牺牲阳极法应用及其在钢筋混凝土文物保护中的应用研究

贾肖虎，淳 庆，廖海学

(1. 东南大学建筑学院，江苏南京 210096； 2. 维特防腐技术有限公司，加拿大曼尼托巴 R3Y 1G4)

0 引 言

随着钢筋混凝土结构在日常建设中的广泛普及与使用，越来越多的学者将目光投射在对其耐久性的研究之上。钢筋混凝土结构的耐久性作为评定建筑工程的重要指标之一，对钢筋混凝土的应用具有重要意义。由于材料自身和自然环境双重因素的长期影响，钢筋混凝土中的钢筋不可避免地会面临锈蚀的问题，一旦钢筋开始锈蚀，随之引发的钢筋混凝土结构锈胀开裂对结构安全性十分不利。因此，研究钢筋防锈机制以及防锈方法对于提高钢筋混凝土结构耐久性意义重大。牺牲阳极法作为一种经济、高效的钢筋防锈方法，近年来为一些重大工程所应用。

本研究旨在通过对钢筋混凝土防锈中牺牲阳极法研究与应用进行回顾，从应用趋势转变中提出牺牲阳极法在钢筋混凝土文物保护工程中应用的可行性，提出该法在钢筋混凝土文物保护中的应用机理与设计方法，并通过南京长江大桥双曲拱桥的文物保护工程案例的介绍，为牺牲阳极法新的应用范围和具体实施方法提供借鉴与指导。

1 牺牲阳极法背景原理

1.1 钢筋锈蚀的原理

一般情况下，由于混凝土内部强碱环境下被包裹的钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，这层膜能够保护钢筋不被腐蚀，一旦钝化膜破坏，钢筋即会较快发生锈蚀。致使钝化膜破坏的原因有两个，一是混凝土内部碱性物质被水滤除或被CO2等酸性气体中和，失去了碱性环境的钝化膜难以维持而破坏；二是Cl-扩散到钢筋表面使钝化膜破坏。

钝化膜遭受破坏后，空气中的CO2与H2O进而扩散到钢筋表面并以钝化膜破坏处作为阳极、未破坏处作为阴极在其上发生电化学腐蚀，具体反应如下：

生成的Fe(OH)3失水生成Fe2O3，并在钝化膜破坏处形成Fe2O3·3H2O，生成的物质体积增大并在钢筋表面与混凝土层之间产生较大压力，迫使混凝土开裂崩落，钢筋因此暴露于空气中，其腐蚀速率与程度也因此而增加。

1.2 钢筋防锈的方法

钢筋锈蚀问题可应用相关措施防止或减少其发生。主要的方法有：电化学除氯(Electrochemical Chloride Extraction，简称“ECE”)与电化学再碱化法、缓蚀剂法、涂层技术法、阴极保护法等；前三种方法目的均是为保护钝化膜完整不被破坏；阴极保护法则是在钝化膜破坏后，发生电化学反应时起到保护钢筋的作用。阴极保护法是目前应用较多、保护效果较好的方法，包括外加电流法与牺牲阳极法。

外加电流法是将钢筋与直流电源的阴极相连，通电后使钢筋极化至保护电位，从而抑制钢筋发生锈蚀。该法不足之处在于需要专人进行维护，成本较高，并需要电源等复杂设备，专业性较高。牺牲阳极法是将电负性更强的材料与钢筋相连，与混凝土层形成回路，通过阳极材料的牺牲锈蚀提供电流使钢筋极化至保护电位，免除钢筋遭受锈蚀。通常作为阳极材料的有Al、Zn、Mg及其作为基体的合金等。相比外加电流法，牺牲阳极法保护效果显著，安装简易，且不会产生过保护现象。

