钢筋混凝土外加电流阴极防护技术在长会口海湾大桥中的应用研究

　　1、研究课题的立项背景及意义

　　威海长会口大桥是威海市环海公路整体规划的重要组成部分和标志工程，桥区位于海洋环境，海水水质类型属Cl-Na型，大桥的设计基准期为100年。

　　威海长会口大桥全长2020米，主桥宽20.1m，引桥宽16m.引桥为25米跨和35米跨预应力混凝土钢构-连续T梁，引桥下部结构采用双柱方墩，嵌岩桩基础。主桥为三跨（117m＋230m＋117m）预应力混凝土双塔双索面斜拉桥，桥塔采用H型索塔，塔高106.414米，主塔基础为群桩承台基础，桩径2.8米，单塔桩数15根，矩形排列，按嵌岩桩设计，承台尺寸32.8×16×4.5米。大桥设计为双向四车道混合交通，通航标准为2000吨级单孔双向通航，3000吨级单孔单向通航。大桥的主桥跨为该工程项目的关键部位，是车辆通行和船舶通航的重要保证。由于主桥墩的水位变动区及浪溅区受到海水和空气的交替变换影响，氯离子和氧不断地向混凝土结构内部渗透，形成了富含氯离子和氧离子的电解质孔隙液。当混凝土碳化和钢筋表面氯离子超过一定浓度时，钢筋将发生电化学腐蚀。因此对于主桥墩的钢筋混凝土防护除采用高性能混凝土外，还应采取附加防腐措施进行重点防护。

　　由于混凝土中钢筋的腐蚀是一个电化学过程。因此，对于重要工程的重要部位（有长寿命要求的部位），采取电化学防护技术是用于防止钢筋腐蚀问题的最根本、最有效的措施。

　　该项目是在威海长会口大桥的主桥跨两个主桥墩水位变动区及浪溅区分别安装外加电流阴极防护系统以及监控系统，从而研究、测试外加电流阴极防护技术对海洋工程钢筋混凝土的防腐保护效果。

　　通过此项目的实施，解决重要工程重点部位的钢筋混凝土耐久性要求；解决阳极材料实用性和耐久性的问题；解决系统安装工艺要求与桥梁混凝土构件施工要求协调性的问题；解决对混凝土中钢筋的腐蚀主动控制的问题；通过远程监控技术，解决日常维护管理和长距离现场数据采集问题。

　　2、课题研究的创新亮点

　　根据钢筋腐蚀的电化学原理，阳极反应（钢筋腐蚀）必须同时放出自由电子，阴极防护既是采取措施使被保护结构内的钢筋电位等于或低于平衡电位，不让钢筋表面任何地方再放出自由电子，就可使钢筋不能再进行阳极反应（腐蚀）。外加电流阴极保护，以直流电源的正极接通难溶性阳极，发射保护电流；以其负极接通被保护的钢筋，而阳极与被保护的钢筋均处于连续的电介质中（混凝土），使被保护的钢筋接触电解质的全部表面都充分而且均匀地接受自由电子，从而受到阴极保护。

　　外加电流阴极防护是以直流电源的负极与被保护的钢筋相接，正极与辅助阳极相接，提供保护电流。电流通过连续的混凝土介质，到达钢筋表面使钢筋发生阴极极化而受到保护。这种外加电流法优点之一是系统可通过调节控制电源的电流（或电压）使钢筋处于一定的保护电位之下。施加阴极保护时，直流电由辅助阳极流向钢筋，抵消或改变自然腐蚀电流方向，可产生如下效果：①钢筋电位向负方向偏移，发生阴极极化；②使钢筋产生氢氧根离子，提高碱性，帮助钢筋表面生成钝化膜；③氯离子从阴极流向阳极，减少钢筋表面氯化物含量。这些特点是其他措施难以达到的。因此外加电流阴极保护用于受氯化物污染引起钢筋腐蚀结构中钢筋的保护是一种非常有效的技术。

　　3、研究课题中的关键技术介绍

　　本工程的关键技术为RECON控制系统。钛金属网阳极和钢筋阴极电导线以及测量钢筋实际电位的参比电极的正负回路的导线从防护系统中引出，进入RECON控制系统提供监控数据。

