一、引言

    用鋼筋和混凝土制成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋承受拉力，混凝土承受壓力，其由于具有堅(jiān)固、耐久、防火性能好、比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材和成本低等優(yōu)點(diǎn)。鋼筋對(duì)抗拉性能的彌補(bǔ)，極大的促使了混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，使之成為近兩個(gè)世紀(jì)中建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的材料。鋼筋與混凝土的共同作用才能使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠展現(xiàn)良好的性能，內(nèi)部鋼筋的銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說是致命的。所以，鋼筋混凝土中的鋼筋防銹蝕變得尤為重要。

    混凝土中鋼筋銹蝕是一個(gè)電化學(xué)的過程，其電化學(xué)機(jī)理是：當(dāng)鋼筋表面有水分存在時(shí)，就發(fā)生鐵電離的陽極反應(yīng)和溶解態(tài)氧還原的陰極反應(yīng)，相互以等速度進(jìn)行。其反應(yīng)式如下：

    陽極反應(yīng)：  Fe - 2e → Fe2+

    陰極反應(yīng)：  O2 + 2H2O + 4e → 4OH-

    腐蝕過程的全反應(yīng)是陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe（OH）3，并進(jìn)一步生成nFe2O3·mH2O（紅銹），氧化不完全的變成Fe3O4（黑銹），紅銹體積可擴(kuò)大到原來鋼筋體積的4倍，黑銹體積可擴(kuò)大到原來鋼筋體積的2倍。

    圖1  混凝土中鋼筋銹蝕原理

    鋼筋銹蝕致使體積膨脹，對(duì)保護(hù)層混凝土產(chǎn)生擴(kuò)張力，致使鋼筋保護(hù)層混凝土沿鋼筋方向開裂、脫落，而裂縫及混凝土保護(hù)層的剝落又進(jìn)一步加劇了內(nèi)部鋼筋的銹蝕，從而陷入一個(gè)惡性循環(huán)的過程，造成結(jié)構(gòu)的損壞。在影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的諸多因素中，鋼筋的銹蝕被公認(rèn)的排在第一位。因此，鋼筋的防銹處置變得尤為必要。

    通過鋼筋銹蝕的原理可以看出，內(nèi)部鋼筋銹蝕的誘導(dǎo)因素諸多，但我們可以明確鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕必須具備幾個(gè)基本條件：鋼鐵作為腐蝕陽極，其電位最低、低電阻的電解質(zhì)溶液、足夠的氧氣參與腐蝕過程，并維持在一定水平上。

    根據(jù)電化學(xué)保護(hù)的原理，我們可以通過一種電位比鋼筋更低的金屬，與被保護(hù)的金屬聯(lián)結(jié)在一起，依靠該金屬或合金不斷的腐蝕犧牲掉所產(chǎn)生的電流使鋼筋獲得陰極極化而受到保護(hù)，從而達(dá)到防止鋼筋銹蝕的效果。這種自身腐蝕的金屬或合金，稱之為犧牲陽極。常見的犧牲陽極材料為鋅基合金、鋁基合金，本文所探討的是使用效果更佳的鋅基合金犧牲陽極。

    二、鋅基合金犧牲陽極鋼筋防銹效果實(shí)驗(yàn)

    1、我們采用由加拿大Vector Corrosion Technologies公司提供的鋅基合金犧牲陽極Galvashield XP作鋼筋銹蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)。Galvashield XP由三部分組成：內(nèi)部鋅基合金、外部強(qiáng)堿疏松砂漿包裹體、引出導(dǎo)線。

    圖2  Galvashield XP分解照片

    將兩根相同狀況的鋼筋，選其中一根鋼筋作為實(shí)驗(yàn)組，綁扎Galvashield XP，綁扎時(shí)將Galvashield XP兩端的聯(lián)絡(luò)線與鋼筋纏繞并擰緊即可；另一根鋼筋作為對(duì)照組，不做處理；將兩根鋼筋置于同樣條件下的3.5%濃度的氯化鈉溶液內(nèi)；隨時(shí)間推移，觀察一周后兩組鋼筋的銹蝕情況。

