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預應力混凝土方樁。由于遭受環(huán)境介質(zhì)侵蝕，預應力方樁潮差浪濺區(qū)腐蝕損壞嚴重，φ8 mm的箍筋已銹斷，φ25 mm的主筋截面損失最大已達20%左右。針對預應力方樁潮差浪濺區(qū)腐蝕損壞的嚴重情況，2001年對預應力方樁采取了局部丙乳砂漿修補加全面封閉處理的措施。2006年巡查發(fā)現(xiàn)，約有200根預應力方樁再次出現(xiàn)不同程度的腐蝕損壞，且部分方樁局部損壞嚴重，需進行二次維修處理。

1 維修措施的選擇

分析認為2001年采用的局部丙乳砂漿修補加全面封閉處理僅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)預應力方樁局部修補時，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，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)量對修復效果亦有較大影響。

針對局部修補存在的問題及局限性，在局部鑿除修補的基礎(chǔ)上，提出了安裝犧牲陽極的改進措施。該措施具有如下技術(shù)優(yōu)勢：1）對局部修補所引起的“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，即使局部鑿除修補處遭受嚴重的二次污染，但由于犧牲陽極的保護作用，此類污染對修補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預應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

根據(jù)預應力方樁腐蝕損壞嚴重程度及局部損壞范圍，在局部修補的基礎(chǔ)上，對108根損壞嚴重的預應力方樁實施了犧牲陽極陰極保護處理。

2.1 陰極保護準則

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

2.2 修補材料的基本要求

預應力方樁局部修補過程中需要安裝犧牲陽極，因此，修補材料除應滿足常規(guī)修補材料的一般特性外，還應與犧牲陽極相匹配，否則難以達到預期保護效果，具體要求如下：

1）抗壓強度等級不應低于原混凝土抗壓強度等級；

2）黏結(jié)強度不應小于原混凝土的抗拉強度標準值；

3）電阻率為原混凝土電阻率的50%~200%，且應小于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，則界面劑應具有適合的導電性能。不應使用絕緣材料，如環(huán)氧類界面劑等。

2.3 陽極性能及保護范圍

設計采用國外進口的Galvashiel XP犧牲陽極。該陽極由導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，對試件實施陰極保護。通電15 d后，采用Cu/飽和CuSO4參比電極和瞬時斷電采集系統(tǒng)，測量試件各測點鋼筋的瞬時斷電電位；斷電4 h后測量各測點鋼筋的去極化電位，計算極化電位衰減值，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點距陽極距離的關(guān)系可表達為：

式中：ΔE為極化電位衰減值，mV；x為測點與陽極塊中心距離，cm。

由式（1）可知，試驗條件下，若達到極化電位衰減值不小于100 mV的保護準則要求，單只陽極的有效保護范圍約為82.0 mm，該計算結(jié)果與文獻 [5]的研究成果基本一致。依據(jù)式（1）知，極化電位衰減值達到50 mV時，測點與犧牲陽極中心的距離約為329 mm，按簡單幾何疊加計算，要達到預期保護效果，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)場實際情況和犧牲陽極陰極保護的技術(shù)特點，制定了施工工藝為：每一個預應力方樁搭設海上倒掛式鋼質(zhì)腳手架→預應力方樁損壞區(qū)域局部鑿除→銹蝕鋼筋除銹及補強→創(chuàng)面處理→電連接性檢測→陽極定位及安裝→人工壓抹修補砂漿→養(yǎng)護。

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，必要時加深鑿除，以確保XP陽極能夠被修補材料完全地覆蓋。

每一修補區(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位置。如果陽極只捆在1根鋼筋上，或只有少于25 mm的保護層（由混凝土的表面計），應將陽極安裝在鋼筋下方。如果有充足的保護層，陽極可安裝在兩根鋼筋之間的交叉點，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、后均進行電連接檢測。安裝陽極前檢測被保護鋼筋之間的連接電阻，確保連接電阻小于1.0Ω。安裝完畢后，檢查陽極導線與鋼筋之間的電阻，確保兩者之間的電阻小于1.0Ω。

修補砂漿壓抹完成后及時養(yǎng)護，到達齡期后采用鉆芯取樣方式抽檢其修復質(zhì)量和修復砂漿與基體混凝土間的黏結(jié)強度。要求修補砂漿層與基體混凝土附著良好，尤其陽極周圍嚴禁存在任何空隙，黏結(jié)強度要求大于1.2 MPa。

2.5 保護效果

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2 553μA，隨后逐步減小，至2個月時僅為255μA，此時混凝土內(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 測量計算結(jié)果Table 1 Measurement and calculation results mV

2013年結(jié)合寧波港北侖港區(qū)2.5萬噸級礦石碼頭改造工程，對2007年實施犧牲陽極陰極保護的預應力方樁調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預應力方樁外觀總體完好，未見明顯的局部損壞現(xiàn)象，因此認為，犧牲陽極陰極保護措施基本達到了預期效果。

3 結(jié)語

鋼筋混凝土預應力方樁是我國海港碼頭最主要的樁基類型之一。由于長期遭受海洋環(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。工程實踐表明，犧牲陽極陰極保護防腐措施不但解決了潮差浪濺區(qū)預應力方樁局部修補中海水二次污染可能造成的過早腐蝕問題，而且對局部修補所引起的“環(huán)陽極腐蝕”具有明顯抑制作用，同時可減少局部鑿除工程量，避免了修復過程對預應力方樁的過度破壞以及由此導致的環(huán)境污染問題，是潮差浪濺區(qū)預應力方樁修復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技術(shù)[J].中國港灣建設，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[M].北京：化學工業(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)筑物電化學保護的新進展[J].腐蝕科學與防護技術(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.