摘要

    钢筋混凝土结构因取材广、性能优越发展迅猛，被广泛用于工业和民用建筑、桥梁、隧道、水利、海港等领域。近几年混凝土结构的破坏时常发生，每年国家花费大量的人力、物力来恢复钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏。这影响到我国乃至全世界的经济发展和基础设施的安全性。为此，上海法赫研发了一系列混凝土预防性工程防腐材料。其中FH—CC钻孔植入式牺牲阳极是预防和控制混凝土内钢筋防腐蚀产品，该产品可广泛用于：阳台、柱子和梁、桥面板、停车场、桥墩和码头、预应力混凝土、后张拉锚固等钢筋混凝土工程，与绑扎式牺牲阳极相比：该产品不需区域性破除混凝土结构，只需用机械设备在标记区域钻入适当大小的圆孔即可。FH—CC即可离散性防腐，也可分布式串联区域性防腐。

关键词：钢筋混凝土防腐、植入式牺牲阳极、分布式牺牲阳极防腐、桥梁养护

1引言

腐蚀在世界范围已成为工程师面临的严峻问题。根据美国、英国和日本腐蚀成本的统计：全面腐蚀直接和间接占国民成产总值的3—4%。2002年相关报告指出，美国花费10亿到30亿美金用来恢复钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏。图1和图2是混凝土钢筋锈蚀对桥架支撑和停车场拱腹造成的损害。

图1.(a)桥梁的腐蚀；（b）停车场面板钢筋腐蚀

    混凝土中钢筋腐蚀所造成的巨大经济损失已成为美、英等发达国家在基础设施建设中面临的最大问题之一。但在许多发展中国家，由于大量钢筋混凝土结构建设较晚，钢筋腐蚀所带来严重后果未充分暴露出来，所以这一问题尚未引起这些国家相关部门的高度重视。

    我国在20世纪50年代就开始将钢筋混凝土用于工业建设之中，但大规模的基础设施建设开始于80年代后期，我国的基础设施建设，如海港码头，高速公路，城市立交桥，高楼大厦相继拔地而起。钢筋混凝土结构施工量与日俱增。由于钢筋腐蚀引起混凝土结构的破坏是一潜伏期较长的隐患性病害，一些地方部门及施工单位的短期经济效益行为，致使这一问题的严重性一直未能引起足够的重视。随着我国早期建造的部分海港码头、水利设施及城市建筑遭受钢筋腐蚀破坏以及近期修建的一些钢筋混凝土结构，如北京、天津等立交桥，使用时间不长，腐蚀环境也不像欧美恶劣，暴露出严重的钢筋腐蚀破坏现象。

    目前，美、英等发达国家对混凝土中钢筋腐蚀问题的研究相对成熟。我国针对混凝土中钢筋的腐蚀发生的破坏的修复材料、修复措施还落后于欧美等发达国家。近年来，上海法赫进过数十年的经验沉积，积极的吸收国内外先进的混凝土养护机具设备、材料技术并加以研究，研发出很多钢筋混凝土养护用设备、材料等。其中，FH—CC是一种混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极，可用于混凝土中钢筋防腐，具有防腐效果好、寿命长、节省成本、应用简单方便等特点。

1.1混凝土中钢筋的锈蚀过程

一般情况下，金属发生腐蚀需要下面几个条件：

1、阳极；2、阴极；3、氧气；4、水分；5、传递电子的介质

混凝土内部孔洞为环境中的氧气、水分提供了通道，而阴极和阳极即可以是不同中金属材料，如钢和铝。也可以是同一种金属材料，金属内部不均匀性形成了许多阴极点和阳极点。而混凝土内部孔洞中水份和混凝土骨料本身充当传递电子的电解质。

以上的5个条件都容易满足。但是混凝土中钢筋的腐蚀有别于大气或水中情况。钢筋在硅酸盐水泥中表面会形成保护性钝化膜。这层保护膜的存在保护钢筋不发生锈蚀。但是如果混凝土受到氯离子污染，或是与空气中CO2气体反应发生中性化，这层保护膜发生去钝化反应，引起混凝土钢筋的腐蚀。

