阴极保护在海港码头预应力方桩修复中的应用

杨吴礼，李森林，陈刚，徐宁

（1.宁波市交通工程质量安全监督站，浙江 宁波 315800；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；3.宁波港股份有限公司，浙江 宁波 315800）

宁波港北仑港区2.5万吨级矿石码头建于1979年，1981年底竣工投产。码头系高桩梁板式结构，其桩基为600 mm×600 mm预应力混凝土方桩。由于遭受环境介质侵蚀，预应力方桩潮差浪溅区腐蚀损坏严重，φ8 mm的箍筋已锈断，φ25 mm的主筋截面损失最大已达20%左右。针对预应力方桩潮差浪溅区腐蚀损坏的严重情况，2001年对预应力方桩采取了局部丙乳砂浆修补加全面封闭处理的措施。2006年巡查发现，约有200根预应力方桩再次出现不同程度的腐蚀损坏，且部分方桩局部损坏严重，需进行二次维修处理。

1 维修措施的选择

分析认为2001年采用的局部丙乳砂浆修补加全面封闭处理仅5 a就出现二次腐蚀破坏，主要与以下几方面因素有关：1）局部修补后，形成了新的腐蚀电池，老混凝土中的钢筋成为腐蚀电池的阳极，修补混凝土中的钢筋成为腐蚀电池的阴极，加速了老混凝土中钢筋的腐蚀，结果造成修补混凝土周围的老混凝土很快破坏，即所谓“环阳极腐蚀”[1]。2）潮差浪溅区预应力方桩局部修补时，需候潮作业。若混凝土局部凿除及钢筋除锈后，未在下次涨潮前，完成修补，则海水可直接污染凿除区域范围的钢筋和混凝土，即使采取二次清除措施也很难将已渗入混凝土孔隙内的有害氯离子清除干净，而一旦局部砂浆封闭后，二次污染的有害氯离子就存在钢筋附近，短期内即可引起钢筋二次腐蚀。3）施工质量对修复效果亦有较大影响。

针对局部修补存在的问题及局限性，在局部凿除修补的基础上，提出了安装牺牲阳极的改进措施。该措施具有如下技术优势：1）对局部修补所引起的“环阳极腐蚀”具有抑制作用；2）解决了海水二次污染所造成的过早腐蚀问题，即使局部凿除修补处遭受严重的二次污染，但由于牺牲阳极的保护作用，此类污染对修补效果的影响也基本可以解决；3）减少了局部凿除工程量，避免为了清除遭受氯离子污染的混凝土而对预应力方桩造成的人为破坏和环境污染。

2 牺牲阳极阴极保护

根据预应力方桩腐蚀损坏严重程度及局部损坏范围，在局部修补的基础上，对108根损坏严重的预应力方桩实施了牺牲阳极阴极保护处理。

2.1 阴极保护准则

根据文献资料，目前常用的阴极保护准则主要有保护电位准则、极化衰减（发展）准则和极化曲线准则等，其中极化衰减准则在工程实践中应用最多[2]。极化电位衰减值是指阴极保护断电瞬间测得的钢筋瞬时断电电位与在阴极保护系统断电4~24 h内的某一时刻测得的电位值之差，极化电位衰减值不小于100 mV时，混凝土中的钢筋能够得到有效保护[2~4]。

2.2 修补材料的基本要求

预应力方桩局部修补过程中需要安装牺牲阳极，因此，修补材料除应满足常规修补材料的一般特性外，还应与牺牲阳极相匹配，否则难以达到预期保护效果，具体要求如下：

1）抗压强度等级不应低于原混凝土抗压强度等级；

2）黏结强度不应小于原混凝土的抗拉强度标准值；

3）电阻率为原混凝土电阻率的50%~200%，且应小于15 000Ω·cm。含有大量聚合物或硅灰的产品不能使用。若使用界面剂材料，则界面剂应具有适合的导电性能。不应使用绝缘材料，如环氧类界面剂等。

2.3 阳极性能及保护范围

设计采用国外进口的Galvashiel XP牺牲阳极。该阳极由导电活性砂浆和锌块组成，外观呈棋子状，直径64 mm，厚25 mm，重量为200 g，内部锌块重62 g。

根据室内测试结果，该类阳极混凝土中的开路电位在-1 000~-1 200 mV（v.s.SCE）之间，初始发生电流在427~2 843μA之间。

将阳极埋入1 500 mm×2 000 mm钢筋混凝土试件中心位置，对试件实施阴极保护。通电15 d后，采用Cu/饱和CuSO4参比电极和瞬时断电采集系统，测量试件各测点钢筋的瞬时断电电位；断电4 h后测量各测点钢筋的去极化电位，计算极化电位衰减值，绘制极化电位衰减值与距阳极距离关系曲线，见图1。