    圖3  實(shí)驗(yàn)組（上）與對(duì)照組（下）

    通過圖3的對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，在滿足發(fā)生電化學(xué)腐蝕條件的環(huán)境下，綁扎鋅基合金犧牲陽極的鋼筋得到了良好的保護(hù)效果，鋼筋沒有銹蝕，而不做處理的鋼筋銹蝕情況較為嚴(yán)重。

    2、我們同樣引用由加拿大Vector Corrosion Technologies公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用實(shí)測(cè)的一組數(shù)據(jù)作為犧牲陽極使用壽命與效果的參考。

    1999年，在美國Leister 橋維修中，發(fā)現(xiàn)橫梁鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層剝落等病害。維修中將松動(dòng)混凝土鑿除、銹蝕鋼筋除銹后安裝犧牲陽極Galvashield XP，并引出檢測(cè)線路，最后進(jìn)行鋼筋保護(hù)層混凝土的修復(fù)。犧牲陽極安裝如圖4所示。

    圖4  犧牲陽極Galvashield XP安裝并引出電流測(cè)量導(dǎo)線

    通過后期十年時(shí)間的電流檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)，梁體中所安裝犧牲陽極Galvashield XP能夠達(dá)到長期穩(wěn)定的防腐效果。檢測(cè)數(shù)據(jù)圖表如圖5所示。

    圖5  犧牲陽極Galvashield XP安裝后電流測(cè)量數(shù)值

    通過電流測(cè)量表我們看到犧牲陽極電流效率高，并且發(fā)生電流的自調(diào)節(jié)性能好，會(huì)對(duì)腐蝕條件的變化自動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，保護(hù)電流的自我調(diào)節(jié)能力較好，保護(hù)年限較長。

    歐洲EN12696標(biāo)準(zhǔn)要求，保護(hù)電流密度為0.2-2mA/m2之間，在Leister橋橫梁實(shí)測(cè)電流密度值范圍為0.6 mA / m2-3.0 mA / m2，滿足規(guī)范要求。

    在犧牲陽極Galvashield XP工作十年后，現(xiàn)場(chǎng)取出后發(fā)現(xiàn)鋅塊替代鋼筋基本銹蝕完全，鋅塊外圍的高堿度疏松砂漿包裹體保證了對(duì)鋅塊銹蝕膨脹的吸收，沒有造成鋼筋保護(hù)層混凝土的漲裂。

    圖6  犧牲陽極Galvashield XP工作十年后的照片

    三、鋅基合金犧牲陽極鋼筋防銹安裝施工步驟

    1、在橋梁梁板電化學(xué)防腐具體施工步驟：

    （1）采用鋼筋定位儀器，對(duì)底板銹蝕鋼筋進(jìn)行定位，勾勒出鋼筋的大致輪廓，劃定需要埋設(shè)鋅陽極的部位；

    （2）鑿除銹蝕鋼筋表層砼至裸露出完整鋼筋，凹槽深度要滿足安裝鋅陽極的要求；

    （3）將鋼筋表層鐵銹清除干凈，將鋅陽極綁扎在預(yù)設(shè)計(jì)的鋼筋上，綁扎時(shí)鋅陽極兩端聯(lián)絡(luò)線至少要繞鋼筋一周，并擰緊；

