牺牲阳极法在混凝土桥梁保护中的应用

肖勇辉

（上海兰德公路工程咨询设计有限公司,上海市200065）

牺牲阳极法在混凝土桥梁保护中的应用

肖勇辉

（上海兰德公路工程咨询设计有限公司,上海市200065）

采用牺牲阳极工法对钢筋混凝土结构物进行腐蚀防护与腐蚀控制，是以电化学方式有效保护其中的钢筋，将结构物修补区边缘的新生腐蚀转移至牺牲阳极上，从而能保护周围钢筋，延长修补区的使用年限，减少修补次数，因此具有高经济性与高耐久性。所得结论可为上海等潮湿气候沿海地区其他桥梁大修工程提供有益的参考。

牺牲阳极；电化学防腐；桥梁；混凝土；耐久性；腐蚀预防；腐蚀控制

0 引言

建筑与桥梁等结构物常由钢筋混凝土材料建造而成。混凝土在硬化过程中，水和水泥在水化反应时会产生碱性的氢氧化钙，在钢筋表面形成钝化膜（F e2O3），从而保护钢筋不生锈。但是混凝土为多孔隙材料，孔隙的形状、体积均影响着混凝土的强度及渗透性。上海位处高温潮湿气候，若因先天材料与施工质量不良，再加上后天外力破坏及不正确的修补行为，就会造成钢筋腐蚀，进而影响结构物的安全性、耐久性与使用性，故钢筋混凝土结构物的腐蚀预防或腐蚀控制为极需受重视的课题。

采用牺牲阳极工法对钢筋混凝土结构物进行腐蚀防护与腐蚀控制，是以电化学方式有效保护其中的钢筋，将结构物修补区边缘的新生腐蚀转移至牺牲阳极上，从而能保护周围钢筋，延长修补区的使用年限，减少修补次数，因此具有高经济性与高耐久性。

1 牺牲阳极保护法的原理、安装及案例

1.1 钢筋混凝土使用阳极保护的原理

遭氯化物或碳酸盐污染而开裂的混凝土，在局部修补后仍可能因电化学的不协调性而导致周围的钢筋加速腐蚀，这种现象称为初生阳极作用。在修补区内外之间，因种种量差因素而导致钢筋的电位不同，驱使修补区和基体混凝土的接口外围产生新的腐蚀。这些因素包括局部氯化物离子量、酸碱度、渗透性、水分、含氧量、温度、碳酸盐离子量等，甚至在不同类型的钢筋相连结时亦可能导致电位差。这些因素可能加速修补区本身腐蚀，但更常导致修补区外围的混凝土腐蚀恶化。当新混凝土结构加在旧混凝土结构上时，也会产生另一种形式的初生阳极反应，所产生的腐蚀行为一般会出现于新旧混凝土结构间的接口部分，例如将桥面加宽、替换桥面板和修补水泥板后，均极易出现这种破坏机制，如图1所示[1]。

当两种不相似的金属在电解质中连结在一起时，电位序在前面的金属对于电位序在其后的金属将形成阳极；相反地，电位序在后的金属对于电位序在前的金属成为阴极。这些金属，例如金、铂、银等称为贵金属或具化学惰性。另一方面，由于电位序在前面的金属相对于电位序在其后的金属易形成阳极，且腐蚀行为发生于阳极，故可利用这个特性来保护在后位的金属使其避免腐蚀，也就是牺牲阳极法。

常见材料的标准电位见表1。

以X P阳极为例，将X P阳极应用于混凝土结构物修补时，将X P阳极安装在修补区边缘，使初生阳极作用所产生的腐蚀转移至X P阳极上，并搭配使用高强度、轻质、抗化学腐蚀性能佳的修补材料。如此可大幅延长修补区的使用年限、减少修补次数，具有高经济性与高耐久性。

图1 新旧混凝土交界面的腐蚀机制[1]

