鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是公認(rèn)的一種經(jīng)濟(jì)、耐用、力學(xué)性能好的材料，廣泛應(yīng)用于建筑\橋梁。然而在座落于海水等強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土構(gòu)筑物，時(shí)刻都在發(fā)生著嚴(yán)重危害建筑物安全的腐蝕行為。本文將分析它的腐蝕特點(diǎn)并重點(diǎn)介紹運(yùn)用陰極保護(hù)防止腐蝕的方法。
 

    1 鋼筋混凝土的腐蝕

    鋼筋混凝土是一種復(fù)合材料，鋼筋承受拉力，混凝土承受壓力，在正常的狀況下，混凝土為鋼筋提供了一個(gè)保護(hù)環(huán)境。普通硅酸鹽水泥水化后，硅酸鹽成分起反應(yīng)生成鈣硅酸鹽水化物和氫氧化鈣，另外水泥成分中的石灰和水快速反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸}。

    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

    一個(gè)完全水化的硅酸鹽水泥最初的成分中含匕一30%氫氧化鈣（重量），當(dāng)這些氫氧化物溶解于水時(shí)能和其它種成分結(jié)合在一起。此時(shí)鋼筋周圍處于pH值為12-13的堿性環(huán)境中，在鋼的表面生成了一層γFeO3保護(hù)膜，結(jié)果是鋼筋位于布拜圖（金屬在不同pH值和

    不同電位值的腐蝕狀態(tài)圖）的鈍化區(qū)之內(nèi)，見(jiàn)左圖。又因?yàn)榛炷翆訉?duì)腐蝕介質(zhì)有一定的阻

    礙作用，因此在一般腐蝕環(huán)境中鋼筋的腐蝕程度很輕。

    混凝土中鋼筋的抗腐蝕的能力在某些介質(zhì)中可以被破壞，首先，環(huán)境中的某些成分可以和氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致pH值降低。第二，強(qiáng)穿透離子的存在，例如氯離子可以破壞保護(hù)膜。在這兩種情況下鋼鐵表面就暴露于腐蝕環(huán)境中。

    前者的一個(gè)例子是二氧化碳碳化，當(dāng)暴露在含二氧化碳的大氣中時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣就與二氧化碳發(fā)生如下反應(yīng)。

    Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

    這個(gè)反應(yīng)最終的結(jié)果使鋼筋混凝土的強(qiáng)度得到輕微的提高，此時(shí)pH值降低至8-8.5,因?yàn)殇摫砻娴膒H值處于大于或等于10.5時(shí)才形成鈍態(tài)的氧化膜，所以此時(shí)鋼筋處于非保護(hù)狀態(tài)。

    混凝土所處環(huán)境中的氯離子由于半徑小、穿透力強(qiáng)，所以能夠通過(guò)混凝土的微小孔隙，到達(dá)混凝土內(nèi)的鋼筋表面，而氯離子對(duì)鋼筋表面生成的鈍化膜有非常強(qiáng)的破壞能力，使金屬的鈍態(tài)不能建立，造成鋼筋的嚴(yán)重腐蝕與開(kāi)裂，這種腐蝕開(kāi)裂的原因是鐵腐蝕產(chǎn)物體積比原來(lái)鐵的體積大的多。如Fe（OH）2體積是鐵的4倍，F(xiàn)e3O4的體積是鐵的8倍，從而產(chǎn)生較大的突變應(yīng)力，這一應(yīng)力大大超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，引起混凝土的開(kāi)裂和剝落，這時(shí)環(huán)境中更多的腐蝕介質(zhì)會(huì)接觸到鋼筋，促進(jìn)鋼筋的進(jìn)一步腐蝕。

    氯離子進(jìn)入混凝土中有幾種途徑，例如：結(jié)構(gòu)處于海水環(huán)境中、使用路面除冰鹽、沿海地區(qū)的鹽霧污染，另外使用氯化鈣早強(qiáng)劑也產(chǎn)生了大量的含氯污染物，還有，使用未充分清洗的海砂，也增加了氯離子的來(lái)源。

    在鋼筋上引導(dǎo)腐蝕，氯離子的濃度是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)。在堿性溶液中已經(jīng)進(jìn)行了很多調(diào)查，證明即使在濃度低于水泥重量的0.001%也可導(dǎo)致腐蝕的開(kāi)始。然而從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和植入混凝土的電極工作來(lái)看，在濃度為0.1-0.2%的時(shí)候，能發(fā)生較低程度的腐蝕。因此，采用溶解狀態(tài)的氯占水泥含量的0.15%作為是否考慮采用防腐措施的準(zhǔn)則。

    2 鋼筋混凝土的常規(guī)防腐措施

    可分為兩大類：針對(duì)混凝土方面，低滲透混凝土和增加保護(hù)層厚度，適當(dāng)厚度的保護(hù)層和低的水灰比可增加氯離子到達(dá)鋼筋的時(shí)間，一些添加物可減小混凝土中的孔隙。浸透涂層可將混凝土的孔隙進(jìn)行封閉使混凝上更加密實(shí)，防滲水膜可以阻止氯離子等物質(zhì)的進(jìn)入。

