陰極保護(hù)在海港碼頭預(yù)應(yīng)力方樁修復(fù)中的應(yīng)用

楊吳禮，李森林，陳剛，徐寧

（1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 寧波 315800；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；3.寧波港股份有限公司，浙江 寧波 315800）

寧波港北侖港區(qū)2.5萬噸級(jí)礦石碼頭建于1979年，1981年底竣工投產(chǎn)。碼頭系高樁梁板式結(jié)構(gòu)，其樁基為600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁。由于遭受環(huán)境介質(zhì)侵蝕，預(yù)應(yīng)力方樁潮差浪濺區(qū)腐蝕損壞嚴(yán)重，φ8 mm的箍筋已銹斷，φ25 mm的主筋截面損失最大已達(dá)20%左右。針對(duì)預(yù)應(yīng)力方樁潮差浪濺區(qū)腐蝕損壞的嚴(yán)重情況，2001年對(duì)預(yù)應(yīng)力方樁采取了局部丙乳砂漿修補(bǔ)加全面封閉處理的措施。2006年巡查發(fā)現(xiàn)，約有200根預(yù)應(yīng)力方樁再次出現(xiàn)不同程度的腐蝕損壞，且部分方樁局部損壞嚴(yán)重，需進(jìn)行二次維修處理。

1 維修措施的選擇

分析認(rèn)為2001年采用的局部丙乳砂漿修補(bǔ)加全面封閉處理僅5 a就出現(xiàn)二次腐蝕破壞，主要與以下幾方面因素有關(guān)：1）局部修補(bǔ)后，形成了新的腐蝕電池，老混凝土中的鋼筋成為腐蝕電池的陽極，修補(bǔ)混凝土中的鋼筋成為腐蝕電池的陰極，加速了老混凝土中鋼筋的腐蝕，結(jié)果造成修補(bǔ)混凝土周圍的老混凝土很快破壞，即所謂“環(huán)陽極腐蝕”[1]。2）潮差浪濺區(qū)預(yù)應(yīng)力方樁局部修補(bǔ)時(shí)，需候潮作業(yè)。若混凝土局部鑿除及鋼筋除銹后，未在下次漲潮前，完成修補(bǔ)，則海水可直接污染鑿除區(qū)域范圍的鋼筋和混凝土，即使采取二次清除措施也很難將已滲入混凝土孔隙內(nèi)的有害氯離子清除干凈，而一旦局部砂漿封閉后，二次污染的有害氯離子就存在鋼筋附近，短期內(nèi)即可引起鋼筋二次腐蝕。3）施工質(zhì)量對(duì)修復(fù)效果亦有較大影響。

針對(duì)局部修補(bǔ)存在的問題及局限性，在局部鑿除修補(bǔ)的基礎(chǔ)上，提出了安裝犧牲陽極的改進(jìn)措施。該措施具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1）對(duì)局部修補(bǔ)所引起的“環(huán)陽極腐蝕”具有抑制作用；2）解決了海水二次污染所造成的過早腐蝕問題，即使局部鑿除修補(bǔ)處遭受嚴(yán)重的二次污染，但由于犧牲陽極的保護(hù)作用，此類污染對(duì)修補(bǔ)效果的影響也基本可以解決；3）減少了局部鑿除工程量，避免為了清除遭受氯離子污染的混凝土而對(duì)預(yù)應(yīng)力方樁造成的人為破壞和環(huán)境污染。

2 犧牲陽極陰極保護(hù)

根據(jù)預(yù)應(yīng)力方樁腐蝕損壞嚴(yán)重程度及局部損壞范圍，在局部修補(bǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)108根損壞嚴(yán)重的預(yù)應(yīng)力方樁實(shí)施了犧牲陽極陰極保護(hù)處理。

2.1 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

根據(jù)文獻(xiàn)資料，目前常用的陰極保護(hù)準(zhǔn)則主要有保護(hù)電位準(zhǔn)則、極化衰減（發(fā)展）準(zhǔn)則和極化曲線準(zhǔn)則等，其中極化衰減準(zhǔn)則在工程實(shí)踐中應(yīng)用最多[2]。極化電位衰減值是指陰極保護(hù)斷電瞬間測(cè)得的鋼筋瞬時(shí)斷電電位與在陰極保護(hù)系統(tǒng)斷電4~24 h內(nèi)的某一時(shí)刻測(cè)得的電位值之差，極化電位衰減值不小于100 mV時(shí)，混凝土中的鋼筋能夠得到有效保護(hù)[2~4]。

