赵程磊 俞铁勇 张 军 毛江鸿 宋 鑫

1. 国家电网舟山电力公司 浙江 舟山 316004；2. 浙大宁波理工学院 浙江 宁波 315100

混凝土结构内钢筋表面的氯离子浓度达到一定阈值会造成钢筋钝化膜破坏，进而发生锈蚀[1]。随着锈蚀程度增加，混凝土结构将出现保护层开裂剥落、刚度降低、承载能力下降等一系列安全耐久性问题，严重影响结构的服役性能和寿命。大量国内外工程案例表明，由于钢筋锈蚀而进行必要的结构修复、加固和重建等需要巨大的经济社会成本[2-4]。海洋环境中的混凝土结构非常容易遭受氯离子侵蚀[5]，必须严格控制建造期和服役期的氯离子侵蚀并采取适当的耐久性保障措施。

海洋环境是一个整体、笼统的概念，根据其对结构的作用方式与特点，一般可分为水下区、潮差区、浪溅区和大气区等[6]。结构处于不同的区域时，钢筋锈蚀速率存在较大的差异。在海岸水位变动区域（潮差区、浪溅区），结构受到海水干湿交替的作用，氯离子的侵蚀作用最为严重[7]。当海洋水位较高时，氯离子通过毛细吸附作用不断侵入混凝土对流区，并进一步通过扩散作用向混凝土内部移动；当海洋水位下降时，混凝土表面由于水分蒸发而不断干燥，此时对流区部位氯离子浓度升高而向内部扩散[8]。因此，在干湿交替的作用下，水位变动区混凝土内部氯离子不断快速累积。而对于施工期结构，由于混凝土尚未完全凝结硬化，极易遭受氯离子侵蚀[9]。金南国等[10]发现早龄期混凝土内部孔隙率和孔径均较大；朱劲松等[11]和李晗[12]的试验研究表明，早龄期混凝土氯离子扩散系数明显较大、渗透性较高。因此，对于处于海岸水位变动区，特别是地基基础等下部混凝土结构，施工期采取耐久性保障和防治措施尤为重要。

本文分析了水位变动区混凝土结构的耐久性特点和劣化原因，通过工程案例证实了电化学修复技术对提升早龄期混凝土耐久性的有效性，并分析了实际应用电化学方法的技术要点。

1 水位变动区混凝土结构的耐久性保障措施

一般而言，提升混凝土工程设施耐久性的主要措施包括：“防”“抗”和“治”[13]。其中：“防”是指在新建结构前，预先采取适当措施防止钢筋锈蚀，主要包括在混凝土和钢筋表面涂抹防腐涂层[14-16]、在混凝土拌和物中添加阻锈剂、阴极保护法等；“抗”是指提升材料和结构自身的性能，抵抗侵蚀性介质的影响，主要包括使用耐腐蚀钢筋、提高混凝土抗渗性、控制原材料氯离子含量等；“治”主要是通过修复技术对已建结构进行修复提升，延长使用寿命，主要包括修补法[17]、阴极保护法、电渗阻锈法[18]等。

对于处于水位变动区的已建混凝土结构，上述耐久性措施普遍适用。但是对于处于水位变动区的新建混凝土结构，由于早龄期混凝土抗渗透性差、氯离子污染风险高，极易造成施工质量检查不过关和钢筋过早腐蚀的情况。电化学方法的基本原理是通过外加电源，以结构内部钢筋为阴极，并在结构外电解液中布置金属网作为阳极，形成外加电场。恰当控制外加电流密度、通电时间、增益阳离子种类和浓度等因素可以将结构内部的氯离子等阴离子迁移到结构外阳极中，同时也可迁入增益阳离子以增强对钢筋的防护作用或提升混凝土的性能，如图1所示。由于早龄期混凝土的高渗透性，增益阳离子和氯离子的迁移效率都将大幅提升。因此，电化学修复技术对于早龄期混凝土同样具有很好的使用效果。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

江苏南通某工业厂房位于黄海海岸，基础形式为柱下独立基础，结构设计使用年限为50 a。基础及主要混凝土构件的混凝土强度为C30。该厂房的基础结构在施工建设中使用了氯离子含量超标的海砂，且在回填土开挖后海水渗出现象明显，水位快速升高。基础承台、承台柱等部位已受到海水浸泡。根据业主方提供的检测报告，抽检的基础承台、承台柱的氯离子含量（质量分数，下同）为0.337%、0.308%，均已超过规范要求（≤0.20%）。该厂房尚处于施工养护期，虽还未出现明显的耐久性劣化现象，但若不采取有效措施，后续的正常使用性能将受到严重危害。

2.2 现场病害调研

技术人员现场随机抽取2处承台及3处承台柱，各钻取1根芯样，如表1所示。取样深度大于钢筋保护层厚度，样品密封保存和运输，根据JGJ/T 322—2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》，采用电位滴定方法进行氯离子含量的测定。

表1 氯离子含量检测结果

mw—混凝土配合比中每立方米混凝土的用水量，kg。从表1可知，抽检的5处位置保护层深度以内混凝土中氯离子含量占胶凝材料质量的百分比均超过规范的规定。

2.3 电化学修复实施要点

1）分块修复。由于待修复区域较大，不同位置混凝土电阻率差异较大且电源负荷能力有限，需进行区域划分以保证修复效果。电化学修复之前，首先应根据设计施工图纸查明各构件中钢筋的位置、直径、数量、长度特征以及混凝土保护层厚度，以便计算修复参数和确定电源连接位置。修复区域划分与参数设计主要考虑构件内钢筋特征、混凝土电阻率、直流电源最大功率与场地情况等多个影响因素。电迁区域尺寸设计按式（3）、式（4）计算：

不同位置的承台与承台柱中钢筋特征、混凝土电阻率的差异较大，因此不同位置的构件采用不同的电迁参数，电迁参数的设计计算如表2所示。

表2 电迁参数设计

2）装置安装和检查。先将建筑毯切割成块，按划分的区域包裹住构件表面，再把钢丝网紧贴在建筑毯上。在建筑毯上均匀浇水，至建筑毯完全湿润后，盖上塑料膜减少水分蒸发。钻开混凝土保护层，用导线分别将钢丝网和钢筋连接至直流电源正负极。

修复装置安装完成后，将直流电源集中放置，便于管理。由于电源长时间处于满负荷工作状态，部分电源可能会出现故障或电流不稳定，每日定期巡检，及时发现并更换故障电源，调整电流密度以精准控制通电时长。修复期间还应定期浇水，保证修复区域高湿润度。

2.4 修复效果分析

在所有修复区域达到通电时间后，再次对抽检构件进行氯离子含量检测以判断修复效果。检测方法与修复前相同，取芯位置为修复前的临近位置。氯离子含量的检测结果如表3所示。

表3 电化学修复后氯离子含量检测结果

由表3可知，氯离子迁出效率为60%～69%，修复后氯离子含量均满足规范要求。

3 结语

1）综述了腐蚀性服役环境下混凝土结构的耐久性保障措施。对于处于水位变动区的早龄期混凝土渗透性较高，可利用电化学修复技术迁出氯离子，有效保障结构的耐久性。

2）结合工程案例，对海岸水位变动区早龄期混凝土耐久性失效时，电化学修复技术的应用要点分析，包括修复区域分块、参数设计、装置安装与维护等。电化学方法的有效性也得到了验证，本工程所采用的电化学方法对氯离子的迁出效率可达60%以上。