钢筋混凝土结构应用阴极保护防止钢筋腐蚀

孟繁强

　　前 言：钢筋混凝土结构是公认的一种经济、耐用、力学性能好的材料，广泛应用于建筑＼桥梁。然而在座落于海水等强腐蚀环境中的钢筋混凝土构筑物，时刻都在发生着严重危害建筑物安全的腐蚀行为。本文将分析它的腐蚀特点并重点介绍运用阴极保护防止腐蚀的方法。
　　关键词：钢筋混凝土、腐蚀、阴极保护

1 钢筋混凝土的腐蚀

　　钢筋混凝土是一种复合材料，钢筋承受拉力，混凝土承受压力，在正常的状况下，混凝土为钢筋提供了一个保护环境。普通硅酸盐水泥水化后，硅酸盐成分起反应生成钙硅酸盐水化物和氢氧化钙，另外水泥成分中的石灰和水快速反应转变为氢氧化钙。
　　1、2（3CaO.SiO₂)+6H₂O→3CaO.2SiO₂.3H₂O+3Ca(OH)₂
　　2、2（2CaO.SiO₂)+4H₂O→3CaO.2SiO₂.3H₂O+Ca(OH)₂
　　3、 2Ca+2H₂O→2Ca(OH)₂

　　 一个完全水化的硅酸盐水泥最初的成分中含匕一30％氢氧化钙（重量），当这些氢氧化物溶解于水时能和其它种成分结合在一起。此时钢筋周围处于pH值为12－13的碱性环境中，在钢的表面生成了一层γFeO₃保护膜，结果是钢筋位于布拜图（金属在不同pH值和
不同电位值的腐蚀状态图）的钝化区之内，见左图。又因为混凝土层对腐蚀介质有一定的阻
碍作用，因此在一般腐蚀环境中钢筋的腐蚀程度很轻。
　　混凝土中钢筋的抗腐蚀的能力在某些介质中可以被破坏，首先，环境中的某些成分可以和氢氧化钙发生反应，导致pH值降低。第二，强穿透离子的存在，例如氯离子可以破坏保护膜。在这两种情况下钢铁表面就暴露于腐蚀环境中。
　　前者的一个例子是二氧化碳碳化，当暴露在含二氧化碳的大气中时，混凝土中的氢氧化钙就与二氧化碳发生如下反应。
　　　　　　　　　　 Ca(OH）₂＋CO₂→CaCO₃+H₂O
　　这个反应最终的结果使钢筋混凝土的强度得到轻微的提高，此时pH值降低至8－8．5，因为钢表面的pH值处于大于或等于10．5时才形成钝态的氧化膜，所以此时钢筋处于非保护状态。
　　混凝土所处环境中的氯离子由于半径小、穿透力强，所以能够通过混凝土的微小孔隙，到达混凝土内的钢筋表面，而氯离子对钢筋表面生成的钝化膜有非常强的破坏能力，使金属的钝态不能建立，造成钢筋的严重腐蚀与开裂，这种腐蚀开裂的原因是铁腐蚀产物体积比原来铁的体积大的多。如Fe（OH）2体积是铁的4倍，Fe3O4的体积是铁的8倍，从而产生较大的突变应力，这一应力大大超出混凝土的抗拉强度，引起混凝土的开裂和剥落，这时环境中更多的腐蚀介质会接触到钢筋，促进钢筋的进一步腐蚀。
　　氯离子进入混凝土中有几种途径，例如：结构处于海水环境中、使用路面除冰盐、沿海地区的盐雾污染，另外使用氯化钙早强剂也产生了大量的含氯污染物，还有，使用未充分清洗的海砂，也增加了氯离子的来源。
　　在钢筋上引导腐蚀，氯离子的浓度是一个重要的标准。在碱性溶液中已经进行了很多调查，证明即使在浓度低于水泥重量的0.001％也可导致腐蚀的开始。然而从现场经验和植入混凝土的电极工作来看，在浓度为0.1－0.2％的时候，能发生较低程度的腐蚀。因此，采用溶解状态的氯占水泥含量的0.15％作为是否考虑采用防腐措施的准则。

2 钢筋混凝土的常规防腐措施

　　可分为两大类：针对混凝土方面，低渗透混凝土和增加保护层厚度，适当厚度的保护层和低的水灰比可增加氯离子到达钢筋的时间，一些添加物可减小混凝土中的孔隙。浸透涂层可将混凝土的孔隙进行封闭使混凝上更加密实，防渗水膜可以阻止氯离子等物质的进入。
　　针对钢筋方面，可采用环氧粉末喷涂的钢筋以及电镀钢筋等方案。
　　以上方法虽然能在一定程度上阻止腐蚀的发生，但都或多或少的存在一些不足之处。因此下面就介绍根本的解决方案——阴极保护。

3 阴极保护法（CP）

　　前面介绍了钢筋在海水中的腐蚀过程是一个电化学过程，铁表面失去电子发生阳极氧化反应，阴极保护法就是利用了它的电化学腐蚀原理，通过人为给它施加负向电流，从而金属表面的反应由原来的失去电子的氧化反应，成为得电子的还原反应，从而使金属的腐蚀不再发生。阴极保护在钢筋表面上提供了一个小的直流电流，使它的氧化反应停止。通过在混凝土表面或内部安装阳极。使它们与外部电源连接，钢筋作为阴极，阴阳极通过在混凝土中完成电池回路。为了使离子在两极间移动，要有必须的电解质存在。
　　阴极保护技术在埋地管道中应用最多，我国已有相应的规范，和较成熟的工艺。近十几年，国际上已在钢筋混凝土路、桥上的防腐蚀中应用了阴极保护技术，收效甚佳。
　　据英国刊物报导，有7座桥梁应用了阴极保护，效果很好，桥梁应用了阴极保护后，其寿命可以延长40年。
　　在混凝土钢筋上应用阴极保护并不是最近的事。在1966年南非的大桥环形横梁上进行了试验。美国的工作开始于1973年，应用于座落于加利福尼亚州内华达山著名的州际80号大桥。在欧洲和南美也都有这样的例子。包括混凝土涂层管道，桥梁和海上设施。

