阴极保护技术在海工钢筋混凝土结构修复中的应用

黄学松，马永栋，马龙，何小松

（1.华阳电业有限公司，福建 漳州 363150；2.苏威（天津）材料科技有限公司，天津 300452；3.圣维可（广州）防腐科技有限公司，广东 广州 510530）

1 维修加固方案

1.1 腐蚀环境调查

为了制定合理的修复方案，对已经发生腐蚀的典型部位进行调查。对钢筋周围混凝土氯化物含量、混凝土电阻率、半电池电位等进行了检测，此外，对钢筋锈蚀产物进行了SEM能谱分析，对锈蚀产物中有害离子含量进行了测定。

1.1.1 混凝土氯化物含量测定

钻取混凝土芯样6个，长度105 mm，编号为1号～6号。从芯样外侧向内侧分段取粉末进行氯离子含量测试，氯离子平均含量如表1所示。

表1 混凝土氯离子含量Talbe 1 Chlorineion content of the concrete

根据相关标准[1]，引起混凝土中钢筋腐蚀的氯离子含量临界值在浪溅区为0.35%~0.45%，所检测试样氯离子含量已接近或超过该值，可以判定混凝土中钢筋已经处于腐蚀状态[2]。

1.1.2 钢筋半电池电位

采用半电池电位法对桩帽侧面和正面钢筋电池电位进行测量，测量间距20 cm，对每条测线上各测点电位值读数稳定（浮动不超过±0.02 V）时进行记录，测试结果见表2。可以对比看出，桩帽结构正面电位比侧面更负，正面发生腐蚀的几率更大，这与正面承受更多来自海水浪溅的影响有关。根据标准[1]，“腐蚀电位负向大于-350 mV，则此区域发生钢筋腐蚀的概率大于90%”，表2所测得数据基本上都负向大于该值，可以判定所检测部位钢筋已基本处于腐蚀状态。

表2 钢筋半电池电位测量结果Table 2 Measuring results of the half-cell potential of reinforcement

1.1.3 钢筋腐蚀形貌

⑮⑲帕特里克·H．赫顿:《记忆:见证、经验、集体记忆》，载南希·帕特纳、萨拉·富特主编《史学理论手册》，余伟、何立民译，格致出版社、上海人民出版社2017年版，第503、494页。

对外表完整的桩帽混凝土凿出钢筋进行检查，发现横向钢筋已经锈蚀，并且出现钢筋直径局部减小现象，竖向钢筋存在不同程度的锈蚀，锈蚀面积大于70%。这与氯离子含量结果和半电池电位测定结果是一致的。

1.1.4 锈蚀产物成分分析

为进一步确定钢筋腐蚀的原因，对钢筋锈蚀产物进行了扫描电镜能谱分析，结果表明，钢筋腐蚀产物中氯元素含量重量百分比达到2.91%，可以判断氯离子已经完全穿过混凝土保护层到达钢筋表面，造成钢筋大量锈蚀。

1.2 腐蚀调查结论

根据氯离子含量、混凝土电阻率、半电池电位和钢筋锈蚀产物能谱分析结果，可以判断出造成桩帽混凝土内钢筋锈蚀的主要原因是氯盐渗透。由于所检测混凝土结构已经存在大量主筋锈蚀，混凝土表面保护层剥落，钢筋裸露，为了保证码头的安全使用，延续码头的使用寿命，将对整个码头所有桩帽进行修复加固。

1.3 码头桩帽修复方案的制定

针对结构损坏情况，考虑以下4种方案[3]：拆除结构重建，移除氯离子含量高的混凝土，电化学除氯以及阴极保护技术[4]。前3种方法存在成本高，无法在潮差区和浪溅区进行施工的缺陷，而阴极保护技术一方面可以仅对腐蚀严重的部位进行修复，另一方面还可以消除氯盐污染后更换新混凝土而造成的“阳极效应”[4]。

因此，项目选用阴极保护修复方案，使维修区域的钢筋腐蚀得到有效控制，并为整个结构建立整体的阴极保护系统。

2 维修加固

2.1 阴极保护系统分区及组成

码头桩帽阴极保护系统主要包括：钛基MMO金属阳极网、钛导电条、塑料卡、钛参比电极、正极接头、负极接头、参比电极回路接头、电缆及接线专用接头、接线盒及接线箱、Mconex电源系统及SAVCOR参比电极监控系统。

