水工鋼筋混凝土聯合防腐措施在白浪河防潮閘工程中的應用研究

楊國瑞 李貴清 成 棟 侯 仟

（山東省水利勘測設計院 山東濟南 250013）

1 概述

白浪河防潮閘工程位于山東省濰坊濱海經濟技術開發區，處于白浪河入海口，渤海萊州灣潮下帶。建筑物級別為2 級，防潮閘閘孔總凈寬210m，共14 孔，每孔凈寬15m。當地水閘、橋梁等建筑物鋼筋混凝土結構腐蝕情況較為嚴重。本工程處于入海口海水、淡水交互環境，場區環境水對普通混凝土具有結晶型硫酸鹽型強腐蝕性。工程環境條件對防潮閘鋼筋混凝土結構防腐提出了更高的要求。

2 鋼筋混凝土結構腐蝕的原因分析

鋼筋混凝土腐蝕劣化的原因主要有水泥水化產物中性化、混凝土凍融破壞、氯離子（Cl-）侵害、堿—骨料反應等幾種。在海洋環境中，Cl-的滲透是引起鋼筋混凝土劣化的最大外在原因。

鋼筋混凝土結構的腐蝕破壞，除混凝土本身的破壞外，最主要的還是進而引起的鋼筋的腐蝕破壞。混凝土內具有高堿性環境，Cl-滲入到鋼筋表面后，對鋼筋銹蝕的主要作用表現在破壞鋼筋表面的鈍化膜；鐵基體與尚完好的鈍化膜區域之間產生電位差形成腐蝕電池；Cl-與Fe++相遇氧化從而加速陽極過程；Cl-的導電作用加速電化學腐蝕過程等幾個方面。Cl-達到一定濃度時，鋼筋銹蝕便會發生和發展，鋼筋銹蝕使其體積發生膨脹，根據最終產物的不同，可膨脹2～7倍，使混凝土順鋼筋開裂，握裹力下降，并出現鋼筋斷面損失、腐蝕斷裂等情況。海洋工程中的鋼筋混凝土結構往往建成后3～5年就出現腐蝕現象。

3 混凝土結構防腐的必要性

通過對工程附近類似環境的橋梁、水閘等建筑物的調查了解，發現凡是未采取防腐措施的建筑物，多數達不到設計使用年限，有的在建成后10～15年就出現了較嚴重的混凝土剝蝕、鋼筋銹蝕等情況，甚至不足10年就開始修復加固。

海水環境對鋼筋混凝土結構的腐蝕是多方面的，混凝土本身的破壞，進而引起的鋼筋的腐蝕破壞，對建筑物形成致命的危害。因此，采取措施保證建筑物混凝土結構的安全及耐久性是非常重要的。白浪河防潮閘處于入海口海水、淡水交互環境，場區海水水化學類型為氯-鈉型，PH 值為7.3，礦化度為24642.8mg/L，全硬度為5840.8mg/L，游離CO2為24.2mg/L。場區環境水對普通混凝土具有結晶型硫酸鹽型強腐蝕性。防潮閘工程作為濰坊濱海水城的最外一層防線，地理位置關鍵，保護對象重要。因此，進行水工混凝土結構的耐腐蝕性研究，確定合理的防腐方案是非常必要的。

4 混凝土結構防腐發展及應用情況

提高混凝土自身對鋼筋的保護能力是最重要、最根本的防護原則。提高混凝土耐久性的措施有很多，主要是提高混凝土的密實性，如提高強度等級、抗凍等級等。除加強施工管理，提高混凝土澆筑質量外，還常通過摻加粉煤灰、外加劑等作為輔助措施。