1.2混凝土中钢筋的腐蚀速率

混凝土中钢筋腐蚀破坏的过程分为三个阶段。

图2.混凝土中钢筋腐蚀破坏的三个过程

    钢筋腐蚀的诱发阶段：混凝土中的CO2或氯化物逐步扩散至钢筋表面，使钢筋表面发生失去钝化反应，钝化膜被破坏。计算时，此阶段被称为钢筋腐蚀的起始时间，以To表示。

     钢筋腐蚀扩展阶段：钢筋骨架发生腐蚀，钢筋表面产生锈蚀。

     钢筋混凝土结构破坏阶段：由于钢筋腐蚀生锈，致使钢筋截面尺寸减少，或钢筋混凝土保护层产生顺筋裂纹和腐蚀层裂；裂纹、层裂连通后，混凝土发生开裂、剥落现象；最后混凝土结构的功能性使用寿命结束。第2、3两阶段被称为钢筋腐蚀的破坏时间，以T1表示。

1.2.1碳酸化诱发钢筋腐蚀的启始时间To的计算

    混凝土的碳酸化是CO2气体向其内部扩散造成的，碳酸化速率可用碳酸化前沿推进方程表示：      

X=Atn

式中x—碳酸化深度（mm）；

A-CO2在混凝土中的扩散系数；

t-时间（a）；

n-指数，通常为1/2。

通过上式计算出碳酸化前沿达到钢筋的时间，即To。

1.2.2氯化物诱发钢筋腐蚀的起始时间To的确定

    对于暴露于大气中、周围环境含有不同浓度氯化物的钢筋混凝土结构而言，由于氯化物入侵不像碳酸化那样，我们可以根据在断面各处氯离子浓度随深度、时间变化的一条曲线，因而问题的处理比碳酸化复杂。

根据Fick扩散第二定律，Cl-扩散方程的一般形式为：

这样根据标准方程式可计算出起始时间To。

1.2.3钢筋腐蚀破坏时间T1的确定

Clear/Stratfull经验公式：Stratfull提出了一个经验公式，用以预测在具有某一恒定氯化物含量的海水中，钢筋混凝土保护层第一次出现裂纹的时间。

1.3钢筋混凝土阴极保护

1.3.1地下混凝土的保护

    从1824年就开始了海水环境中钢筋的阴极保护，在过去的50年中，其应用延伸至水和土壤中钢筋的保护。1955年之前，报道过钢筋混凝土阴极保护最早应用于预应力混凝土管道，后来是地下钢筋混凝土水箱等。早期大部分应用涉及地下钢筋混凝土。这些应用使用传统的阴极系统。

1.3.2地上保护—导电覆盖层

低上钢筋混凝土阴极保护的最早发展是20世纪50年代晚期的桥面板保护。这些系统在沥青覆盖层使用简单 的高硅铸铁阳极，添加焦炭具有导电性。导电覆盖层系统广泛用于无防水膜的桥面板保护中，这种方法将面板厚度增加至80mm.，并且大幅度提高了结构的重量。

1.3.3导电涂层阳极系统

直到1980年左右出现的导电涂层阳极系统，才使阳极系统真正应用到桥面板以外的垂直和拱腹表面，对结构和建筑物提供阴极保护。导电涂层阳极系统以铂包铌或钛为主要阳极，应用于停车场拱腹、公路桥梁和支撑结构中。由于导电涂层阳极系统对水分、靠近表层内置钢筋和其他任何表层磨损极其敏感，所以表层的处理和检测标准高。

1.3.4金属丝和网状阳极

1983年出现了一种导电聚合物金属丝阳极，有时人们将这种阳极预先安装在网孔阵列中，广泛用于公路桥梁和停车场面板的阴极保护中，而之前使用的阳极都是用在土壤和水中。这种新出现的钢筋混凝土阳极是一种进步。1985年美国和英国出现了涂有各种金属氧化物涂层的钛网阳极，生厂商不同，金属氧化物种类也不同。保护桥梁和停车场面板的保护用混凝土面层覆盖：垂直和拱腹结构保护采用压力喷浆、喷射砂浆或者水泥砂浆人工作业。导电聚合物金属丝阳极系统的成功应用要求高标准的表层处理和覆盖层。

