水工钢筋混凝土联合防腐措施在白浪河防潮闸工程中的应用研究

2013-07-16杨国瑞李贵清

水利规划与设计 2013年2期

杨国瑞李贵清成栋侯仟

（山东省水利勘测设计院山东济南 250013）

1 概述

白浪河防潮闸工程位于山东省潍坊滨海经济技术开发区，处于白浪河入海口，渤海莱州湾潮下带。建筑物级别为2 级，防潮闸闸孔总净宽210m，共14 孔，每孔净宽15m。当地水闸、桥梁等建筑物钢筋混凝土结构腐蚀情况较为严重。本工程处于入海口海水、淡水交互环境，场区环境水对普通混凝土具有结晶型硫酸盐型强腐蚀性。工程环境条件对防潮闸钢筋混凝土结构防腐提出了更高的要求。

2 钢筋混凝土结构腐蚀的原因分析

钢筋混凝土腐蚀劣化的原因主要有水泥水化产物中性化、混凝土冻融破坏、氯离子（Cl-）侵害、碱—骨料反应等几种。在海洋环境中，Cl-的渗透是引起钢筋混凝土劣化的最大外在原因。

钢筋混凝土结构的腐蚀破坏，除混凝土本身的破坏外，最主要的还是进而引起的钢筋的腐蚀破坏。混凝土内具有高碱性环境，Cl-渗入到钢筋表面后，对钢筋锈蚀的主要作用表现在破坏钢筋表面的钝化膜；铁基体与尚完好的钝化膜区域之间产生电位差形成腐蚀电池；Cl-与Fe++相遇氧化从而加速阳极过程；Cl-的导电作用加速电化学腐蚀过程等几个方面。Cl-达到一定浓度时，钢筋锈蚀便会发生和发展，钢筋锈蚀使其体积发生膨胀，根据最终产物的不同，可膨胀2～7倍，使混凝土顺钢筋开裂，握裹力下降，并出现钢筋断面损失、腐蚀断裂等情况。海洋工程中的钢筋混凝土结构往往建成后3～5年就出现腐蚀现象。

3 混凝土结构防腐的必要性

通过对工程附近类似环境的桥梁、水闸等建筑物的调查了解，发现凡是未采取防腐措施的建筑物，多数达不到设计使用年限，有的在建成后10～15年就出现了较严重的混凝土剥蚀、钢筋锈蚀等情况，甚至不足10年就开始修复加固。

海水环境对钢筋混凝土结构的腐蚀是多方面的，混凝土本身的破坏，进而引起的钢筋的腐蚀破坏，对建筑物形成致命的危害。因此，采取措施保证建筑物混凝土结构的安全及耐久性是非常重要的。白浪河防潮闸处于入海口海水、淡水交互环境，场区海水水化学类型为氯-钠型，PH 值为7.3，矿化度为24642.8mg/L，全硬度为5840.8mg/L，游离CO2为24.2mg/L。场区环境水对普通混凝土具有结晶型硫酸盐型强腐蚀性。防潮闸工程作为潍坊滨海水城的最外一层防线，地理位置关键，保护对象重要。因此，进行水工混凝土结构的耐腐蚀性研究，确定合理的防腐方案是非常必要的。

4 混凝土结构防腐发展及应用情况

提高混凝土自身对钢筋的保护能力是最重要、最根本的防护原则。提高混凝土耐久性的措施有很多，主要是提高混凝土的密实性，如提高强度等级、抗冻等级等。除加强施工管理，提高混凝土浇筑质量外，还常通过掺加粉煤灰、外加剂等作为辅助措施。

但由于混凝土材料的多孔性和施工易产生裂纹等问题是很难彻底解决的，特别在较严重的腐蚀环境中，单靠混凝土自身不足以实现耐久性保护，必须采用附加措施。比如对混凝土表面进行涂层封闭，切断外界的水气（包括液态水)、O2、Cl-、酸性液体的渗透途径，就可以防止或延缓腐蚀的发生。阴极保护技术发展也很快，包括牺牲阳极、外加电流等不同方式。我国的输油管道已广泛采用了阴极保护，对混凝土内部的钢筋采用阴极保护同样获得很好的效果。多功能、综合性钢筋阻锈剂在国内外迅速发展，已成为当今世界防钢筋腐蚀的主要技术措施之一。环氧树脂涂层钢筋、不锈钢钢筋等在国内外也有较多采用。多年的实践证明，这些方法都是有效的，各自有其独特的优点，同时也存在其不足或局限性。

5 联合防腐方案

5.1 联合防腐方案的确定

本工程防腐首要措施是提高混凝土本身的耐久性，闸室混凝土采用强度等级C35，抗冻等级F300，钢筋保护层厚度60mm。施工过程中对骨料及混凝土拌和用水进行严格控制。闸墩采用适用海水环境的抗硫酸盐水泥，防止SO42-对混凝土本身的破坏。混凝土中掺加粉煤灰、引气剂、高效防腐蚀气密剂等外加剂，从而提高了混凝土自身性能，在一定程度上阻隔或延缓了Cl-等渗入速度。