但由于混凝土材料的多孔性和施工易產生裂紋等問題是很難徹底解決的，特別在較嚴重的腐蝕環境中，單靠混凝土自身不足以實現耐久性保護，必須采用附加措施。比如對混凝土表面進行涂層封閉，切斷外界的水氣（包括液態水)、O2、Cl-、酸性液體的滲透途徑，就可以防止或延緩腐蝕的發生。陰極保護技術發展也很快，包括犧牲陽極、外加電流等不同方式。我國的輸油管道已廣泛采用了陰極保護，對混凝土內部的鋼筋采用陰極保護同樣獲得很好的效果。多功能、綜合性鋼筋阻銹劑在國內外迅速發展，已成為當今世界防鋼筋腐蝕的主要技術措施之一。環氧樹脂涂層鋼筋、不銹鋼鋼筋等在國內外也有較多采用。多年的實踐證明，這些方法都是有效的，各自有其獨特的優點，同時也存在其不足或局限性。

5 聯合防腐方案

5.1 聯合防腐方案的確定

本工程防腐首要措施是提高混凝土本身的耐久性，閘室混凝土采用強度等級C35，抗凍等級F300，鋼筋保護層厚度60mm。施工過程中對骨料及混凝土拌和用水進行嚴格控制。閘墩采用適用海水環境的抗硫酸鹽水泥，防止SO42-對混凝土本身的破壞。混凝土中摻加粉煤灰、引氣劑、高效防腐蝕氣密劑等外加劑，從而提高了混凝土自身性能，在一定程度上阻隔或延緩了Cl-等滲入速度。

混凝土防腐涂層是海上建筑物（跨海大橋、海港碼頭等）經常采用的防腐措施。1983年東京灣曾做過試驗，分別將有、無涂裝的混凝土試件暴露于海洋大氣環境下7年時間，未涂裝的其鋼筋腐蝕面積接近80%，而涂裝的幾乎未被腐蝕。在混凝土表面約2cm處測定Cl-含量，未涂裝試件2cm處Cl-含量約為有涂裝試件的300倍。從調查了解的情況來看，由于種種原因而引起的局部涂層破損，會影響到整個工程的防腐效果，單一的混凝土防腐涂層對于環境復雜的防潮閘水利樞紐來說，還有不完備之處。陰極保護是長期有效的用以保護鋼筋的有效措施之一，在電場的作用下，帶負電的Cl-可從鋼筋表面向陽極（位于混凝土表面）遷移，對鋼筋的防護非常有利，特別適用于在水中或潮濕的土體中。經過研究分析，鋼筋混凝土結構采用了防腐涂層與犧牲陽極陰極保護聯合防腐措施。

5.2 混凝土結構防腐涂層

隨著化學工業的快速發展，不斷出現了一些性能優異的涂料。采用環氧清漆作底漆是經典的處理方法，低分子量的環氧樹脂和改型聚酰胺固化劑黏度小、附著力強、流動性及浸潤性好、耐堿，易于滲透進入混凝土的表層，填充并徹底封閉細微的裂縫和孔洞，可大大提高表面的強度和致密度，為下道工序打下良好的基礎。改性聚酰胺固化劑使得底漆具有一定的柔韌性，當混凝土結構承載重力或因溫度發生變化而出現細小裂紋時，柔性涂層可以拉伸，從而保證其阻斷功能。

根據防潮閘樞紐工程所處的萊州灣的具體環境，大氣區、表濕區（浪花飛濺區、潮差區和全浸區）非填土面采用了具有良好裂紋追隨性能的鋼筋混凝土專用防腐涂料，表濕區填土面采用聚氨酯煤焦油瀝青系列涂料。

涂刷防腐涂層的混凝土的齡期不應少于28d，涂刷前須完全徹底的清除所有混凝土表面的灰塵、鹽分、油脂、濕氣、異物、粉化層等其他有害附著物，同時處理混凝土表面起鼓、突起物、高低平面的差異等。處理完整個表面后，通過用毛刷清掃、高壓空氣吹、高壓水沖洗等手段，充分清掃被涂面。防潮閘鋼筋混凝大氣區、表濕區非填土面涂裝方案分別見表1、表2。