1.3.5牺牲阳极

地上钢筋混凝土阴极保护的另一种系统是牺牲阳极的应用。牺牲阳极电位比钢筋低，当置于电阻高的混凝土中，其提供的电流肯能不足以进行全面阴极保护。但是，这种系统广泛应用在地下和水中钢筋混凝土结构的阴极保护。上海法赫研发了一种新型应用，即修补混凝土结构中钢筋的保护。

2、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC防腐机理

牺牲阳极的电位比钢筋电位低，与被保护的钢筋连通，牺牲阳极失去电子，钢筋得到电子被保护。以氯离子污染的钢筋混凝土修补为例说明牺牲阳极的保护原理。

  图3.FH-CC牺牲阳极防腐机理：（a）混凝土钢筋受氯离子污染腐蚀；（b）钻孔植入牺牲阳极腐蚀被抑制

    左图中所示是上部钢筋受到氯离子污染，而下部钢筋未受到氯离子污染，由于上部钢筋与下面钢筋形成一对阳极和阴极，上部位于氯离子污染区域的电位较负的是阳极，而下部是阴极，结果导致上部钢筋的加速腐蚀。

右图中所示是钻孔植入上海FH-CC产品后，钢筋的腐蚀受到抑制而减少，在牺牲阳极FH-CC与钢筋之间产生了阳极电流保护钢筋不发生锈蚀。

3、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC的设计与制备

    上海法赫研发的混凝土中钢筋防腐蚀用内置牺牲阳极FH—CC系列，其结构如图所示，产品有三部分组成：内部牺牲阳极合金块、包裹砂浆、金属导线。

图4.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC

3.1 FH-CC牺牲阳极材料

3.1.1牺牲阳极内部锌核

    常用的牺牲阳极合金材料有锌合金、镁合金和铝合金，FH—CC牺牲阳极选用高性能的锌合金材料。保证牺牲阳极为混凝土中钢筋提供大电流的同时，具有长的使用寿命。

    锌合金电位：-1020~-1100mv；保护电流稳定；锌的锈蚀膨胀率低，膨胀0.2-0.3倍；

3.1.2牺牲阳极包裹砂浆

    牺牲阳极的包裹砂浆添加了保持锌合金活性的材料，可以使锌合金长期处于活性状态，提供稳定的电流输出。包裹砂浆不含有硫酸盐、氯化物、溴化物等腐蚀钢筋的物质。

包裹砂浆同时具有足够强度的同时内部有很多均匀的孔洞，保证内部锌合金发生的锈蚀产物不在锌表面堆积，可以通过孔洞扩散出去，保证锌合金表面活性，防止牺牲阳极发生开裂。

3.1.3金属导线

    金属导线起到传递电子和绑扎固定牺牲阳极的作用。金属导线表面光滑，无镀层。

3.2 FH-CC牺牲阳极的制备方法

    牺牲阳极FH-CC系列制备方法包括以下工艺步骤：

（1）把熔融的锌合金液浇筑在无涂层的光亮的金属丝的一端，脱模取出成型的锌合金块。

（2）按配比配制牺牲阳极的包裹砂浆。

（3）将锌合金块的一端固定在模具中，向模具中注入牺牲阳极包裹砂浆，静置48~72h后脱模，得到内置牺牲阳极。

4、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC的特点

    FH-CC阳极包含了一个牺牲锌阳极核，由专业配方的预制水泥基砂浆包裹。这种圆柱形阳极，规格多样，可快速安装在混凝土中。安装后，锌核就会比周围钢筋先发生锈蚀，从而对周围钢筋进行电化学腐蚀控制。可根据具体项目需要制作合适大小的阳极。