    針對(duì)鋼筋方面，可采用環(huán)氧粉末噴涂的鋼筋以及電鍍鋼筋等方案。

    以上方法雖然能在一定程度上阻止腐蝕的發(fā)生，但都或多或少的存在一些不足之處。因此下面就介紹根本的解決方案--陰極保護(hù)。

    3 陰極保護(hù)法（CP）

    前面介紹了鋼筋在海水中的腐蝕過(guò)程是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，鐵表面失去電子發(fā)生陽(yáng)極氧化反應(yīng)，陰極保護(hù)法就是利用了它的電化學(xué)腐蝕原理，通過(guò)人為給它施加負(fù)向電流，從而金屬表面的反應(yīng)由原來(lái)的失去電子的氧化反應(yīng)，成為得電子的還原反應(yīng)，從而使金屬的腐蝕不再發(fā)生。陰極保護(hù)在鋼筋表面上提供了一個(gè)小的直流電流，使它的氧化反應(yīng)停止。通過(guò)在混凝土表面或內(nèi)部安裝陽(yáng)極。使它們與外部電源連接，鋼筋作為陰極，陰陽(yáng)極通過(guò)在混凝土中完成電池回路。為了使離子在兩極間移動(dòng)，要有必須的電解質(zhì)存在。

    陰極保護(hù)技術(shù)在埋地管道中應(yīng)用最多，我國(guó)已有相應(yīng)的規(guī)范，和較成熟的工藝。近十幾年，國(guó)際上已在鋼筋混凝土路、橋上的防腐蝕中應(yīng)用了陰極保護(hù)技術(shù)，收效甚佳。

    據(jù)英國(guó)刊物報(bào)導(dǎo)，有7座橋梁應(yīng)用了陰極保護(hù)，效果很好，橋梁應(yīng)用了陰極保護(hù)后，其壽命可以延長(zhǎng)40年。

    在混凝土鋼筋上應(yīng)用陰極保護(hù)并不是最近的事。在1966年南非的大橋環(huán)形橫梁上進(jìn)行了試驗(yàn)。美國(guó)的工作開(kāi)始于1973年，應(yīng)用于座落于加利福尼亞州內(nèi)華達(dá)山著名的州際80號(hào)大橋。在歐洲和南美也都有這樣的例子。包括混凝土涂層管道，橋梁和海上設(shè)施。

    4 陰極保護(hù)（CP）的實(shí)施

    CP方法有下列兩種：犧牲CP和外加電流CP.

    犧牲CP被認(rèn)為是一種被動(dòng)方法，犧牲CP是基于兩種金屬不同的腐蝕電位的原理。鋼筋保護(hù)中的犧牲陽(yáng)極是鋅或鋁塊，以及熱噴鋅、鋅鋁鋁合金。塊狀陽(yáng)極用于保護(hù)埋地或浸于電解質(zhì)中混凝土的保護(hù)，熱噴陽(yáng)極用于暴露于大氣中的混凝土，犧牲CP的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外部電源，然而它會(huì)溶解和消耗，犧牲CP主要應(yīng)用于已建成混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)，它的壽命不長(zhǎng)（10-15年），它在到達(dá)年限時(shí)就消耗完了。

    外加電流CP被認(rèn)為是一種主動(dòng)的方法，采用整流器以及惰性陽(yáng)極（如：改進(jìn)的鈦），把金屬結(jié)構(gòu)作為陰極進(jìn)行保護(hù)。一個(gè)低的直流電流從陽(yáng)極通過(guò)混凝土流到鋼筋的表面，這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)調(diào)整電源輸出來(lái)調(diào)節(jié)流到鋼筋上的電流。外加電流CP已經(jīng)作為一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于含鹽混凝土中有20年。

    一個(gè)CP系統(tǒng)成功的基本因素是陽(yáng)極布置方式，它使電流能通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于高電阻車的混凝上介質(zhì)來(lái)說(shuō)尤其重要。

    在所有情況下，都必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，并且受保護(hù)的鋼筋必須保持電的連續(xù)性，以得到保護(hù)。對(duì)主要結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，鋼筋的接地電阻應(yīng)該足夠小，其值為0.1-0.3歐姆。鋼筋可能沒(méi)有足夠的電連續(xù)性，在這種情況下，必須提供電連接，以使鋼筋內(nèi)部消除非連續(xù)性，從而成為CP系統(tǒng)的單一陰極。此時(shí)混凝土充當(dāng)電解質(zhì)，提供離子在陰、陽(yáng)極間移動(dòng)，如果大面積的開(kāi)裂、分層、陰陽(yáng)極間任何型式的聚合成份的存在，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的無(wú)效或不適用，“因此，發(fā)生如上所列情況，恰當(dāng)?shù)臋z查和修補(bǔ)工作應(yīng)在應(yīng)用CP之前進(jìn)行。