5.3 犧牲陽極陰極保護系統

5.3.1 陽極塊選擇

20 世紀70年代以來，我國的陰極保護技術得到了迅速發展。陰極保護分為外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種。外加電流法將直流電源的負極連接在混凝土內的鋼筋上，以迫使鋼筋處于陰極狀態；犧牲陽極法是將比鐵更活潑的金屬（如鋅）與鋼筋相連，由于在電位序中，鋅排在前面，電位較鐵負得多，鋅可向鐵提供電子，鋅作為陽極而腐蝕，犧牲自己而保護了鐵（鋼筋）。工程中常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金、鋁合金三大類。鋁在電位序中位于鎂和鋅之間，原料來源廣，制造工藝簡單，價格低廉，是犧牲陽極品種中的后起之秀。鋁是自鈍化金屬，只能通過合金化促進表面活化，使合金具有較負的電位和較高的電流效率。

表1 大氣區涂裝方案

表2 表濕區涂裝方案

考慮到本防潮閘工程實際水環境基本屬于海水體系，鎂合金陽極消耗較快，且電流效率低，由此選用AI-6 型鋁合金（Al-Zn-In-Cd）犧牲陽極。防潮閘在閘墩潮差區和全浸區以及底板進行犧牲陽極保護，保護范圍為防潮閘閘墩高程1.52～-3.00m 側面和底板頂層主鋼筋，設計保護期內不需專人管理和維修保養。

5.3.2 陽極塊用量計算

海水環境中鋁合金犧牲陽極的工藝計算，先計算出被保護鋼筋的濕潤表面積，乘以電流密度確定總的電流需要IA，通過逐步計算陽極接水電阻、輸出電流，并根據使用壽命要求計算陽極塊總量。選用細長棒形陽極，參照相關標準規范，選取保護電流密度為20mA/m2。

細長棒形陽極在電解質中電阻可通過下式計算：

式中：Ra為陽極接水電阻，Ω；L為陽極的長度，cm；ρ為介質的電阻率，Ω·cm；r為陽極的等效半徑，cm。

陽極輸出電流 Ia是陽極材料的電極電位和極化到-0.80V（相對Ag/AgCl 電極，認為在這個電位時腐蝕停止）的鋼鐵電極電位的電位差△E除以陽極在電解質中的電阻所得，即：

式中：Ia為陽極輸出電流，A；Ec為陰極開路電位，V；△Ec為陰極極化電位，V；Ea為陽極開路電位，V；△Ea為陽極極化電位，V；Rc為陰極過渡電阻，Ω；Rw為回路導線電阻，Ω；△E為陽極有效電位差，V；R為回路總電阻，Ω。

式中：N為陽極數量，塊；f為備用系數，取2～3倍。

式中：T為陽極工作壽命，a；W為陽極凈質量，kg；ω為陽極消耗率，kg/(A·a)；I為陽極平均輸出電流，A。

陽極塊規格為850×(180+220)×180，重量85kg。陽極塊布置于閘墩底部，上、下游檢修門中間區域，閘墩每臨水面設2 塊。混凝土結構潮差區、全浸區防腐保護壽命設計為20年，之后可根據犧牲陽極溶解情況和混凝土結構潮差區、全浸區保護效果重新設計安裝犧牲陽極，最終達到混凝土結構設計使用壽命的技術要求。

6 結語

混凝土本身耐久性的提高，及采用防腐涂層與鋁合金（Al-Zn-In-Cd）犧牲陽極聯合防腐方案，將會為海水環境中的水工混凝土結構安全提供保障，減少建筑物運行中的維護費用，延長工程使用壽命。目前白浪河防潮閘主體工程已投入使用，運行情況良好。

1 胡士信.陰極保護工程手冊.化學工業出版社，1999.

2 EN12696-2000，Cathodic Protection of Steel in Concrete.