4 阴极保护（CP）的实施

　　CP方法有下列两种：牺牲CP和外加电流CP。
　　牺牲CP被认为是一种被动方法，牺牲CP是基于两种金属不同的腐蚀电位的原理。钢筋保护中的牺牲阳极是锌或铝块，以及热喷锌、锌铝铝合金。块状阳极用于保护埋地或浸于电解质中混凝土的保护，热喷阳极用于暴露于大气中的混凝土，牺牲CP的优点是无需外部电源，然而它会溶解和消耗，牺牲CP主要应用于已建成混凝土结构的修复，它的寿命不长（10－15年），它在到达年限时就消耗完了。
　　外加电流CP被认为是一种主动的方法，采用整流器以及惰性阳极（如：改进的钛），把金属结构作为阴极进行保护。一个低的直流电流从阳极通过混凝土流到钢筋的表面，这个系统的优点是可通过调整电源输出来调节流到钢筋上的电流。外加电流CP已经作为一项修复技术应用于含盐混凝土中有20年。
　　一个CP系统成功的基本因素是阳极布置方式，它使电流能通过整个结构，这对于高电阻车的混凝上介质来说尤其重要。
　　在所有情况下，都必须对结构进行预处理，并且受保护的钢筋必须保持电的连续性，以得到保护。对主要结构来说，钢筋的接地电阻应该足够小，其值为0.1－0.3欧姆。钢筋可能没有足够的电连续性，在这种情况下，必须提供电连接，以使钢筋内部消除非连续性，从而成为CP系统的单一阴极。此时混凝土充当电解质，提供离子在阴、阳极间移动，如果大面积的开裂、分层、阴阳极间任何型式的聚合成份的存在，都会导致系统的无效或不适用，”因此，发生如上所列情况，恰当的检查和修补工作应在应用CP之前进行。

5 两种典型的CP系统；

　　钛基阳极的设计和安装
　　钛基网状阳极是外加CP上的辅助阳极，第一个钛网阳极是1985年安装在加拿大安大略省的一座大桥上，此种阳极已在全世界安装了一百万m2的混凝土结构。钛基阳极的主要优点是它的排流量大（＜108mA／mA／m²），预期寿命长（正常可达到75年）。钛基阳极可以做成各种形状，钢筋CP中应用的阳极，希望做成网状或带状网，对于新建结构可考虑采用钛带网，为了避免由于阳极的表面产物而影响阳极与水泥浆的粘结，钛阳极表面的电流密度应限制在108mA/m²。实际上这些阳极可以在短时间内达到400mA／m²的电流密度，而对阳极周围的混凝土没有损坏。
　　带状钛基阳极对于新建混凝土结构是非常合适的，阳极可以通过非金属的夹子固定在钢筋笼上。通过混凝上形成电流回路，为了避免阳极和钢筋间的电连接。它们之间的距离应至少有13mm的距离。
　　带状阳极固定在钢筋笼中，在混凝土浇注中应有很少的截面和尽可能少地占用空间（图4）。建议在混凝土浇注过程中应对阳极进行电监测以确保阳极和钢筋之间没有短路。当混凝土固化后，发现有短路情况时，要提供一个高的电流密度，达到2A／m²，并持续时间小于1分钟。这个程序会破坏掉短路通道的接触，并对混凝土、阳极、钢筋产生最小的影响。
　　钢筋单位面积上的电流需要量可以从氯离子的含量上进行评估。数据表明：未被氯污染的新混凝土结构的达到极化标准的电流密度为1－2mA／m2，电压为2.0－3.5V。新的欧洲钢筋混凝土CP标准中典型的CP操作电流密度为0.2－2mA/m2，已有盐污染的则为2－
20mA／m2。
　　牺牲性锌板阳极
　　牺牲CP中应用的阳极一般为锌或铝基阳极，现在介绍的这个CP系统由一个符合ASTM B69－92规格的牺牲性锌板阳极组成，它被安装在V型桥墩罩的混凝土表面。为把阳极粘到混凝土表面并促进混凝土表面的保护电流分配，使用了导电胶。这种导电胶和两边都有很好的粘合功能，可以将阳极与导电胶先组装在一起，然后再与不规则混凝土表面之间进行粘结，此系统锌板的尺寸是长68.6cm，宽68.6cm，厚0.23cm，在锌板的一端，一根铜线被焊接到金属板上，以实现和钢筋的连接，连接处要随即用不导电涂层密封。阳极的化学成分是含微量铜、铁和其他金属的99％的纯锌，密度是1.9kg/cm3，每m2质量是17.4kg。
　　导电胶由一个0.16cm厚扁平的导电体和丙烯酸树脂板组成，两面都有粘结性的化合物。它本身具有亲水性并能保持离子传导性，即使在低湿环境下，也是如此。胶的聚合物化学链由碳一碳单链组成，使它能较好地抵抗热量、紫外线辐射和化学侵蚀。在安装期间，导电胶对保证安装完毕后的阳极处于正确位置起着重要作用。

6 结语：

　　阴极保护应用于钢筋混凝土结构在我国沿处于研究阶段，工程实例较少，但它的优越性是毋庸置疑的。值得我们下力气进行研究和开发。