2 牺牲阳极法研究与应用综述

2.1 从“水利管线”到“路桥建筑”应用对象的转变

纵观牺牲阳极法应用实践历程，在20世纪上、中叶时期均以水利工程、管线工程为主，应用上仍依托于阴极保护技术。1928年被称为美国“电化学之父”的罗伯特·J·柯恩在新奥尔良的一条长距离输气管道上安装了第一套牺牲阳极保护装置，此举为阴极保护的现代技术打下了基础，此后阴极保护在美国和一些发达国家开展了应用与研究[1]；1961年克拉玛依-独山子输油管道，并施加了阴极保护，此后连续运行了20多年未出现漏油现象[1]；1960年以来，我国先后在新疆、大庆、四川、胜利、华北等油气田的地下输油和输气管道工程中，以及在北京、上海、天津、哈尔滨等十几个大中城市新建的输气管线和输水管线等工程中采用了阴极保护技术，取得了较明显的防腐蚀效果[2]；1966年江苏的三河闸、射阳河挡潮闸和安徽裕溪口船闸闸门上进行了现场“涂料与外加电流阴极保护及牺牲阳极”的试验并获得成功[3]；1971年混合型金属氧化物阳极首次应用于海水中，埋在海床泥浆中发挥着阴极保护作用[4]。

1973年阴极保护法首次应用于桥梁防锈中：Strufull等对美国50号国道位于加州斯莱公园的一座钢筋混凝土公路桥进行了外加电流阴极保护。当时牺牲阳极法的研究还较为落后，主要是由于混凝土层很厚，且电阻很高时牺牲阳极提供的保护电流不易达到保护要求[5]。1978年利用牺牲阳极系统进行保护某座混凝土桥的桥面，效果不佳[5]。此后到1990年间阴极保护较多应用于桥梁工程，但牺牲阳极法应用较少，主要以研究开发为主[6-7]。

1995年佛罗里达皮尔斯堡的桥墩上安装了第一个锌箔/导电黏结剂牺牲阳极保护系统，面积约为100 m2，3年后保护系统仍然运行良好[8]。20世纪末开始大量采用牺牲阳极法进行桥梁工程的保护。1999年，美国内布拉斯加州奥马哈桥墩、美国北达科他州迈诺特高架桥下部结构、加拿大魁北克省魁北克市桥墩、加拿大安大略省伦弗鲁桥以及加拿大曼尼托巴省温尼伯市预应力混凝土梁均使用了埋入式牺牲阳极保护系统进行修复保护[8]。与此同时，也出现了少量应用在钢筋混凝土建筑物上的案例，如：1996年澳大利亚悉尼歌剧院对由于钢筋腐蚀造成破坏的钢筋混凝土下部结构进行维修，除了在结构物的桥墩和拱腹上安装阴极保护系统，还在重新制作的新的预制构件上安装了阴极保护系统[9]。标志着牺牲阳极法以阴极保护技术为依托从水利、管线工程上的应用逐步转向桥梁、建筑工程上的应用，技术逐步发展成熟。

2.2 实践与研究并举的发展进程

牺牲阳极法的发展应用进程总体上是基于阴极保护法这一大的发展框架下，作为其中一种方法而不断发展，亦是一个实践与研究并举的进程。

从1890年爱迪生根据法拉第原理提出了强制电流阴极保护的思路，到1902年K·柯恩采用爱迪生的思路，使用外加电流成功地实现了实际的阴极保护；再到1910至1919年间德国人保尔和佛格尔在柏林的材料试验站确定了阴极保护所需要的电流密度；有了诸如此类的试验探索，在20世纪70年代前才有了众多对于牺牲阳极法乃至阴极保护法在水利、管线、海湾工程上的应用实践。牺牲阳极法不仅对电化学领域理论进行完善，同时带动电学、材料学等相关学科的应用研究的发展。

20世纪下叶，1979年布劳尔发表了使用有限元法进行阴极保护设计的第一篇论文[10]；1982年国家建材局苏州水泥制品研究所率先在营口的一条穿越盐田、已经爆裂的预应力混凝土管道上，开展了阴极保护技术的研究[11]；同年，美国联邦公路管理局指出：阴极保护是已经被证实的唯一能够制止盐污染桥面板腐蚀的维修技术，无论混凝土中的氯化物含量如何；同时菲尤发表了第一篇关于边界元法在阴极保护设计上应用的文章[12]。可以看出，与应用方面有类似之处，在初始与中期阶段，牺牲阳极法的具体研究还依托于阴极保护法，而未完全转变为独立的研究，真正作为独立技术科学深入研究与应用大体上到了20世纪90年代才不断涌现。

