4.14　预应力混凝土输水管道钢筋的保护

4.14.1　混凝土钢筋腐蚀机理

① 由于混凝土环境呈碱性，pH值一般大于13.5，在碱性环境下，钢筋表面发生钝化，不容易腐蚀，钢筋的自然电位会在-100mV（CSE）左右。

② 处于沿海的混凝土建筑，空气中含有盐分，盐分在混凝土结构上沉积；处于北方的混凝土结构，冬天会采用融雪剂除雪。由于融雪剂中含有氯离子，氯离子沿混凝土结构缝隙或通过混凝土渗入混凝土结构，侵蚀钢筋的钝化膜，并造成局部钢筋的腐蚀电位负向偏移。

③ 由于受氯离子侵蚀的钢筋相对于没受氯离子侵蚀的钢筋电位较负，成为腐蚀电池中的阳极而发生腐蚀。腐蚀的钢筋体积增大7～8倍，在混凝土上产生胀力，导致混凝土覆盖层的剥落。

④ 传统的混凝土剥离检测方法是人工拖拉金属链子在结构表面行走，通过辨别声音判断混凝土结构内部是否发生剥离。最新的方式是测量混凝土表面不同位置处钢筋的电位。一般是在混凝土表面画出方格，测量每个交点处混凝土电位。为了避免参比电极溶液和混凝土OH-的相互作用而引起的电位读数负向偏移，在参比电极下方放一块浸水的海绵。当发现某个位置电位较负时，可能下面的钢筋存在腐蚀。当发现混凝土有剥离时，清除混凝土覆盖层，用新的混凝土修复。

⑤ 由于与修复区临近的区域混凝土中仍含有氯离子，与新修复的区域钢筋相比，电位仍然较负而发生腐蚀，最后将导致需要不停地修复混凝土结构。

4.14.2　混凝土钢筋阴极保护机理

① 在混凝土结构外侧安装阳极网并与电源正极连接，电源负极连接钢筋，由于钢筋电位负向偏移，钢筋附近发生还原反应（O2+2H2O+4e- 4OH-），在钢筋附近产生氢氧根离子，使钢筋附近pH值增大，碱性增强，利于钢筋的钝化。

② 阴极保护电流吸引氯离子离开钢筋，趋向阳极，减少了钢筋附近氯离子含量，腐蚀减缓。

③ 钢筋电位负向偏移，发生阴极极化。

4.14.3　预应力混凝土钢管的结构

预应力混凝土钢管是在带钢筒的混凝土管上缠绕一层或两层预应力钢筋，并用混凝土砂浆浇筑制成，广泛应用于城市输配水系统。管段采用承插口连接，具有一定的柔性以适应基础的沉降。由于具有混凝土保护层，钢筋的腐蚀程度大幅度降低，延长了钢筋的使用寿命。

4.14.4　混凝土钢筋所处环境腐蚀性的判断[4]

混凝土钢筋腐蚀分析见表4-13。

4.14.5　预应力混凝土管道阴极保护电流密度

对于新建的混凝土外表面涂有沥青漆的管道，保护电流密度取0.2mA/m2；对于混凝土外表面没有沥青漆的管道，保护电流密度取0.4mA/m2。对于老管道，以实际测量电流密度为准或选用0.35～0.55mA/m2。

4.14.6　预应力混凝土管道阴极保护准则

① 钢筋的断电电位与自然电位之差大于100mV；

② 钢筋的断电电位不得负于-1000mV（CSE）。

为了防止过保护而引起的钢筋氢脆，多采用锌阳极进行保护，根据土壤电阻率的不同，选用不同形状及数量的阳极，用填包料填包后沿管道均匀布置。为了保证管道的电连续性，在混凝土管接口处要做跨接。

为了测量钢筋的断电电位，常采用极化探头进行断电电位测量，探头由浇筑在混凝土中的钢筋制成，埋设在混凝土管附近，与管道一样受到阴极保护，测量时瞬时断开。也可以选择一些典型的独立管段，牺牲阳极通过测试桩与管道连接，测量时临时断开牺牲阳极与管道的连接，测量管道的断电电位。

4.14.7　混凝土钢筋阴极保护设计

在混凝土钢筋阴极保护设计过程中，首先根据土壤电阻率及阳极的输出电流能力（锌阳极的驱动电压选用0.60V），计算阳极的需求量，再核算阳极的使用寿命，计算阳极的用量。选用较大的阳极用量，并选择1.5倍的设计安全系数。将阳极沿输水管道均布。由于预应力混凝土输水管道对保护电位比较敏感，为了防止过保护带来的氢致钢筋断裂等问题，多采用牺牲阳极阴极保护，并以锌阳极为主。