牺牲阳极在桥梁预防性养护维修中的应用

牺牲阳极在桥梁预防性养护维修中的应用
王洪强王刚
（上海法赫桥梁隧道养护工程技术有限公司）
摘 要：本文针对桥梁维修过程中出现的钢筋的锈蚀现象，提出电化学防腐蚀中的牺牲阳极的解决办法，并采取对比实验与实际应用加以验证，总结形成一种有效控制钢筋锈蚀的可行性方法。

关键词：钢筋混凝土结构桥梁养护维修钢筋锈蚀电化学防腐牺牲阳极锌基合金
一、引言
用钢筋和混凝土制成的钢筋混凝土结构中钢筋承受拉力，混凝土承受压力，其由于具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。

钢筋对抗拉性能的弥补，极大的促使了混凝土结构的发展，使之成为近两个世纪中建筑结构中应用最为广泛的材料。

钢筋与混凝土的共同作用才能使钢筋混凝土结构能够展现良好的性能，内部钢筋的锈蚀对钢筋混凝土结构来说是致命的。

所以，钢筋混凝土中的钢筋防锈蚀变得尤为重要。

混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学的过程，其电化学机理是：当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。

其反应式如下：
阳极反应：Fe - 2e →Fe2+
阴极反应：O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe（OH）3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），红锈体积可扩大到原来钢筋体积的4倍，黑锈体积可扩大到原来钢筋体积的2倍。

图1 混凝土中钢筋锈蚀原理
钢筋锈蚀致使体积膨胀，对保护层混凝土产生扩张力，致使钢筋保护层混凝土沿钢筋方向开裂、脱落，而裂缝及混凝土保护层的剥落又进一步加剧了内部钢筋的锈蚀，从而陷入一个恶性循环的过程，造成结构的损坏。

在影响钢筋混凝土结构耐久性的诸多因素中，钢筋的锈蚀被公认的排在第一位。

因此，钢筋的防锈处置变得尤为必要。

通过钢筋锈蚀的原理可以看出，内部钢筋锈蚀的诱导因素诸多，但我们可以明确钢铁发生电化学腐蚀必须具备几个基本条件：钢铁作为腐蚀阳极，其电位最低、低电阻的电解质溶液、足够的氧气参与腐蚀过程，并维持在一定水平上。

根据电化学保护的原理，我们可以通过一种电位比钢筋更低的金属，与被保护的金属联结在一起，依靠该金属或合金不断的腐蚀牺牲掉所产生的电流使钢筋获得阴极极化而受到保护，从而达到防止钢筋锈蚀的效果。

这种自身腐蚀的金属或合金，称之为牺牲阳极。

常见的牺牲阳极材料为锌基合金、铝基合金，本文所探讨的是使用效果更佳的锌基合金牺牲阳极。

二、锌基合金牺牲阳极钢筋防锈效果实验
（1）我们采用由加拿大Vector Corrosion Technologies 公司
提供的锌基合金牺牲阳极Galvashield XP 作钢筋锈蚀对比实
验。

Galvashield XP 由三部分组成：内部锌基合金、外部强碱
疏松砂浆包裹体、引出导线。

将两根相同状况的钢筋，选其中一根钢筋作为实验组，绑
扎Galvashield XP ，绑扎时将Galvashield XP 两端的联络线与
钢筋缠绕并拧紧即可；另一根钢筋作为对照组，不做处理；将
两根钢筋置于同样条件下的3.5%浓度的氯化钠溶液内；随时
间推移，观察一周后两组钢筋的锈蚀
情况。

图3 实验组左边）与对照组（右边） 图2 Galvashield XP 分解照片
通过图3的对比我们发现，在满足发生电化学腐蚀条件的环境下，绑扎锌基合金牺牲阳极的钢筋得到了良好的保护效果，钢筋没有锈蚀，而不做处理的钢筋锈蚀情况较为严重。

（2）我们同样引用由加拿大Vector Corrosion Technologies公司现场实际应用实测的一组数据作为牺牲阳极使用寿命与效果的参考。

1999年，在美国Leister 桥维修中，发现横梁钢筋锈蚀、混凝土保护层剥落等病害。

维修中将松动混凝土凿除、锈蚀钢筋除锈后安装牺牲阳极Galvashield XP，并引出检测线路，最后进行钢筋保护层混凝土的修复。

牺牲阳极安装如图4所示。

图4 牺牲阳极Galvashield XP安装并引出电流测量导线
通过后期十年时间的电流检测，我们发现，梁体中所安装牺牲阳极Galvashield XP能够达到长期稳定的防腐效果。