20世纪90年代，一批对于牺牲阳极法的深入研究开始出现，从初期的理论研究，到中期的方法研究，再到后期逐步将研究视角转向材料研究与革新，牺牲阳极技术的发展突破逐步转向对于阳极材料的性能研究。

1992年美国联邦公路管理局成功研发了锌箔/水凝胶牺牲阳极保护系统；1994年美国3M公司研制了具有良好导电性能和黏结性能的水凝胶黏结剂；同年，美国联邦公路管理局资助开展了新型牺牲阳极材料的研究，开发了电弧喷铝-锌-铟合金牺牲阳极保护系统，喷涂层的组成为80%铝、20%锌、0.2%铟[13]；英国阿斯顿大学最早开展了埋入式牺牲阳极保护系统的研究并将其进一步发展，英国Fosroc国际有限公司和加拿大马尼托巴湖Vector Onstruction Group共同开发研制了可供市售的Galvashield埋入式牺牲阳极专利产品[14]。近些年印度Karaikudi电化学中心研究所对镁合金阳极保护法进行了3年的长期实验，发现该法在预防钢筋腐蚀方面效果显著[15]。

2.3 应用层面的拓宽及在文物保护中的机遇

随着牺牲阳极法、阴极保护技术理论的不断完善、材料领域的研究不断进步，在应用层面上也有所拓宽：随着当下由增量时代逐步迈入存量时代，大量历史建筑、文化遗产等均面临着修缮保护，其中关于钢筋保护尤为突出，从侧面反映牺牲阳极法在类似文物保护中出现了应用与发展的新机遇。

在国内，2016年9月至10月，对地处辽宁省丹东市的“丹东一号”沉舰(致远舰)遗址进行了清理，并采取牺牲阳极对该文物采取了保护措施[16]；在国外，1999年，英国莱斯特大桥(Leicester Bridge)在使用牺牲阳极进行保护的同时，完成了对嵌入阳极的首次监控应用，其数据为后续牺牲阳极的监控意义深远[17]；由哈利·费尔德霍斯特以新古典主义风格设计的阿克赖特之家作为曼彻斯特建筑遗产之一使用了外加电流阴极保护；该法在砖石复合框架建筑中亦有应用，如：马歇尔菲尔德公司百货商店等[18]；美国库斯湾大桥于2007年、2013年分别对其南北引桥、悬臂桁架北部的钢筋混凝土上实施了外加电流阴极保护[19]。同时，在相关保护标准中对阴极保护技术有明确规定，有的基于经验[20]、有的基于理论考虑[21]。美国腐蚀工程协会(NACE)阴极保护标准对处理腐蚀活动所需的电流密度与极化验收标准有明确规定，在应用上体现了较高的保护效果[22]。

综上所述：牺牲阳极法依托阴极保护技术，发展进程中凸显了实践与研究并举的特征，应用对象从水利、管线工程和道路、桥梁工程发展到建筑工程和文物保护，其应用层面的不断拓宽，为牺牲阳极法在文物保护中创造了新的机遇。目前国外有一些应用案例与技术标准，但国内牺牲阳极应用于文物保护的案例较少，且鲜有对钢筋混凝土文物保护的应用。

3 牺牲阳极法在钢筋混凝土文物保护上的应用机理与设计方法

3.1 牺牲阳极法的应用机理

由电化学保护原理可知，在阴极保护的过程中：给金属补充大量电子需要负电位，以使被保护金属整体处于电子过剩的状态，其表面各点达到同一负电位，金属原子因此不易失去电子而形成离子溶蚀。能够抑制或使金属腐蚀停止的电位值为保护电位。被保护钢筋单位面积上所需的保护电流称为保护电流密度。

牺牲阳极法利用一种比被保护金属电负性更强的金属或合金阳极材料与被保护金属连接，并处于同一电解质中，阳极材料因金属性强而优先被溶蚀，释放出电流以供被保护金属阴极化，随着电流不断流动，阳极材料不断消耗使得被保护金属处于保护状态。

