摘要：混凝土中鋼筋的腐蝕是一個電化學過程。因此，對于重要工程的重要部位（有長壽命要求的部位），采取電化學防護技術是用于防止鋼筋腐蝕問題的最根本、最有效的措施。通過此項目的研究，解決重要工程重點部位的鋼筋混凝土耐久性要求；解決陽極材料實用性和耐久性的問題；解決系統安裝工藝要求與橋梁混凝土構件施工要求協調性的問題；解決對混凝土中鋼筋的腐蝕主動控制的問題；通過遠程監控技術，解決日常維護管理和長距離現場數據采集問題。

關鍵詞：鋼筋混凝土；防護技術；應用研究

1 研究課題的立項背景及意義

威海長會口大橋是威海市環海公路整體規劃的重要組成部分和標志工程，橋區位于海洋環境，海水水質類型屬Cl-Na型，大橋的設計基準期為100年。

威海長會口大橋全長2020米，主橋寬20.1m，引橋寬16m。引橋為25米跨和35米跨預應力混凝土鋼構-連續T梁，引橋下部結構采用雙柱方墩，嵌巖樁基礎。主橋為三跨（117m＋230m＋117m）預應力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，橋塔采用H型索塔，塔高106.414米，主塔基礎為群樁承臺基礎，樁徑2.8米，單塔樁數15根，矩形排列，按嵌巖樁設計，承臺尺寸32.8×16×4.5米。大橋設計為雙向四車道混合交通，通航標準為2000噸級單孔雙向通航，3000噸級單孔單向通航。大橋的主橋跨為該工程項目的關鍵部位，是車輛通行和船舶通航的重要保證。由于主橋墩的水位變動區及浪濺區受到海水和空氣的交替變換影響，氯離子和氧不斷地向混凝土結構內部滲透，形成了富含氯離子和氧離子的電解質孔隙液。當混凝土碳化和鋼筋表面氯離子超過一定濃度時，鋼筋將發生電化學腐蝕。因此對于主橋墩的鋼筋混凝土防護除采用高性能混凝土外，還應采取附加防腐措施進行重點防護。

由于混凝土中鋼筋的腐蝕是一個電化學過程。因此，對于重要工程的重要部位（有長壽命要求的部位），采取電化學防護技術是用于防止鋼筋腐蝕問題的最根本、最有效的措施。

該項目是在威海長會口大橋的主橋跨兩個主橋墩水位變動區及浪濺區分別安裝外加電流陰極防護系統以及監控系統，從而研究、測試外加電流陰極防護技術對海洋工程鋼筋混凝土的防腐保護效果。

通過此項目的實施，解決重要工程重點部位的鋼筋混凝土耐久性要求；解決陽極材料實用性和耐久性的問題；解決系統安裝工藝要求與橋梁混凝土構件施工要求協調性的問題；解決對混凝土中鋼筋的腐蝕主動控制的問題；通過遠程監控技術，解決日常維護管理和長距離現場數據采集問題。

2 課題研究的創新亮點

根據鋼筋腐蝕的電化學原理，陽極反應（鋼筋腐蝕）必須同時放出自由電子，陰極防護既是采取措施使被保護結構內的鋼筋電位等于或低于平衡電位，不讓鋼筋表面任何地方再放出自由電子，就可使鋼筋不能再進行陽極反應（腐蝕）。外加電流陰極保護，以直流電源的正極接通難溶性陽極，發射保護電流；以其負極接通被保護的鋼筋，而陽極與被保護的鋼筋均處于連續的電介質中（混凝土），使被保護的鋼筋接觸電解質的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護。

外加電流陰極防護是以直流電源的負極與被保護的鋼筋相接，正極與輔助陽極相接，提供保護電流。電流通過連續的混凝土介質，到達鋼筋表面使鋼筋發生陰極極化而受到保護。這種外加電流法優點之一是系統可通過調節控制電源的電流（或電壓）使鋼筋處于一定的保護電位之下。施加陰極保護時，直流電由輔助陽極流向鋼筋，抵消或改變自然腐蝕電流方向，可產生如下效果：①鋼筋電位向負方向偏移，發生陰極極化；②使鋼筋產生氫氧根離子，提高堿性，幫助鋼筋表面生成鈍化膜；③氯離子從陰極流向陽極，減少鋼筋表面氯化物含量。這些特點是其他措施難以達到的。因此外加電流陰極保護用于受氯化物污染引起鋼筋腐蝕結構中鋼筋的保護是一種非常有效的技術。