技术成熟—支持独立检测

针对性保护—在高锈蚀电位或者剧烈锈蚀区域安装牺牲阳极进行腐蚀保护。

经济—通过对氯离子污染剩余区域保护，节省资金。

多效性—对氯离子污染和碳化的混凝土有效。既可用于常规钢筋保护，也可用于预应力混凝土钢筋。

用户友好型—安装快捷简单

易维护—无需外部电源或者系统监测，如果有需要，阳极性能很容易监测。

持久性—使用寿命10—20年，降低未来维修需求。

与所有牺牲阳极保护系统一样，多种原因影响使用寿命，包括钢筋密度、混凝土导电性、氯离子浓度、湿度和阳极间距

5、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC的应用及工程案例

    上海法赫研发的FH—CC分布式牺牲阳极用来控制正在发生的腐蚀以及预防混凝土结构新腐蚀活动的发生。可广泛用于：阳台、柱子和梁、桥面板、停车场、桥墩和码头、预应力混凝土、后张拉锚固等。

工程案例一：FH-CC在国外某预应力箱梁里的使用——结构：国外某号航线上方桥梁

图5.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC在箱梁上的应用

    工程描述：桥的外部箱梁受到氯离子污染。氯离子来自混凝土表层融冰盐。梁内钢绞线的锈蚀导致混凝土的剥落。预应力混凝土的维修和保护难度较大，且担心发生氢脆，腐蚀缓解方法的选择受限，排除电化学除氯和外加电流阴极保护。

工程方案：修复设计小组决定安装电化学腐蚀控制系统保护箱梁。使用FH-CC阳极控制剧烈腐蚀，防止腐蚀造成进一步破坏，尽量避免箱梁更换。梁的侧部安装两排阳极，底部一排。

工程案例二：FH-CC在国外某隧道里的使用

图6.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC在隧道里的应用

工程案例三：FH-CC在历史建筑工程防腐的使用

芝加哥某历史性建筑的保护

图7.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC在历史建筑的应用

工程描述:

由于本建筑物年代久远，位置特殊，柱廊上方的井式楼板腐蚀严重。碳化导致钢筋锈蚀，楼板钢梁和腹板破坏。

工程方案:业主的最大考虑是保留建筑的历史风格，这会使修补受到限制。而应用Galvashiled CC内置牺牲阳极可以安装在井式楼板的顶部，在保证结构的历史外观的同时又能控制钢筋锈蚀。

工程案例四：FH-CC在海滩附件公寓防腐的使用

佛罗里达某个海滩公寓

图8.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC在海滩公寓的应用

工程描述：

公寓混凝土阳台和通道受到氯化物腐蚀破坏。氯化物来自大西洋，在风力作用下扩散至此。在重修补后，业主决定采用腐蚀控制系统保护阳台和通道，以减少未来维修需求。

工程方案：

当地一家承包商使用传统方法对阳台和通道的脱层和剥落的进行了修补。采用FH-CC65阳极，格网状安装在未修补的阳台和通道上，对钢筋提供电化学腐蚀保护。这种仅在未修补的氯离子污染区域安装腐蚀保护系统的方法，不仅效果良好，而且降低成本。

工程案例五：FH-CC在公寓防腐的使用

阿塔拉亚塔楼公寓楼电化学腐蚀控制

图9.上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC在海滩公寓的应用

工程描述：

    业主确定海边的公寓柱子配筋不足，需要使用外部碳纤维板加固结构，提高结构的负载能力。但是由于结构离大西洋较近，且出现混凝土剥落，担心钢筋锈蚀会引起未来老化，以及影响碳纤维加固系统与腐蚀柱子粘合后的耐久性。因此，工程师要求进行腐蚀评估，以便确定地平面柱子、梁和支架上腐蚀的位置和程度。

    直观测量大致能确定混凝土剥落、开裂和脱层的位置。氯离子分析显示混凝土出现低到中等程度的腐蚀。但是，半电池电位调查发现每根柱子的较低部位相较于上面，出现大量较高的腐蚀电位。出现这种现象的原因可能是由于柱子下面的区域收到周期性风暴潮的影响。

    工程方案:由于更好的了解未来腐蚀风险，工程师建议在每根柱子下方安装腐蚀控制系统，对钢筋锈蚀引发混凝土破坏的高风险区域进行控制。每根柱子安装3个FH—CC内置牺牲阳极。阳极交错式排列，垂直间距为16”。安装阳极后，预计会对这些区域产生15-20年的保护性电流，从而延长柱子和碳纤维加固系统的使用寿命。