图1 极化电位衰减值与距阳极距离关系曲线Fig.1 Curve of polarization potential decay value with the distance to sacrificial anode

由图1知，极化电位衰减值与测点距阳极距离的关系可表达为：

式中：ΔE为极化电位衰减值，mV；x为测点与阳极块中心距离，cm。

由式（1）可知，试验条件下，若达到极化电位衰减值不小于100 mV的保护准则要求，单只阳极的有效保护范围约为82.0 mm，该计算结果与文献 [5]的研究成果基本一致。依据式（1）知，极化电位衰减值达到50 mV时，测点与牺牲阳极中心的距离约为329 mm，按简单几何叠加计算，要达到预期保护效果，相邻两只阳极之间的最大间距不大于658 mm。

2.4 施工工艺及关键步骤说明

根据工程现场实际情况和牺牲阳极阴极保护的技术特点，制定了施工工艺为：每一个预应力方桩搭设海上倒挂式钢质脚手架→预应力方桩损坏区域局部凿除→锈蚀钢筋除锈及补强→创面处理→电连接性检测→阳极定位及安装→人工压抹修补砂浆→养护。

2.4.1 牺牲阳极定位及安装

牺牲阳极定位及安装在创面处理完成后，压抹修补砂浆前完成。

牺牲阳极安装尽可能利用凿除区域深度较深的部位，必要时加深凿除，以确保XP阳极能够被修补材料完全地覆盖。

每一修补区域安装不少于2只阳极，且控制相邻阳极中心间距不大于650 mm，见图2。

图2 XP阳极安装图Fig.2 XPanode installation diagram

利用阳极本体的钢丝牢固地将阳极捆绑在主筋适当位置。如果阳极只捆在1根钢筋上，或只有少于25 mm的保护层（由混凝土的表面计），应将阳极安装在钢筋下方。如果有充足的保护层，阳极可安装在两根钢筋之间的交叉点，并将阳极两端的钢丝分别捆绑在不同的主筋上。

2.4.2 质量控制

阳极安装前、后均进行电连接检测。安装阳极前检测被保护钢筋之间的连接电阻，确保连接电阻小于1.0Ω。安装完毕后，检查阳极导线与钢筋之间的电阻，确保两者之间的电阻小于1.0Ω。

修补砂浆压抹完成后及时养护，到达龄期后采用钻芯取样方式抽检其修复质量和修复砂浆与基体混凝土间的黏结强度。要求修补砂浆层与基体混凝土附着良好，尤其阳极周围严禁存在任何空隙，黏结强度要求大于1.2 MPa。

2.5 保护效果

采用高内阻数字万用表和Cu/饱和CuSO4参比电极抽测混凝土内钢筋电极电位表明，通电初期钢筋极化电位在-475~-650 mV之间；初始发生电流最大达2 553μA，随后逐步减小，至2个月时仅为255μA，此时混凝土内钢筋电极电位在-325~-574 mV之间，但极化电位衰减值均大于100 mV，见表1。

表1 测量计算结果Table 1 Measurement and calculation results mV

2013年结合宁波港北仑港区2.5万吨级矿石码头改造工程，对2007年实施牺牲阳极阴极保护的预应力方桩调查发现，预应力方桩外观总体完好，未见明显的局部损坏现象，因此认为，牺牲阳极阴极保护措施基本达到了预期效果。

3 结语

钢筋混凝土预应力方桩是我国海港码头最主要的桩基类型之一。由于长期遭受海洋环境介质的侵蚀、正常和不正常荷载等因素影响，腐蚀损坏在所难免。工程实践表明，牺牲阳极阴极保护防腐措施不但解决了潮差浪溅区预应力方桩局部修补中海水二次污染可能造成的过早腐蚀问题，而且对局部修补所引起的“环阳极腐蚀”具有明显抑制作用，同时可减少局部凿除工程量，避免了修复过程对预应力方桩的过度破坏以及由此导致的环境污染问题，是潮差浪溅区预应力方桩修复处理的有效措施之一。

[1] 葛燕，朱锡昶.海洋环境钢筋混凝土的腐蚀和阴极保护技术[J].中国港湾建设，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，朱锡昶，朱雅仙，等.混凝土中钢筋的腐蚀与阴极保护[M].北京：化学工业出版社，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] 邱富荣，石小燕，余兴增，等.钢筋混凝土构筑物电化学保护的新进展[J].腐蚀科学与防护技术，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.