3 研究課題中的關鍵技術介紹

本工程的關鍵技術為RECON控制系統。鈦金屬網陽極和鋼筋陰極電導線以及測量鋼筋實際電位的參比電極的正負回路的導線從防護系統中引出，進入RECON控制系統提供監控數據。

RECON控制系統一方面作為供電裝置，把外部引入的交流電轉化為低壓直流電，為陰極防護系統的鈦金屬和鋼筋陽極提供穩定電源；另一方面安裝有控制模塊，采集參比電極測量的鋼筋實際電位數據，判斷是否達到預設的保護電位值，自動增加或減少電流的輸出，直到鋼筋實際電位達到預設的保護電位。REOCN控制系統具有自我控制能力。

RECON控制系統包括：①AD控制模塊（電信號轉化為數字信號模塊），該模塊采集參比電極反饋的鋼筋實際電位數據，并把電信號轉化為數字信號后傳到控制模塊并根據預設或遠程控制調整保護電位的值，判斷是否達到保護電位，向DA模塊發出數字控制信號（增加或減少保護電流的輸出）；②DA模塊（數字信號轉化為電信號模塊），該模塊把控制信號模塊的數字指令轉化為電信號指令，轉送到電源裝置，實施增加或減少保護電流輸出的控制；③CPU（中央處理器），配有上網裝置和軟盤存儲器；④電源裝置，本系統的電源裝置包括5個變壓整流器，能提供最大為15V/10A 的DC直流電。

本工程通過在長會口大橋主墩的水位變動區和浪濺區的鋼筋混凝土結構上安裝外加電流陰極防護系統數據采集監控系統，進行外加電流陰極防護系統的設計、安裝的研究，并通過采用REOCN遠程監控設備對系統進行調試和監測。

4 研究課題的經濟性分析比較

4.1 概述

在海洋環境中，鋼筋混凝土結構的腐蝕破壞是危害鋼筋混凝土結構的最主要、最嚴重的隱患。近年來，歐美發達國家的一些工程實例表明，公路橋梁、碼頭、大壩等基礎設施的腐蝕破壞的修復工程耗資巨大，并且修復工程對這些基礎設施的運營和生產造成巨大損失，綜合費用甚至比原造價還要高。在香港，眾多新建、改建或修復工程都采用了確保延長結構使用壽命的措施，以減少其使用期的修復次數和費用，避免對運營生產的影響。

目前提高鋼筋混凝土結構耐久性的措施主要有高性能混凝土、混凝土有機涂料、環氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、外加電流陰極保護技術等新技術，這些新技術各有特點和優勢，因此我們需要對其進行技術經濟分析和比較。

在技術方面，如高性能混凝土提高了混凝土的耐久性、抗氯離子滲透性、抗凍融破壞性等性能、但同時也容易產生細小的裂縫，從而減少的混凝土防護層的厚度和氯離子滲透路徑；有機涂料可以阻隔氯離子滲透、阻銹劑能改善和提高鋼筋的防腐蝕能力，但防護期一般在15~25年，防腐保護效果不確定性大。環氧涂層鋼筋的防護期較長，但同時也存在著巨大的隱患，就是環氧鋼筋施工要求高，在施工過程中很難保證不產生部分破損，一旦產生破損，即使是很細小的破損，也會在其范圍內產生電化學反應，加速破損處鋼筋的腐蝕，如同堅固的大壩中存在著白蟻洞穴。 外加電流陰極保護技術不是被動防護，而是主動預防，可對鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕環境情況的監測，對鋼筋所需的保護電流、保護電位進行24小時遠程計算機自動控制和調節，達到主動預防效果；即使混凝土本身存在缺陷、裂縫等，也不會對鋼筋的防護效果造成不利影響，僅引起保護電流的變化。并且保護年限可根據要求進行設計，保護年限可超過100年。因此從實際保護效果來看，外加電流陰極保護技術在防護期限和主動控制等方面具有顯著的優勢。

在經濟效益方面，因為新建混凝土結構的腐蝕防護工程對業主來說是至關重要的，并且前期投入較大，所以需要根據建筑物的設計使用年限，采用 “全壽命經濟分析”法進行詳細的評估，以達到項目全壽命期的總投資（初建費和維護費）經濟合理。

4.2 全壽命期總費用比較

4.2.1 經濟比較的前提和假設：

結構的設計使用壽命為100年；勞動力、材料、設備及承包合同按現行市場平均價格計算；索塔承臺的混凝土結構保護面積為1500 m2，體積為3500m3；壽命期內每年的通貨膨脹率為8%；不考慮壽命期內價格巨大波動和不可預計風險；壽命期內的維護和維修費用已折算為現值，折現率按銀行貨款利率5%計；在阻銹劑、環氧涂層鋼筋保護期滿后，采用混凝土表面涂層防腐。