将整个码头结构分为15个分区，每个分区安装1个主接线盒（JB1~JB15），每个桩帽安装1个小接线盒、正极接头和负极接头，每个桩帽的接线都应接入相应区域的主接线盒。所有主接线盒接入1个或多个Mconex电源系统单元中。

2.2 阴极保护系统施工

1）施工流程为：切割开槽→凿除旧混凝土→清洁钢筋→建立电连续性→清洁混凝土基材→安装负极、参比电极→涂刷底层砂浆并施工第一层砂浆→安装阳极及正极接头→施工第2层砂浆及养护→接线。见图1。

图1 主要施工流程示意图Fig.1 Main construction flow chart

2） 主要施工方法为：

①混凝土凿除及钢筋腐蚀产物清洁。将需要维修的区域完全凿开，边缘深度至少10 mm，露出所有钢筋，清洁钢筋表面所有疏松的氧化皮和腐蚀产物。

②建立钢筋电连续性并清洁混凝土。对维修区域暴露的钢筋进行电连续性测试，如果发现钢筋电连续性不佳（>2Ω），采用φ6 mm钢筋焊接以重新建立电连续性。焊接后需重新测试，确保所有钢筋之间建立电连续性。采用高压水枪或者机械方法去除混凝土基材疏松物及其它污染物。

③安装负极、参比电极及参比电极专用回路接头。将负极接头及参比电极专用回路接头牢固焊接于钢筋上，参比电极（如有）采用尼龙扎带牢固绑扎在两根钢筋的中间。

④涂刷底层砂浆及施工第1层修复砂浆。将水泥∶淡水=1∶2的底层砂浆涂刷于钢筋及混凝土表面，确保钢筋表面，包括钢筋后侧完全被砂浆包裹。在砂浆未完全干燥时，用灰铲抹上第1层修复砂浆，厚度应超过最外层钢筋表面25 mm。

⑤安装阳极及正极接头。第1根阳极安装在维修区域混凝土边缘处，其余按20 cm间距安装，安装后采用导电条连接，再将正极接头焊接于导电条上。安装阳极后，需持续进行短路测试。

⑥施工第2层砂浆及养护。阳极安装后，用灰铲将第2层砂浆抹到阳极网上，要确保所有埋置阳极和电接头外的保护层厚度至少达到40 mm。维修施工完成后应立刻喷涂丙烯酸养护液进行养护。

2.3 系统调试

2.3.1 测试

对每个区域主接线箱进行所有正极接线端之间的电连续性、所有负极接线端和参比回路接线端之间的电连续性、正极接线端和负极接线端之间是否存在短路、所有参比电极的自然电位测试。

对Mconex电源系统进行所有正极接线端和所有负极接线端短路测试、负极接线端和参比回路接线端之间的电连续性测试、参比电极自然电位等测试。

2.3.2 调试

所有系统测试无误后，对整个系统进行通电调试，结果符合欧洲标准EN12696：2000第8.6条的规定：从瞬时断电起最大24 h，参比电极电位最小100 mV的衰减[5]。每个分区参比电极调试结果见图2。

图2 系统调试结果Fig.2 System debugging results

3 结语

盐污染环境中钢筋混凝土结构在达到设计使用年限发生前过早破坏现象在全世界范围内普遍存在，发达国家采用阴极保护技术对已建钢筋混凝土结构进行腐蚀控制有超过30 a的历史。漳州后石电厂煤码头桩帽混凝土结构成功采用阴极保护技术进行修复，其设计、安装、调试以及运行可为类似工程提供参考。

[1]JTJ302—2006，港口水工建筑物检测与评估技术规范[S].JTJ 302—2006，Technical specification for detection and assessment of harbour and marinestructures[S].

[2]陈涛.混凝土结构外加电流阴极防护技术及其在工程中的应用[J].桥梁建设，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，周欲晓.阴极保护——氯盐污染海工混凝土的最佳长效维修解决方案[J].全面腐蚀控制，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，代学亮，王文山.湛江港一区突堤码头修补加固施工工艺[J].中国港湾建设，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].