表1 常见材料的标准电位

X P阳极的组成包括（1）核心(纯锌)，（2）一对熔铸在阳极两端的钢导线，（3）高碱性水泥基外壳（p H＞14）。X P阳极被塑造成棋子状。两端伸出的钢导线用来将X P阳极拴在钢筋上。图2为X P阳极的腐蚀预防机制[1]。由图2可见，由于锌和铁具有电位差，当锌腐蚀时，它释放出电子，这些电子经由钢导线流向被拴上的钢筋，使有效范围内的腐蚀转移至X P阳极。其中，X P阳极的电流输出受混凝土电阻值、含水量、温度和钢筋密度等影响。

图2 XP阳极的腐蚀预防机制[1]

1.2 XP阳极的安装

X P阳极安装于混凝土中，并利用伸出的钢导线将X P阳极沿修补区周边拴于钢筋上，以进行腐蚀预防与腐蚀控制。为达最佳效果,X P阳极应安装在修补区的最外边缘内(15 c m),且需有充足的空隙使修补材料将X P阳极完全地围拢。X P阳极间距应由设计单位评估计算后决定,然而X P阳极与X P阳极间的中心间距不应超出75 c m。如果结构物中的钢筋分布较密集，或暴露于特别腐蚀的环境,则阳极的安装间距应视其条件而缩小，始可确保其防护质量。

表2为X P阳极的安装距离。由表2可知，X P阳极的有效半径范围约为35～75 c m，使用年限为15 a以上，依外部的环境条件和内部的钢筋密度而定。

表2 XP阳极的安装距离

X P阳极的安装步骤：

（1）如同一般混凝土结构物的修补方式，先将修补区内的钢筋周围和钢筋下面的老化、开裂或劣质混凝土去除，在X P阳极和主体混凝土之间保留充足的安装空间。

（2）修补区内的外露钢筋清理干净,以使X P阳极的电子能与钢筋正常连通、顺利连接。在安装X P阳极前，可用电表检测X P阳极和钢筋间是否形成连通的回路。"不连通"的钢筋可用标准钢线捆扎到邻近的钢筋，使两者间产生“相通”。

（3）利用X P阳极本身的钢线将X P阳极牢固捆扎于适当位置。若X P阳极只捆扎于某一根钢筋,或混凝土保护层厚度小于25 c m的情况下，应将X P阳极安置于钢筋内侧(由混凝土的表面计起)。倘若混凝土的保护层厚度充足，则X P阳极可安置于两根钢筋间的交叉点并将钢导线捆扎于每边的钢筋上。

（4）安装完成后，宜采用适当的电表检验X P阳极导线与钢筋是否相通。两者间的电阻值不应超出5Ω或电位差小于1 m V。

（5）检测确定X P阳极导线与钢筋相通后，再回填修补材料。修补材料的电阻率应在15 000Ω·c m以下，故带有大量聚合物或硅灰的产品可能不适合使用。相同地,若要使用黏着剂，则黏着剂应有合适的导电性，不应使用绝缘材料，例如环氧黏着剂。

注意：若在钢筋上涂装其它防腐材料，则不可涂盖X P阳极导线与钢筋的连接部分，避免使该处绝缘并失去导电性。

以一般的混凝土或其他材料完成修补作业，不可在X P阳极附近留下空隙。

X P阳极安装图解见图3。

图3 XP阳极安装图解[1]

1.3 牺牲阳极在钢筋混凝土中的应用

牺牲阳极主要用于混凝土结构物修补的腐蚀预防，即预防初生阳极作用，预防修补区和基体混凝土的接口外围产生新的腐蚀。牺牲阳极也广泛应用于钢筋混凝土的腐蚀控制及阴极保护。按防护等级的不同及所需电流强度的不同进行腐蚀防护分类[1]，如表3所示；工程案例[2]如图4～图6所示。

