阴极保护技术的应用

处于pH值12～13的碱性环境中,在钢的表面生成了一层γ-Fe2O3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。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与氢氧化钙发生反应,导致pH值降低。第二,强穿透离子例如氯离子的存在,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混凝土的强度得到轻微的提高,但pH值降低至8～8.5时,钢筋处于非保护状态。因为钢表面的pH值处于≥10.5时才形成钝化的氧化膜。

氯离子半径小、穿透力强,所以能够通过混凝土的微小孔隙,达到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混凝土开裂,这种腐蚀开裂的原因是铁腐蚀产物的体积比原来铁的体积大得多。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。

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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、路面使用除冰盐、沿海地区的盐雾污染,等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。

钢筋引发腐蚀,氯离子的浓度是一个重要的指标。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%就可导致腐蚀的开始。然而从现场经验和植入混凝土的电极工作来看,较低程度的腐蚀发生在氯离子浓度为0.1%～0.2%的时候,因此,采用溶解状态的氯占水泥含量的0·15%是否可作为考虑采用防腐蚀措施的准则。

钢筋混凝土的防腐蚀措施

常规的防腐蚀措施可分为两大类:针对混凝土方面,采用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延长氯离子到达钢筋的时间,一些添加物可减少混凝土中的孔隙。浸透涂层可封闭混凝土的孔隙,使混凝土更加密实,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,但都存在不足之处。下面介绍根本的解决方案———阴极保护。 阴极保护法cp

钢筋在海水中的腐蚀是一个电化学过程,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

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给它施加负向电流,金属表面的反应由原来的失去电子的氧化反应,成为得到电子的还原反应,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、阳极在混凝土中完成电池回路。为了使离子在两极间移动,必须要有电解质存在。

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。近几十年,国外已经开始在钢筋混凝土路、桥的防腐蚀中应用阴极保护技术,收效甚佳。

据英国刊物报道,有7座桥梁应用了阴极保护,效果很好,使用寿命可以延长40年。

在混凝土钢筋上应用阴极保护并不是最近的事。1966年在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,应用在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。 阴极保护的实施

CP方法有两种:牺牲阳极CP和外加电流CP。

(1)牺牲阳极CP被认为是一种被动方法,牺牲阳极CP是基于两种金属不同的腐蚀电位的原理。钢筋CP中使用的牺牲阳极是锌或铝块,以及热喷锌、锌铝铟合金。块状阳极用于保护埋地或浸于电解质中混凝土的保护,热喷涂阳极用于暴露于大气中的混凝土。牺牲阳极CP的优点是无需外部电源,然而它本身会溶解和消耗,牺牲阳极CP主要应

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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。

(2)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:钛基阳极),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作为一项修复技术应用于含盐混凝土中已经有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,这对于高电阻率的混凝土介质来说尤其重要。在所有情况下,都必须对结构进行预处理,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0.1～0.3Ω。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,阴阳极间任何形式的聚合成份的存在,都会导致系统的无效或不适用。如发生上述情况,恰当的检查和修补工作应在应用CP之前进行。 结语

阴极保护技术作为一项效果好、应用领域广的防腐蚀技术，其使用效果已经得到了大家的认可。在我国，阴极保护最早主要应用于石油化工、船舶等领域，近年来随着东海大桥、杭州湾大桥、青岛跨海大桥等跨海大桥的修建，在桥梁、港口等众多领域都得到了推广。相信随着众多领域对腐蚀控制的重视，经过我们广大防腐蚀工作者的努

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力，阴极保护将在我国得到更大发展，为更多构筑物、设备提供防腐蚀保护。 参考文献

1.颜东洲 黄海 李春燕 国内外阴极保护技术的发展和进展 （中国工业防腐蚀技术协会，北京 100101）

2. 孟繁强,陈向上,刘斌,薛致远,孟庆海 用阴极保护防止混凝土结构的钢筋腐蚀 （天津市管道工程集团有限公司,天津30016） 3. 张学元,杜元龙,史志明.钢筋混凝土腐蚀与防护的技术发展动态[J].腐蚀与防护, 1999, 20(1): 9~12.

4.黄永昌.钢筋混凝土构筑物的阴极保护[J].腐蚀与防护, 2000, 21(10): 471~475.

5.胡学文，许崇武．接地网外加电流阴极保护示范工程．广东输电与变电技术，2003（1）．

6.宋金会，邹向东．郑州市天然气管网阴极保护系统的特点及运行管理．第三届中国国际腐蚀控制大会技术推广文集，2005．

7. 魏宝明,储炜,汪鹰.混凝土中钢筋的腐蚀与防护[J].腐蚀与防护, 1999, 20(2): 56~58.

8. 李正家．通信用太阳电池电源国内外发展概况及趋向．电信科学，1988（3）．

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