新修混凝土中钢筋电位较高，钢筋表面会形成一层致密的钝化膜保护其免受侵蚀，随着有害物质入侵破坏钝化膜，电位降低，若立即进行砂浆修补，新修砂浆部位电位高于未修补钢筋电位，此后在修补周边部位形成“阳极环”而出现腐蚀破坏。采用牺牲阳极后，阳极块电位较低，腐蚀优先发生在牺牲阳极之上，保护混凝土中钢筋不锈蚀。各阶段不同部位电位值及电极属性见表1。增设牺牲阳极前后的不同腐蚀机理见图1、图2所示。

表1 不同部位电位值及电极属性表Table 1 Potential values and electrode properties of different parts

图1 钢筋锈蚀机理(腐蚀后期)Fig.1 Corrosion mechanism of steel bar(later stage of corrosion)

图2 牺牲阳极工作机理(以锌块为例)Fig.2 Working mechanism of sacrificial anode(e.g. zinc block)

3.2 钢筋混凝土文物保护中牺牲阳极法的设计方法

1) 对钢筋混凝土文物进行详细勘察与分析，明确残损病害类型与钢筋锈蚀情况，如碳化深度，腐蚀电位，化学成分分析等；

2) 对于混凝土碳化深度过大、钢筋锈蚀严重的文物，考虑去碳化层、钢筋除锈后采用腐蚀控制用牺牲阳极；若结构承载力不足，需要植筋时，可在新钢筋上采用防腐蚀用牺牲阳极；对于碳化深度较浅但混凝土并未破坏的文物，可采用防腐蚀用牺牲阳极进行预防；

3) 由保护钢筋面积确定阳极用量：具体可依据下述计算过程：

a. 计算被保护钢筋面积A：

A=π×D×L

(1)

式中：D为被保护钢筋直径；L为被保护钢筋长度。

b. 计算阴极保护电流I：

I=A×Cd×(1-E)

(2)

式中：Cd为保护电流密度；E为涂层效率(通常被保护的为既有钢筋，一般无涂层)。

c. 根据设计寿命t、理论电容量Z计算阳极用量：

W=(8 760×I×t)/(Z×U×Q)

(3)

式中：W为阳极重量；U为电流效率；Q为阳极使用率。

4) 依据上述计算被保护钢筋面积与保护电流密度，结合现场可达性、环境与所需电流需求等选取合适的牺牲阳极系统；

5) 根据计算阳极用量与选取的系统类型，优化阳极排布方式(数量与间距等)，并设计试点安装方案避免安装后对文物外部观感造成过大影响。

4 牺牲阳极法在钢筋混凝土文物保护中的应用实例——南京长江大桥双曲拱桥

4.1 工程背景

南京长江大桥建成于1968年，是我国自主设计和建造的第一座长江大桥，具有极高的历史价值、科学价值、艺术价值和社会价值。南京长江大桥在2014年7月入选不可移动文物，2016年9月入选“首批中国20世纪建筑遗产名录”，2018年1月入选“第一批中国工业遗产保护名录”。由于长期过载使用，南京长江大桥存在较多的结构病害和安全隐患。2016年，南京市政府决定对大桥公路桥进行大修，将其存在的病害和安全隐患彻底解决。维修从2016年10月起，至2018年12月底竣工，一共持续27个月。

南京长江大桥双曲拱桥作为历史文物的一部分，既要保证修缮后的安全使用，又要依法保护、最大限度地保持其原真性与完整性。结合双曲拱桥的结构特征与病害特点，应用了牺牲阳极法进行耐久性保护，具体步骤如下：

南京长江大桥引桥双曲拱桥位于主线桥端部，内侧同T梁桥相接，外侧连接引道，共计22孔，其中北岸4孔，长137.0 m；南岸18 孔，长623.2 m。南岸和北岸引桥双曲拱桥全桥宽20.1 m，车行道宽15.0 m，两侧各有2.55 m宽(含栏杆)的人行道。各孔均为等截面悬链线无铰拱。引桥双曲拱桥主拱圈由16根拱肋、15个拱波组成，拱板为填平式现浇构件，与拱波形成整体；拱肋之间的横向连杆为预制构件，抗震加固时增设大拉杆(每孔1～3根不等)。拱上填料为石灰煤渣土，顶面为沥青混凝土与沥青砂面层。