6、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC的参数和技术数据

6.1牺牲阳极参数

 表一.钢筋混凝土钻孔植入式牺牲阳极FH-CC参数

6.2牺牲阳极技术数据

FH-CC牺牲阳极的分布距离：

FH-CC65与FH-CC135网格最大间距300~750mm；

FH-CC100网格最大间距300~550mm；

牺牲阳极网格间距与钢筋表皮面积/混凝土表层面积有关，随着钢筋表皮面积比的增大，FH-CC牺牲阳极布置越来越密。

表二. 钢筋混凝土钻孔植入式牺牲阳极FH-CC技术数据

7、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC的安装指导

1、安装位置的测量与确定：设计人员确定格网状阳极安装的具体位置和间距。使用钢筋定位仪（推荐 FH-GH1002-手持式钢筋定位仪）定位保护区域内所有钢筋的位置，并标记阳极安装洞的钻孔位置。如果安装情况允许，阳极安装位置至少距离钢筋网100mm。

图10上海法赫钻孔植入式牺牲阳极FH-CC串联连接标准分布图

2、安装牺牲阳极FH-CC

    串联—单个电路最多安装10个CC阳极。每行钢筋连接孔最小12mm。混凝土连续单个开槽宽约6mm，深约12mm，用来连接钢筋连接孔和阳极连接孔。

    单个连接—在每个阳极安装位置钻一个钢筋连接孔。钢筋连接孔和阳极连接孔的混凝土开槽大小为6mm宽，12mm深。

使用FH钢筋连接工具包进行钢筋连接。将受力连接器受力端放入钻孔，直到钢线圈接触钢筋。通过FH设置工具将钢筋连接线填入，然后用锤子之类的工具敲进去。

3、牺牲阳极的连通性测量：用提供的连接器将阳极与钢筋连接线连接。如果是成列安装，用接线器将阳极与连接线连接。然后用万用表检验阳极点和钢筋连接的电气连接。测得最高电阻值小于1ohm为合格。

根据上文列出的大小进行钻孔，安防阳极。提前将阳极在水中浸泡10~20分钟。使用FH砂浆将湿的阳极安装在预浸渍（表层饱和的干燥）洞中。

将混合后的砂浆填入每个洞的2/3处，缓慢压入阳极，使砂浆完全填充环形空间，确保阳极和原混凝土之间无其气孔，阳极最小覆盖深度是20mm。

8、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC使用注意事项

和所有水泥基材料一样，本材料与水分接触能释放碱性物质，对暴露的皮肤有害。工作人员在进行FH-CC阳极和FH砂浆工作时，应按照水泥材料操作标准流程佩戴合适的手套和其他个人保护设备。

9、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC施工用内置砂浆的介绍

FH—CC配套的砂浆内置牺牲阳极专用低电阻率砂浆

特点和效益

• 使用简单，仅添加水即可；

• 电阻率可控；

• 硅酸盐水泥为基础；

• 砂浆具有高Ph值，可预防在阳极生成酸；

• 高表观密度；

• 不含碳或其他可氧化材料；

应用：FH内置砂浆与牺牲阳极联合应用。砂浆用于垂直或水平安装阳极时填充周围空隙和阳极导线开槽。

10、结论

    上海法赫研发的混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH—CC产品对氯离子污染和碳化的区域进行保护，节约成本。同时，安装快捷简单，该产品不用区域性破除混凝土结构，只需在适当位置用机械工具钻入一定深度的孔洞，埋入FH-CC与钢筋形成电气连通即可。FH—CC即可离散性防腐，也可分布式串联区域性防腐。产品寿命长，一次性施工埋入可使用10-20年，期间不需要外部电源或者系统检测。可以广泛用于：阳台、柱子和梁、桥面板、停车场、桥墩和码头、预应力混凝土、后张拉锚固等钢筋混凝土工程。

参考文献

[1]樊云昌.混凝土中钢筋的腐蚀与防护，2001

[2] Staehle,R.W.《腐蚀》，V.31,No1,1975.1

[3] Jackson,D.R，《钢筋混凝土结构腐蚀保护，修补，修复和保护方法》，白皮书，联邦高速公路管理局，1998.5