2.2 修補(bǔ)材料的基本要求

預(yù)應(yīng)力方樁局部修補(bǔ)過程中需要安裝犧牲陽極，因此，修補(bǔ)材料除應(yīng)滿足常規(guī)修補(bǔ)材料的一般特性外，還應(yīng)與犧牲陽極相匹配，否則難以達(dá)到預(yù)期保護(hù)效果，具體要求如下：

1）抗壓強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于原混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)；

2）黏結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)小于原混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

3）電阻率為原混凝土電阻率的50%~200%，且應(yīng)小于15 000Ω·cm。含有大量聚合物或硅灰的產(chǎn)品不能使用。若使用界面劑材料，則界面劑應(yīng)具有適合的導(dǎo)電性能。不應(yīng)使用絕緣材料，如環(huán)氧類界面劑等。

2.3 陽極性能及保護(hù)范圍

設(shè)計(jì)采用國(guó)外進(jìn)口的Galvashiel XP犧牲陽極。該陽極由導(dǎo)電活性砂漿和鋅塊組成，外觀呈棋子狀，直徑64 mm，厚25 mm，重量為200 g，內(nèi)部鋅塊重62 g。

根據(jù)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，該類陽極混凝土中的開路電位在-1 000~-1 200 mV（v.s.SCE）之間，初始發(fā)生電流在427~2 843μA之間。

將陽極埋入1 500 mm×2 000 mm鋼筋混凝土試件中心位置，對(duì)試件實(shí)施陰極保護(hù)。通電15 d后，采用Cu/飽和CuSO4參比電極和瞬時(shí)斷電采集系統(tǒng)，測(cè)量試件各測(cè)點(diǎn)鋼筋的瞬時(shí)斷電電位；斷電4 h后測(cè)量各測(cè)點(diǎn)鋼筋的去極化電位，計(jì)算極化電位衰減值，繪制極化電位衰減值與距陽極距離關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 極化電位衰減值與距陽極距離關(guān)系曲線Fig.1 Curve of polarization potential decay value with the distance to sacrificial anode

由圖1知，極化電位衰減值與測(cè)點(diǎn)距陽極距離的關(guān)系可表達(dá)為：

式中：ΔE為極化電位衰減值，mV；x為測(cè)點(diǎn)與陽極塊中心距離，cm。

由式（1）可知，試驗(yàn)條件下，若達(dá)到極化電位衰減值不小于100 mV的保護(hù)準(zhǔn)則要求，單只陽極的有效保護(hù)范圍約為82.0 mm，該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn) [5]的研究成果基本一致。依據(jù)式（1）知，極化電位衰減值達(dá)到50 mV時(shí)，測(cè)點(diǎn)與犧牲陽極中心的距離約為329 mm，按簡(jiǎn)單幾何疊加計(jì)算，要達(dá)到預(yù)期保護(hù)效果，相鄰兩只陽極之間的最大間距不大于658 mm。

2.4 施工工藝及關(guān)鍵步驟說明

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和犧牲陽極陰極保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)，制定了施工工藝為：每一個(gè)預(yù)應(yīng)力方樁搭設(shè)海上倒掛式鋼質(zhì)腳手架→預(yù)應(yīng)力方樁損壞區(qū)域局部鑿除→銹蝕鋼筋除銹及補(bǔ)強(qiáng)→創(chuàng)面處理→電連接性檢測(cè)→陽極定位及安裝→人工壓抹修補(bǔ)砂漿→養(yǎng)護(hù)。

2.4.1 犧牲陽極定位及安裝

犧牲陽極定位及安裝在創(chuàng)面處理完成后，壓抹修補(bǔ)砂漿前完成。

犧牲陽極安裝盡可能利用鑿除區(qū)域深度較深的部位，必要時(shí)加深鑿除，以確保XP陽極能夠被修補(bǔ)材料完全地覆蓋。

每一修補(bǔ)區(qū)域安裝不少于2只陽極，且控制相鄰陽極中心間距不大于650 mm，見圖2。

圖2 XP陽極安裝圖Fig.2 XPanode installation diagram

利用陽極本體的鋼絲牢固地將陽極捆綁在主筋適當(dāng)位置。如果陽極只捆在1根鋼筋上，或只有少于25 mm的保護(hù)層（由混凝土的表面計(jì)），應(yīng)將陽極安裝在鋼筋下方。如果有充足的保護(hù)層，陽極可安裝在兩根鋼筋之間的交叉點(diǎn)，并將陽極兩端的鋼絲分別捆綁在不同的主筋上。

