 調試

所有系統(tǒng)測試無誤后，對整個系統(tǒng)進行通電調試，結果符合歐洲標準EN12696：2000第8.6條的規(guī)定：從瞬時斷電起最大24 h，參比電極電位最小100 mV的衰減[5]。每個分區(qū)參比電極調試結果見圖2。

圖2 系統(tǒng)調試結果Fig.2 System debugging results

3 結語

鹽污染環(huán)境中鋼筋混凝土結構在達到設計使用年限發(fā)生前過早破壞現(xiàn)象在全世界范圍內普遍存在，發(fā)達國家采用陰極保護技術對已建鋼筋混凝土結構進行腐蝕控制有超過30 a的歷史。漳州后石電廠煤碼頭樁帽混凝土結構成功采用陰極保護技術進行修復，其設計、安裝、調試以及運行可為類似工程提供參考。

[1]JTJ302—2006，港口水工建筑物檢測與評估技術規(guī)范[S].JTJ 302—2006，Technical specification for detection and assessment of harbour and marinestructures[S].

[2]陳濤.混凝土結構外加電流陰極防護技術及其在工程中的應用[J].橋梁建設，2006（3）：12-15.CHEN Tao.Impressed current cathodic protection techniques for concrete structures and their applications to civil engineering[J].Bridge Construction，2006（3）：12-15.

[3]CHEAITANIAtef，周欲曉.陰極保護——氯鹽污染海工混凝土的最佳長效維修解決方案[J].全面腐蝕控制，2012，26（2）：1-3.CHEAITANI Atef，ZHOU Yu-xiao.Cathodic protection：the only long term solution for the repair of reinforced concrete chloride contaminated marine structures[J].Total Corrosion Control，2012，26（2）：1-3.

[4] 石月亮，代學亮，王文山.湛江港一區(qū)突堤碼頭修補加固施工工藝[J].中國港灣建設，2008（4）：56-59.SHIYue-liang，DAIXue-liang，WANGWen-shan.Technology for repair and reinforcement of finger pier in port area I in Zhanjiang Port[J].China Harbour Engineering，2008（4）：56-59.

[5]BS.EN 12696：2000，Cathodic protection of steel in concrete[S].