检测数据图表如图5所示。

图5 牺牲阳极Galvashield XP安装后电流测量数值
通过电流测量表我们看到牺牲阳极电流效率高，并且发生电流的自调节性能好，会对腐蚀条件的变化自动产生相应的反应，保护电流的自我调节能力较好，保护年限较长。

欧洲EN12696标准要求，保护电流密度为0.2-2mA/m2之间，在Leister桥横梁实测电流密度值范围为0.6mA/m2-3.0mA/m2，满足规范要求。

在牺牲阳极Galvashield XP工作十年后，现场取出后发现锌块替代钢筋基本锈蚀完全，锌块外围的高碱度疏松砂浆包裹体保证了对锌块锈蚀膨胀的吸收，没有造成钢筋保护层混凝土的涨裂。

图6 牺牲阳极Galvashield XP工作十年后的照片
三、锌基合金牺牲阳极钢筋防锈安装施工步骤
（1）在桥梁梁板电化学防腐具体施工步骤：
① 采用钢筋定位仪器，对底板锈蚀钢筋进行定位，勾勒出钢筋的大致轮廓，划定需要埋设锌阳极的部位；
②凿除锈蚀钢筋表层砼至裸露出完整钢筋，凹槽深度要满足安装锌阳极的要求；
③将钢筋表层铁锈清除干净，将锌阳极绑扎在预设计的钢筋上，绑扎时锌阳极两端联络线至少要绕钢筋一周，并拧紧；
④检测确保锌阳极与钢筋形成回路，并用普通砂浆恢复钢筋保护层。

注意：若需要对牺牲阳极保护电流进行后期测量则不能够将锌块两端的联络线与钢筋接触、绑扎。

应该将锌块两端联络线与带有绝缘皮的铜线或是其他良好导电性的导线相连，并做好与钢筋间绝缘措施（图7中红线），另一根导线与钢筋相连（图7中绿线），两根导线引出，在结构外部与电流表串联即可测量保护电流数值。

恢复砼表面凹槽后在适当部位安装保护外盒，将导线引至盒内并固定，便于后期对保护电流的测量。

（2）2013年7月，我们在G30连霍高速公路K1998+180九坝河中桥维修养护工程中引用牺牲阳极电化学防腐蚀。

具体施工步序如上所列，通过后期内部电流检测，可以确定牺牲阳极与梁板钢筋之间存在回路电流，这表明牺牲阳极中的锌基合金块在不断的自我腐蚀，从而对结构钢筋形成保护。

由于监控桥梁地处甘肃省武威市境内，周边环境相对干燥，电化学腐蚀的条件相对相对不足，所测电流值并不是很大，相信在空气湿度较大的南方城市、临海城市中，采用牺牲阳极达到钢筋防锈蚀的效果将更加明显。

（3）在钢筋结构的维修过程中，我们经常发现一个问题就是相邻新维修的部位，旧结构会加速损坏。

这是因为旧结构物内部钢筋与相邻新维修结构内部钢筋之间存在电位差，形成电化学腐蚀，加速了旧结构内部钢筋锈蚀。

图7 牺牲阳极绑扎安装照片
图8 牺牲阳极产生保护电流电流测量
图9 相邻新维修部位结构内部钢筋的加速锈蚀原理图
图10 相邻新维修部位结构内部钢筋的加速锈蚀
因此，在钢筋混凝土结构剥落掉块、钢筋锈蚀等问题的维修过程中，加入电化学防腐措施，不仅仅是延长修复部位的结构使用寿命，更是一种维修理念的认识提升，是对结构的整体保护。

通过实验与实际施工案例我们可以获悉，在钢筋混凝土结构的维修作业中，牺牲阳极的安装能够达到长期稳定的保护结构钢筋不锈蚀的效果。

四、结束语
目前电化学保护技术已广泛应用于造船、海洋工程、石油和化工等部门，并作为一种标准的防腐措施列入规范之中。

牺牲阳极作为钢筋防锈保护的措施，操作简单，性能可靠，一次投资费用较低，并且在后期使用过程中基本上没有维护费用的投入，保护电流的利用率较高，不会产生过保护，使用寿命长，一般可以可达20～30年。

相对于钢筋表面涂抹封闭漆的防锈措施，牺牲阳极保护法能够避免由于防锈封闭保护漆涂刷不均匀或者表皮碰触损伤而造成更为严重的点腐蚀；相对于外加电流保护法，牺牲阳极保护法在后期维护费用上更是优势明显。

因此，牺牲阳极作为一种性能可靠、经济实用的钢筋防锈保护方法，在桥梁维修工程中值得推广。

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