混凝土防腐涂层是海上建筑物（跨海大桥、海港码头等）经常采用的防腐措施。1983年东京湾曾做过试验，分别将有、无涂装的混凝土试件暴露于海洋大气环境下7年时间，未涂装的其钢筋腐蚀面积接近80%，而涂装的几乎未被腐蚀。在混凝土表面约2cm处测定Cl-含量，未涂装试件2cm处Cl-含量约为有涂装试件的300倍。从调查了解的情况来看，由于种种原因而引起的局部涂层破损，会影响到整个工程的防腐效果，单一的混凝土防腐涂层对于环境复杂的防潮闸水利枢纽来说，还有不完备之处。阴极保护是长期有效的用以保护钢筋的有效措施之一，在电场的作用下，带负电的Cl-可从钢筋表面向阳极（位于混凝土表面）迁移，对钢筋的防护非常有利，特别适用于在水中或潮湿的土体中。经过研究分析，钢筋混凝土结构采用了防腐涂层与牺牲阳极阴极保护联合防腐措施。

5.2 混凝土结构防腐涂层

随着化学工业的快速发展，不断出现了一些性能优异的涂料。采用环氧清漆作底漆是经典的处理方法，低分子量的环氧树脂和改型聚酰胺固化剂黏度小、附着力强、流动性及浸润性好、耐碱，易于渗透进入混凝土的表层，填充并彻底封闭细微的裂缝和孔洞，可大大提高表面的强度和致密度，为下道工序打下良好的基础。改性聚酰胺固化剂使得底漆具有一定的柔韧性，当混凝土结构承载重力或因温度发生变化而出现细小裂纹时，柔性涂层可以拉伸，从而保证其阻断功能。

根据防潮闸枢纽工程所处的莱州湾的具体环境，大气区、表湿区（浪花飞溅区、潮差区和全浸区）非填土面采用了具有良好裂纹追随性能的钢筋混凝土专用防腐涂料，表湿区填土面采用聚氨酯煤焦油沥青系列涂料。

涂刷防腐涂层的混凝土的龄期不应少于28d，涂刷前须完全彻底的清除所有混凝土表面的灰尘、盐分、油脂、湿气、异物、粉化层等其他有害附着物，同时处理混凝土表面起鼓、突起物、高低平面的差异等。处理完整个表面后，通过用毛刷清扫、高压空气吹、高压水冲洗等手段，充分清扫被涂面。防潮闸钢筋混凝大气区、表湿区非填土面涂装方案分别见表1、表2。

5.3 牺牲阳极阴极保护系统

5.3.1 阳极块选择

20 世纪70年代以来，我国的阴极保护技术得到了迅速发展。阴极保护分为外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种。外加电流法将直流电源的负极连接在混凝土内的钢筋上，以迫使钢筋处于阴极状态；牺牲阳极法是将比铁更活泼的金属（如锌）与钢筋相连，由于在电位序中，锌排在前面，电位较铁负得多，锌可向铁提供电子，锌作为阳极而腐蚀，牺牲自己而保护了铁（钢筋）。工程中常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金、铝合金三大类。铝在电位序中位于镁和锌之间，原料来源广，制造工艺简单，价格低廉，是牺牲阳极品种中的后起之秀。铝是自钝化金属，只能通过合金化促进表面活化，使合金具有较负的电位和较高的电流效率。

表1 大气区涂装方案

表2 表湿区涂装方案

考虑到本防潮闸工程实际水环境基本属于海水体系，镁合金阳极消耗较快，且电流效率低，由此选用AI-6 型铝合金（Al-Zn-In-Cd）牺牲阳极。防潮闸在闸墩潮差区和全浸区以及底板进行牺牲阳极保护，保护范围为防潮闸闸墩高程1.52～-3.00m 侧面和底板顶层主钢筋，设计保护期内不需专人管理和维修保养。

5.3.2 阳极块用量计算

海水环境中铝合金牺牲阳极的工艺计算，先计算出被保护钢筋的湿润表面积，乘以电流密度确定总的电流需要IA，通过逐步计算阳极接水电阻、输出电流，并根据使用寿命要求计算阳极块总量。选用细长棒形阳极，参照相关标准规范，选取保护电流密度为20mA/m2。

细长棒形阳极在电解质中电阻可通过下式计算：

式中：Ra为阳极接水电阻，Ω；L为阳极的长度，cm；ρ为介质的电阻率，Ω·cm；r为阳极的等效半径，cm。

阳极输出电流 Ia是阳极材料的电极电位和极化到-0.80V（相对Ag/AgCl 电极，认为在这个电位时腐蚀停止）的钢铁电极电位的电位差△E除以阳极在电解质中的电阻所得，即：

式中：Ia为阳极输出电流，A；Ec为阴极开路电位，V；△Ec为阴极极化电位，V；Ea为阳极开路电位，V；△Ea为阳极极化电位，V；Rc为阴极过渡电阻，Ω；Rw为回路导线电阻，Ω；△E为阳极有效电位差，V；R为回路总电阻，Ω。

式中：N为阳极数量，块；f为备用系数，取2～3倍。

式中：T为阳极工作寿命，a；W为阳极净质量，kg；ω为阳极消耗率，kg/(A·a)；I为阳极平均输出电流，A。

阳极块规格为850×(180+220)×180，重量85kg。阳极块布置于闸墩底部，上、下游检修门中间区域，闸墩每临水面设2 块。混凝土结构潮差区、全浸区防腐保护寿命设计为20年，之后可根据牺牲阳极溶解情况和混凝土结构潮差区、全浸区保护效果重新设计安装牺牲阳极，最终达到混凝土结构设计使用寿命的技术要求。