4.2.2 經濟比較的防腐保護方案如下：

采用外加電流陰極保護技術；采用環氧涂層鋼筋保護技術；采用阻銹劑；混凝土表面有機涂層。

4.2.3 費用說明如下：

①采用外加電流陰極保護技術方案的費用說明。外加電流陰極保護技術的初期費用約為2，650，000元，每年需要的電費和維護費用約為5，000元。

②采用環氧涂層鋼筋保護技術方案的費用說明。全部結構所需的鋼筋數量約為750噸，采用環氧涂層鋼筋后，每噸環氧涂層鋼筋會比普通鋼筋增加2，500元。因此，采用環氧涂鋼筋的初期費用約為1，875，000元。預計環氧涂層鋼筋的保護年限約為50年左右，所以50年后將對結構進行大型維修，以恢復其良好的狀態，采用混凝土修補和涂層進行維修。另外，由于環氧涂層鋼筋不可避免地會出現點腐蝕現象，因此每隔10~15年，應對結構進行檢測和修補。

③采用阻銹劑方案的費用說明。阻銹劑的種類和名牌很多，目前質量較好的阻銹劑每噸6000元以上，摻量為2~4%，因此每立方米為450元。阻銹劑的初期費用約為1， 575，000元，預計阻銹劑的保護年限約為25年左右，所以25年后將對結構進行涂層防腐，45年后將對結構進行大型維修，以恢復其良好的狀態，采用混凝土修補和涂層進行維修。

④混凝土表面有機涂層方案的費用說明。按每平方米150元計，混凝土表面涂層的初期費用約為225，000元，但其防護年限較短，預計涂層的保護年限約為15年左右，所以15年后將對結構重新進行涂層防腐，25年后將對結構進行大型維修，以恢復其良好的狀態。

①防腐工程初期費用最高到最低依次是外加電流方案、環氧涂層鋼筋方案、阻銹劑方案和表面涂層方案。②在壽命期的前50年，外加電流方案與環氧鋼筋方案的總費用基本相當；從第50年開始環氧涂層鋼筋方案的費用超過了外加電流方案；在第70年時，其總費用已達到了外加電流方案的100年總費用。③在壽命期的前25年，阻銹劑的費用比外加電流的費用略低；從第25年到第45年期間，阻銹劑的費用略超過外加電流的費用；但第45年以后，阻銹劑方案的費用將猛增，大大超過外加電流方案。④在壽命期的前35年，涂層方案的費用較低，但其增長很快，原因是維修的周期短、數量多。在第35年后，其費用超過其他三種方案，并在第60年已超過了外加電流方案的100年總費用。⑤由于外加電流保護結構的總壽命達到100年，比其他方案延長了30年結構壽命，按照威海長會口大橋每年創造5000萬元的經濟效益估算，采用外加電流防腐方案30年將創造15億元的經濟效益。

因此，可以看出，根據全壽命期經濟分析法，在經濟方面，外加電流方案是最優方案、環氧涂層鋼筋方案次之、阻銹劑方案為第三，而表面涂層方案最差。

對各種防腐保護方案的保護性能進行比較可以知道：

由于環氧涂層鋼筋方案、阻銹劑方案和表面涂層方案都需要進行維修和再涂層防護，因此如圖所示，這三種方案都存在著一定時期的非防護狀態，因此增加了結構受腐蝕破壞的風險。而外加電流保護方案則使結構始終處于受防護狀態。

5 該課題的關鍵技術在工程實踐中的應用情況

除在國外有大量工程采用本項目的核心技術——RECON遠程監控外加電流陰極防護系統外，最近幾年，國內也有很多重點工程采用了該技術。主要工程如下：

①天津港滾裝碼頭外加電流陰極防護。②杭州灣跨海大橋北航道橋主塔外加電流陰極防護。③杭州灣跨海大橋南航道橋主塔外加電流陰極防護。④深圳海洋世界生物娛樂館混凝土維修工程外加電流陰極保護。

以上項目中，天津港滾裝碼頭陰極防護系統于2005年9月投入使用，至今運行良好，效果明顯；杭州灣跨海大橋的陰極防護系統于2008年4月投入使用，運行情況良好；深圳海洋世界系統于2007年11月開始運行，保護情況良好，徹底解決了海洋世界原來存在的嚴重腐蝕問題。