　　RECON控制系统一方面作为供电装置，把外部引入的交流电转化为低压直流电，为阴极防护系统的钛金属和钢筋阳极提供稳定电源；另一方面安装有控制模块，采集参比电极测量的钢筋实际电位数据，判断是否达到预设的保护电位值，自动增加或减少电流的输出，直到钢筋实际电位达到预设的保护电位。REOCN控制系统具有自我控制能力。 [page]

　　RECON控制系统包括：①AD控制模块（电信号转化为数字信号模块），该模块采集参比电极反馈的钢筋实际电位数据，并把电信号转化为数字信号后传到控制模块并根据预设或远程控制调整保护电位的值，判断是否达到保护电位，向DA模块发出数字控制信号（增加或减少保护电流的输出）；②DA模块（数字信号转化为电信号模块），该模块把控制信号模块的数字指令转化为电信号指令，转送到电源装置，实施增加或减少保护电流输出的控制；③CPU（中央处理器），配有上网装置和软盘存储器；④电源装置，本系统的电源装置包括5个变压整流器，能提供最大为15V/10A的DC直流电。

　　本工程通过在长会口大桥主墩的水位变动区和浪溅区的钢筋混凝土结构上安装外加电流阴极防护系统数据采集监控系统，进行外加电流阴极防护系统的设计、安装的研究，并通过采用REOCN远程监控设备对系统进行调试和监测。

　　4、研究课题的经济性分析比较

　　4.1概述

　　在海洋环境中，钢筋混凝土结构的腐蚀破坏是危害钢筋混凝土结构的最主要、最严重的隐患。近年来，欧美发达国家的一些工程实例表明，公路桥梁、码头、大坝等基础设施的腐蚀破坏的修复工程耗资巨大，并且修复工程对这些基础设施的运营和生产造成巨大损失，综合费用甚至比原造价还要高。在香港，众多新建、改建或修复工程都采用了确保延长结构使用寿命的措施，以减少其使用期的修复次数和费用，避免对运营生产的影响。

　　目前提高钢筋混凝土结构耐久性的措施主要有高性能混凝土、混凝土有机涂料、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、外加电流阴极保护技术等新技术，这些新技术各有特点和优势，因此我们需要对其进行技术经济分析和比较。

　　在技术方面，如高性能混凝土提高了混凝土的耐久性、抗氯离子渗透性、抗冻融破坏性等性能、但同时也容易产生细小的裂缝，从而减少的混凝土防护层的厚度和氯离子渗透路径；有机涂料可以阻隔氯离子渗透、阻锈剂能改善和提高钢筋的防腐蚀能力，但防护期一般在15～25年，防腐保护效果不确定性大。环氧涂层钢筋的防护期较长，但同时也存在着巨大的隐患，就是环氧钢筋施工要求高，在施工过程中很难保证不产生部分破损，一旦产生破损，即使是很细小的破损，也会在其范围内产生电化学反应，加速破损处钢筋的腐蚀，如同坚固的大坝中存在着白蚁洞穴。

　　外加电流阴极保护技术不是被动防护，而是主动预防，可对钢筋混凝土中钢筋腐蚀环境情况的监测，对钢筋所需的保护电流、保护电位进行24小时远程计算机自动控制和调节，达到主动预防效果；即使混凝土本身存在缺陷、裂缝等，也不会对钢筋的防护效果造成不利影响，仅引起保护电流的变化。并且保护年限可根据要求进行设计，保护年限可超过100年。因此从实际保护效果来看，外加电流阴极保护技术在防护期限和主动控制等方面具有显著的优势。

　　在经济效益方面，因为新建混凝土结构的腐蚀防护工程对业主来说是至关重要的，并且前期投入较大，所以需要根据建筑物的设计使用年限，采用“全寿命经济分析”法进行详细的评估，以达到项目全寿命期的总投资（初建费和维护费）经济合理。

　　4.2全寿命期总费用比较

　　4.2.1经济比较的前提和假设：

　　结构的设计使用寿命为100年；劳动力、材料、设备及承包合同按现行市场平均价格计算；索塔承台的混凝土结构保护面积为1500㎡，体积为3500m3；寿命期内每年的通货膨胀率为8%；不考虑寿命期内价格巨大波动和不可预计风险；寿命期内的维护和维修费用已折算为现值，折现率按银行货款利率5%计；在阻锈剂、环氧涂层钢筋保护期满后，采用混凝土表面涂层防腐。