    （4）檢測(cè)確保鋅陽極與鋼筋形成回路，并用普通砂漿恢復(fù)鋼筋保護(hù)層。

    注意：若需要對(duì)犧牲陽極保護(hù)電流進(jìn)行后期測(cè)量則不能夠?qū)\塊兩端的聯(lián)絡(luò)線與鋼筋接觸、綁扎。

    應(yīng)該將鋅塊兩端聯(lián)絡(luò)線與帶有絕緣皮的銅線或是其他良好導(dǎo)電性的導(dǎo)線相連，并做好與鋼筋間絕緣措施（圖7中紅線），另一根導(dǎo)線與鋼筋相連（圖7中綠線），兩根導(dǎo)線引出，在結(jié)構(gòu)外部與電流表串聯(lián)即可測(cè)量保護(hù)電流數(shù)值。

    恢復(fù)砼表面凹槽后在適當(dāng)部位安裝保護(hù)外盒，將導(dǎo)線引至盒內(nèi)并固定，便于后期對(duì)保護(hù)電流的測(cè)量。

    圖7  犧牲陽極綁扎安裝照片

    圖8  犧牲陽極產(chǎn)生保護(hù)電流電流測(cè)量

    2、2013年7月，我們?cè)贕30連霍高速公路K1998+180九壩河中橋維修養(yǎng)護(hù)工程中引用犧牲陽極電化學(xué)防腐蝕。具體施工步序如上所列，通過后期內(nèi)部電流檢測(cè)，可以確定犧牲陽極與梁板鋼筋之間存在回路電流，這表明犧牲陽極中的鋅基合金塊在不斷的自我腐蝕，從而對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋形成保護(hù)。

    由于監(jiān)控橋梁地處甘肅省武威市境內(nèi)，周邊環(huán)境相對(duì)干燥，電化學(xué)腐蝕的條件相對(duì)相對(duì)不足，所測(cè)電流值并不是很大，相信在空氣濕度較大的南方城市、臨海城市中，采用犧牲陽極達(dá)到鋼筋防銹蝕的效果將更加明顯。

    3、在鋼筋結(jié)構(gòu)的維修過程中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題就是相鄰新維修的部位，舊結(jié)構(gòu)會(huì)加速損壞。這是因?yàn)榕f結(jié)構(gòu)物內(nèi)部鋼筋與相鄰新維修結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋之間存在電位差，形成電化學(xué)腐蝕，加速了舊結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕。

    圖9  相鄰新維修部位結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的加速銹蝕原理圖

    圖10  相鄰新維修部位結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的加速銹蝕

    因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剝落掉塊、鋼筋銹蝕等問題的維修過程中，加入電化學(xué)防腐措施，不僅僅是延長修復(fù)部位的結(jié)構(gòu)使用壽命，更是一種維修理念的認(rèn)識(shí)提升，是對(duì)結(jié)構(gòu)的整體保護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)與實(shí)際施工案例我們可以獲悉，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的維修作業(yè)中，犧牲陽極的安裝能夠達(dá)到長期穩(wěn)定的保護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋不銹蝕的效果。

    四、結(jié)束語

    目前電化學(xué)保護(hù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于造船、海洋工程、石油和化工等部門，并作為一種標(biāo)準(zhǔn)的防腐措施列入規(guī)范之中。犧牲陽極作為鋼筋防銹保護(hù)的措施，操作簡單，性能可靠，一次投資費(fèi)用較低，并且在后期使用過程中基本上沒有維護(hù)費(fèi)用的投入，保護(hù)電流的利用率較高，不會(huì)產(chǎn)生過保護(hù)，使用壽命長，一般可以可達(dá)20～30年。

    相對(duì)于鋼筋表面涂抹封閉漆的防銹措施，犧牲陽極保護(hù)法能夠避免由于防銹封閉保護(hù)漆涂刷不均勻或者表皮碰觸損傷而造成更為嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕；相對(duì)于外加電流保護(hù)法，犧牲陽極保護(hù)法在后期維護(hù)費(fèi)用上更是優(yōu)勢(shì)明顯。

    因此，犧牲陽極作為一種性能可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鋼筋防銹保護(hù)方法，在橋梁維修工程中值得推廣。

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責(zé)任編輯：劉洋

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