南京长江大桥回龙桥双曲拱桥始于南岸引桥T梁桥和引桥双曲拱桥交汇点，同新建匝道桥相连接。回龙桥全桥宽13.1 m，车行道宽8.0 m，两侧各有2.55 m宽(含栏杆)的人行道。回龙桥双曲拱桥总计12孔，桥梁总长328.2 m。桥梁跨径分32.7 m和22.0 m两种，上部结构采用有填料的空腹式双曲拱，由10根拱肋、9个拱波组成。拱肋为钢筋混凝土预制构件，群肋总宽11.96 m。拱波为混凝土预制圆弧拱。顶面浇筑填平式混凝土。拱肋之间的横向连杆为预制构件。拱上填料为石灰煤渣土，顶面为沥青混凝土与沥青砂面层。

4.2 现状分析

在修缮设计初期，对南京长江大桥引桥双曲拱桥、回龙桥双曲拱桥进行了详细的现状勘察，对各个结构的安全隐患进行了记录与分析(具体见表2所列的主要残损病害情况)，以便为后续保护性修缮设计提供依据。图3至图5为部分双曲拱桥现状调研照片。

表2 引桥双曲拱桥、回龙桥双曲拱桥主要病害汇总表Table 2 Major diseases summary of double curved arch bridges of the approach bridge and the Huilong Bridge

图3 南引桥幕府西路50号孔Fig.3 Hole 50， Mufu West Road， the south approach bridge

图4 北引桥浦珠北路37号孔Fig.4 Hole 37， Puzhu North Road， the north approach bridge

图5 回龙桥跨金川河H12号孔Fig.5 Hole H12， Huilong Bridge crossing Jinchuan River

双曲拱桥除桥面普遍存在车辙、坑槽、高低不平等问题外，急需解决的是主拱圈的结构安全问题。主拱圈是结构受力的主要构件，是桥梁是否安全的关键。目前主拱圈存在的主要病害包括混凝土开裂和剥落、钢筋露筋和锈蚀等，主要原因是混凝土强度偏低，保护层偏薄，暴露在自然环境中。混凝土碳化深度部分已超过钢筋表面。由于截面削弱，承载能力和刚度也有所下降。典型病害特征如图6至图8所示。

勘察过程中对北引桥38孔的钢筋腐蚀电位差进行了测量，其中拱肋-1#、拱肋-4#、拱肋-15#(从拱肋下游开始编号)处的钢筋腐蚀电位差分别为-390 mV、-436 mV、-523 mV。一方面说明其高电位已经形成了锈蚀的条件；另一方面为确定牺牲阳极的电位差提供依据。

图6 拱肋混凝土剥落露筋Fig.6 Peeling of arch rib concrete and exposed steel bars

图7 拱肋混凝土渗水露筋Fig.7 Seepage of arch rib concrete and exposed steel bars

综合考虑工程实施与保护效果，采用牺牲阳极法进行双曲拱桥文物本体的耐久性保护，以期延年益寿，控制其钢筋发生锈蚀以及阳极环效应，延长其使用寿命。

4.3 实施机制

对南京长江大桥双曲拱桥主拱圈采用高碱性埋置式牺牲阳极，直接绑扎于原钢筋或修补后的钢筋表面，呈点状或条带状分布。牺牲阳极型号为FH-XPT电化学材料(牺牲阳极)，锌芯最小重量为60 g，电线总长度600 mm，阳极标称尺寸为125 mm×25 mm×25 mm，预防性防腐间距≤750 mm。具体绑扎与安装流程如图9所示。

图9中：(a)将牺牲阳极贴于钢筋旁边适当的位置，并在各边放置一根电线；(b)向相反的方向弯曲一侧的电线；(c)向相反的方向弯曲另一侧电线；(d)以反方向缠绕电线；(e)按(d)步骤缠绕数次；(f)将两根电线拧为一股，注意勿折断电线。