2 上海某高架伸缩缝电化学防腐牺牲阳极的应用

上海某高架维修的主要内容为混凝土铺装凿除、重做，以提高板梁的横向整体性，而工程范围内伸缩缝基本完好，未进行维修。伸缩缝混凝土白带与重新浇筑生成的混凝土铺装层将形成新旧混凝土交界面。新旧混凝土交界面处因电化学的不协调性，易导致周围的钢筋加速腐蚀。而且，伸缩缝道路纵坡的上游侧易积水，对界面防腐更加不利。另外，高架位于上海高温潮湿气候区域，同时也处于工业区域，腐蚀环境更加恶劣。基于此，考虑在伸缩缝道路纵坡的上游侧采用电化学防腐。

表3 腐蚀防护分类[1]

图4 工程案例(腐蚀控制)[2]

图5 工程案例(腐蚀预防)[2]

图6 工程案例(阴极保护)[2]

防腐阳极安装在混凝土中，并利用伸出的钢导线将阳极沿修补区周边拴于钢筋上，以进行腐蚀预防。为达最佳效果,阳极安装在修补区的最外边缘内(约15 c m),且保证充足的空隙使修补材料将阳极完全地围拢。现场安装照片见图7、图8所示。

图7 更换伸缩缝植入XP阳极以控制腐蚀

图8 现场安装

电化学防腐设施在本工程设计使用年限要求为15 a，阳极有效半径定为50 c m。

3 结语

混凝土电化学腐蚀牺牲阳极法在国外已有多年的应用和实践，国内也开展了一些相应的技术研究，但收效甚微。通过在上海某高架伸缩缝维修加固的应用，给桥梁新旧混凝土交界面如何处理带来了新的思路和更多的方案选择。中国已是桥梁大国，随着时间的推移，环境的影响和污染的加重，混凝土桥梁耐久性、腐蚀控制和腐蚀预防的需求将越来越迫切。因此，引进和研究国外成熟及效果可靠的混凝土腐蚀保护技术，并结合中国实际，将其转化成适应中国桥梁的混凝土保护技术，使之具有较高的经济性和实用性，以达到合理利用有限资金来满足桥梁的耐久性使用要求是十分必要的。

在混凝土结构桥梁的腐蚀控制和腐蚀保护方面，电化学防腐的牺牲阳极法能取得较好的效果，可供类似工程参考。

[1]FHWA-HIF-11042.美国桥梁防腐指南[M].[S.l.]:[s.n.],2011: 21-23.

[2]ACI RAP-8, Installation of embedded galvanic anodes[S].

新疆拟建穿古尔班通古特沙漠和准葛尔盆地高速路

新疆拟建首条穿越古尔班通古特沙漠，同时又穿越准葛尔盆地的高速公路，一旦建成，乌鲁木齐到阿勒泰将真正意义实现直线距离，将缩短300km路程，时间也由8 h缩短到4 h。

S21线乌鲁木齐至五家渠至阿勒泰公路建设项目五家渠至北屯段已列入自治区基本建设计划，目前已进入招投标阶段，并在新疆交通建设管理局官方网站上进行公布。

五家渠至北屯段起点位于梧桐镇西与S301线相交，设计桩号为K32+000，接乌五高速终点，终点位于奎阿高速北屯南互通立交处，接奎阿高速，全长约346km。采用双向4车道高速公路标准建设，设计速度为120 km/h。线路经过梧桐镇、汉佳西村、103团、东道海子、三个泉管理站、S324线、乌伦古河、182团、福海水库、丰庆湖水库、S310线等。项目共设置两条连接线：北屯工业园连接线，全长约10.08km；福海连接线，全长约66.050km。

该项目建成后，线路将向北穿越古尔班通古特沙漠、准葛尔盆地，为直线形道路，从五家渠到北屯仅需3 h，而北屯到阿勒泰市不到半小时。加上目前乌鲁木齐市区到五家渠市的不到一个小时车程，从乌鲁木齐去阿勒泰地区不再绕行，全程仅需4 h。

届时，该线路将成为阿勒泰地区连接首府乌鲁木齐市的一条方便、快捷的高速通道。对提升旅游产业整体水平，促进经济跨越发展意义重大,影响深远。

U445.7

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1009-7716（2017）06-0270-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.080

2017-03-15

肖勇辉（1976-），男，江西南昌人，工程师，从事桥梁设计工作。