2.4.2 質(zhì)量控制

陽極安裝前、后均進(jìn)行電連接檢測(cè)。安裝陽極前檢測(cè)被保護(hù)鋼筋之間的連接電阻，確保連接電阻小于1.0Ω。安裝完畢后，檢查陽極導(dǎo)線與鋼筋之間的電阻，確保兩者之間的電阻小于1.0Ω。

修補(bǔ)砂漿壓抹完成后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，到達(dá)齡期后采用鉆芯取樣方式抽檢其修復(fù)質(zhì)量和修復(fù)砂漿與基體混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度。要求修補(bǔ)砂漿層與基體混凝土附著良好，尤其陽極周圍嚴(yán)禁存在任何空隙，黏結(jié)強(qiáng)度要求大于1.2 MPa。

2.5 保護(hù)效果

采用高內(nèi)阻數(shù)字萬用表和Cu/飽和CuSO4參比電極抽測(cè)混凝土內(nèi)鋼筋電極電位表明，通電初期鋼筋極化電位在-475~-650 mV之間；初始發(fā)生電流最大達(dá)2 553μA，隨后逐步減小，至2個(gè)月時(shí)僅為255μA，此時(shí)混凝土內(nèi)鋼筋電極電位在-325~-574 mV之間，但極化電位衰減值均大于100 mV，見表1。

表1 測(cè)量計(jì)算結(jié)果Table 1 Measurement and calculation results mV

2013年結(jié)合寧波港北侖港區(qū)2.5萬噸級(jí)礦石碼頭改造工程，對(duì)2007年實(shí)施犧牲陽極陰極保護(hù)的預(yù)應(yīng)力方樁調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力方樁外觀總體完好，未見明顯的局部損壞現(xiàn)象，因此認(rèn)為，犧牲陽極陰極保護(hù)措施基本達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié)語

鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力方樁是我國(guó)海港碼頭最主要的樁基類型之一。由于長(zhǎng)期遭受海洋環(huán)境介質(zhì)的侵蝕、正常和不正常荷載等因素影響，腐蝕損壞在所難免。工程實(shí)踐表明，犧牲陽極陰極保護(hù)防腐措施不但解決了潮差浪濺區(qū)預(yù)應(yīng)力方樁局部修補(bǔ)中海水二次污染可能造成的過早腐蝕問題，而且對(duì)局部修補(bǔ)所引起的“環(huán)陽極腐蝕”具有明顯抑制作用，同時(shí)可減少局部鑿除工程量，避免了修復(fù)過程對(duì)預(yù)應(yīng)力方樁的過度破壞以及由此導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，是潮差浪濺區(qū)預(yù)應(yīng)力方樁修復(fù)處理的有效措施之一。

[1] 葛燕，朱錫昶.海洋環(huán)境鋼筋混凝土的腐蝕和陰極保護(hù)技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2004（3）：28-30.GE Yan,ZHU Xi-chang.Corrosion and cathodic protection of reinforced concrete structures in marine environments[J].China Harbour Engineering,2004(3):28-30.

[2] 葛燕，朱錫昶，朱雅仙，等.混凝土中鋼筋的腐蝕與陰極保護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：50-63.GE Yan,ZHU Xi-chang,ZHU Ya-xian,et al.Corrosion and cathodic protection of steel in concrete[M].Beijing:Chemical Industry Press,2007:50-63.

[3] EN 12696—2006，Cathodic protection of steel in concrete[S].

[4] NACE RP0290—2000，Impressed current cathodic protection of reinforcingsteel in atmospherically exposed concretestructures[S].

[5] 邱富榮，石小燕，余興增，等.鋼筋混凝土構(gòu)筑物電化學(xué)保護(hù)的新進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2000,12（5）：303-307.QIU Fu-rong,SHI Xiao-yan,YU Xing-zeng,et al.Progress in electrochemical protection for steel reinforcing concrete structures[J].Corrosion Science and Protection Technology,2000,12(5):303-307.