图9 牺牲阳极绑扎安装流程示意Fig.9 Installation flow diagram of sacrificial anode binding

南京长江大桥双曲拱桥牺牲阳极安装具体施工流程大致如下：1)对出现混凝土开裂、剥落、碳化严重的部分及钢筋露筋、锈蚀的部分进行充分的清理，对碳化深度较大的，凿除碳化部分并对钢筋进行除锈防腐处理；对碳化深度较小的部分采用涂料进行封闭；2)对承载力较低的部分绑扎布置新钢筋；3)测量牺牲阳极电位差，确定其有效性与完整性；4)按计算与布置方案在对应位置处间隔绑扎牺牲阳极，将阳极固定在暴露钢筋的侧面或下方，尽可能靠近周围混凝土(100 mm为宜)，牺牲阳极绑扎安装流程按图9所示步骤操作；5)采用仪表验证修补区域内阳极和钢筋之间、钢筋和钢筋之间的电连续性，无连续性钢筋应用扎丝固定于有电连续性的钢筋上，电阻值在0～1 Ωm之间判定为合格；6)浇筑高标号新混凝土，覆盖厚度至少为20 mm，其作为修补材料的电阻率应低于15 000 Ωm/cm，在填充之前，需预先湿润混凝土基底与阳极以获得饱和干燥状态，而后进行修补，达到原有形制观感。现场绑扎牺牲阳极和绑扎后的牺牲阳极分别如图10和图11所示。

图10 现场绑扎牺牲阳极Fig.10 On-site binding of sacrificial anodes

图11 绑扎后的牺牲阳极Fig.11 Sacrificial anode after binding

4.4 预期效果

未设置牺牲阳极单纯进行混凝土加厚补强的措施会导致在既有混凝土与新混凝土之间产生电位差，从而造成既有混凝土中的钢筋较快发生锈蚀。而采用牺牲阳极进行保护后，由于牺牲阳极的电位较高(锌芯可达-1 100 mV)，会大大减少既有混凝土中的钢筋以及新钢筋的锈蚀情况出现。

南京长江大桥公路桥维修工程文物保护工程已于2018年12月8日顺利竣工，验收专家组给出了较好的评价与总结，整体施工过程按照文物修缮的要求开展，符合设计方案的要求。总体做到了修旧如旧的效果。采用牺牲阳极法进行保护的南京长江大桥双曲拱桥能在未来使用过程中提升其耐久性。

5 结 论

本研究较为系统地对牺牲阳极法的相关研究文献与工程实践案例进行了梳理，介绍了牺牲阳极技术的发展情况与应用历程，并由其应用层面的转变提出牺牲阳极法应用于钢筋混凝土文物保护的可行性，详述了具体应用机理与设计方法。通过介绍南京长江大桥双曲拱桥主拱圈耐久性加固工程中对牺牲阳极法的应用，阐述了该法在新时代文物保护方面的新机遇，为相关文物保护修缮设计提供了借鉴。得到如下相关结论：

1) 牺牲阳极法的发展前中期还主要依托于阴极保护法的发展研究，阴极保护法主要应用于水利、管线工程，牺牲阳极法还未独立成为单独的技术科学领域进行深入研究；从20世纪90年代逐步加强了对其的研究，主要在材料方面有所革新，与此同时带来了牺牲阳极法在桥梁工程中的钢筋防锈蚀上的广泛应用；近些年来国外对于该法应用在历史遗产保护工程中案例较多、规范翔实，而国内鲜有应用，亟待对其应用与设计进行研究。

2) 牺牲阳极法近年在国内逐步推广至桥梁修缮工程中，作为文物保护的实例之一，南京长江大桥双曲拱桥主拱圈的耐久性加固工程采用了牺牲阳极法。作为该方法在新时代中的新机遇，此次牺牲阳极耐久性加固法为类似钢筋混凝土文物保护工程提供了借鉴和参考。

3) 纵观牺牲阳极法在研究与实践中的不断摸索前行，再以南京长江大桥双曲拱桥这一文物保护修缮工程为契机，管窥牺牲阳极法未来的发展趋势：预测未来牺牲阳极法将更为深入地实施于中大型桥梁保护，乃至文物保护工程之中，从单一的钢筋混凝土桥梁保护逐步转变为丰富的钢筋混凝土建、构筑物保护，实现文物保护的科学性与耐久性。