　　4.2.2经济比较的防腐保护方案如下：

　　采用外加电流阴极保护技术；采用环氧涂层钢筋保护技术；采用阻锈剂；混凝土表面有机涂层。 [page]

　　4.2.3费用说明如下：

　　①采用外加电流阴极保护技术方案的费用说明。外加电流阴极保护技术的初期费用约为2，650，000元，每年需要的电费和维护费用约为5，000元。

　　②采用环氧涂层钢筋保护技术方案的费用说明。全部结构所需的钢筋数量约为750吨，采用环氧涂层钢筋后，每吨环氧涂层钢筋会比普通钢筋增加2，500元。因此，采用环氧涂钢筋的初期费用约为1，875，000元。预计环氧涂层钢筋的保护年限约为50年左右，所以50年后将对结构进行大型维修，以恢复其良好的状态，采用混凝土修补和涂层进行维修。另外，由于环氧涂层钢筋不可避免地会出现点腐蚀现象，因此每隔10～15年，应对结构进行检测和修补。

　　③采用阻锈剂方案的费用说明。阻锈剂的种类和名牌很多，目前质量较好的阻锈剂每吨6000元以上，掺量为2～4%，因此每立方米为450元。阻锈剂的初期费用约为1，575，000元，预计阻锈剂的保护年限约为25年左右，所以25年后将对结构进行涂层防腐，45年后将对结构进行大型维修，以恢复其良好的状态，采用混凝土修补和涂层进行维修。

　　④混凝土表面有机涂层方案的费用说明。按每平方米150元计，混凝土表面涂层的初期费用约为225，000元，但其防护年限较短，预计涂层的保护年限约为15年左右，所以15年后将对结构重新进行涂层防腐，25年后将对结构进行大型维修，以恢复其良好的状态。

　　①防腐工程初期费用最高到最低依次是外加电流方案、环氧涂层钢筋方案、阻锈剂方案和表面涂层方案。②在寿命期的前50年，外加电流方案与环氧钢筋方案的总费用基本相当；从第50年开始环氧涂层钢筋方案的费用超过了外加电流方案；在第70年时，其总费用已达到了外加电流方案的100年总费用。③在寿命期的前25年，阻锈剂的费用比外加电流的费用略低；从第25年到第45年期间，阻锈剂的费用略超过外加电流的费用；但第45年以后，阻锈剂方案的费用将猛增，大大超过外加电流方案。④在寿命期的前35年，涂层方案的费用较低，但其增长很快，原因是维修的周期短、数量多。在第35年后，其费用超过其他三种方案，并在第60年已超过了外加电流方案的100年总费用。⑤由于外加电流保护结构的总寿命达到100年，比其他方案延长了30年结构寿命，按照威海长会口大桥每年创造5000万元的经济效益估算，采用外加电流防腐方案30年将创造15亿元的经济效益。

　　因此，可以看出，根据全寿命期经济分析法，在经济方面，外加电流方案是最优方案、环氧涂层钢筋方案次之、阻锈剂方案为第三，而表面涂层方案最差。

　　对各种防腐保护方案的保护性能进行比较可以知道：

　　由于环氧涂层钢筋方案、阻锈剂方案和表面涂层方案都需要进行维修和再涂层防护，因此如图所示，这三种方案都存在着一定时期的非防护状态，因此增加了结构受腐蚀破坏的风险。而外加电流保护方案则使结构始终处于受防护状态。

　　5、该课题的关键技术在工程实践中的应用情况

　　除在国外有大量工程采用本项目的核心技术——RECON远程监控外加电流阴极防护系统外，最近几年，国内也有很多重点工程采用了该技术。主要工程如下：

　　①天津港滚装码头外加电流阴极防护。②杭州湾跨海大桥北航道桥主塔外加电流阴极防护。③杭州湾跨海大桥南航道桥主塔外加电流阴极防护。④深圳海洋世界生物娱乐馆混凝土维修工程外加电流阴极保护。

　　以上项目中，天津港滚装码头阴极防护系统于2005年9月投入使用，至今运行良好，效果明显；杭州湾跨海大桥的阴极防护系统于2008年4月投入使用，运行情况良好；深圳海洋世界系统于2007年11月开始运行，保护情况良好，彻底解决了海洋世界原来存在的严重腐蚀问题。