    5 兩種典型的CP系統(tǒng)；

    鈦基陽(yáng)極的設(shè)計(jì)和安裝

    鈦基網(wǎng)狀陽(yáng)極是外加CP上的輔助陽(yáng)極，第一個(gè)鈦網(wǎng)陽(yáng)極是1985年安裝在加拿大安大略省的一座大橋上，此種陽(yáng)極已在全世界安裝了一百萬(wàn)m2的混凝土結(jié)構(gòu)。鈦基陽(yáng)極的主要優(yōu)點(diǎn)是它的排流量大（<108mA/mA/m2），預(yù)期壽命長(zhǎng)（正常可達(dá)到75年）。鈦基陽(yáng)極可以做成各種形狀，鋼筋CP中應(yīng)用的陽(yáng)極，希望做成網(wǎng)狀或帶狀網(wǎng)，對(duì)于新建結(jié)構(gòu)可考慮采用鈦帶網(wǎng)，為了避免由于陽(yáng)極的表面產(chǎn)物而影響陽(yáng)極與水泥漿的粘結(jié)，鈦陽(yáng)極表面的電流密度應(yīng)限制在108mA/m2.實(shí)際上這些陽(yáng)極可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到400mA/m2的電流密度，而對(duì)陽(yáng)極周圍的混凝土沒(méi)有損壞。

    帶狀鈦基陽(yáng)極對(duì)于新建混凝土結(jié)構(gòu)是非常合適的，陽(yáng)極可以通過(guò)非金屬的夾子固定在鋼筋籠上。通過(guò)混凝上形成電流回路，為了避免陽(yáng)極和鋼筋間的電連接。它們之間的距離應(yīng)至少有13mm的距離。

    帶狀陽(yáng)極固定在鋼筋籠中，在混凝土澆注中應(yīng)有很少的截面和盡可能少地占用空間（圖4）。建議在混凝土澆注過(guò)程中應(yīng)對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行電監(jiān)測(cè)以確保陽(yáng)極和鋼筋之間沒(méi)有短路。當(dāng)混凝土固化后，發(fā)現(xiàn)有短路情況時(shí)，要提供一個(gè)高的電流密度，達(dá)到2A/m2,并持續(xù)時(shí)間小于1分鐘。這個(gè)程序會(huì)破壞掉短路通道的接觸，并對(duì)混凝土、陽(yáng)極、鋼筋產(chǎn)生最小的影響。

    鋼筋單位面積上的電流需要量可以從氯離子的含量上進(jìn)行評(píng)估。數(shù)據(jù)表明：未被氯污染的新混凝土結(jié)構(gòu)的達(dá)到極化標(biāo)準(zhǔn)的電流密度為1-2mA/m2,電壓為2.0-3.5V.新的歐洲鋼筋混凝土CP標(biāo)準(zhǔn)中典型的CP操作電流密度為0.2-2mA/m2,已有鹽污染的則為2-

    20mA/m2.

    犧牲性鋅板陽(yáng)極

    犧牲CP中應(yīng)用的陽(yáng)極一般為鋅或鋁基陽(yáng)極，現(xiàn)在介紹的這個(gè)CP系統(tǒng)由一個(gè)符合ASTM B69-92規(guī)格的犧牲性鋅板陽(yáng)極組成，它被安裝在V型橋墩罩的混凝土表面。為把陽(yáng)極粘到混凝土表面并促進(jìn)混凝土表面的保護(hù)電流分配，使用了導(dǎo)電膠。這種導(dǎo)電膠和兩邊都有很好的粘合功能，可以將陽(yáng)極與導(dǎo)電膠先組裝在一起，然后再與不規(guī)則混凝土表面之間進(jìn)行粘結(jié)，此系統(tǒng)鋅板的尺寸是長(zhǎng)68.6cm,寬68.6cm,厚0.23cm,在鋅板的一端，一根銅線被焊接到金屬板上，以實(shí)現(xiàn)和鋼筋的連接，連接處要隨即用不導(dǎo)電涂層密封。陽(yáng)極的化學(xué)成分是含微量銅、鐵和其他金屬的99%的純鋅，密度是1.9kg/cm3,每m2質(zhì)量是17.4kg.

    導(dǎo)電膠由一個(gè)0.16cm厚扁平的導(dǎo)電體和丙烯酸樹脂板組成，兩面都有粘結(jié)性的化合物。它本身具有親水性并能保持離子傳導(dǎo)性，即使在低濕環(huán)境下，也是如此。膠的聚合物化學(xué)鏈由碳一碳單鏈組成，使它能較好地抵抗熱量、紫外線輻射和化學(xué)侵蝕。在安裝期間，導(dǎo)電膠對(duì)保證安裝完畢后的陽(yáng)極處于正確位置起著重要作用。

    6 結(jié)語(yǔ)：

    陰極保護(hù)應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)沿處于研究階段，工程實(shí)例較少，但它的優(yōu)越性是毋庸置疑的。值得我們下力氣進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

責(zé)任編輯：班英飛

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