鋼筋混凝土結構是公認的一種經濟、耐用、力學性能好的材料，廣泛應用于建筑\橋梁。然而在座落于海水等強腐蝕環境中的鋼筋混凝土構筑物，時刻都在發生著嚴重危害建筑物安全的腐蝕行為。本文將分析它的腐蝕特點并重點介紹運用陰極保護防止腐蝕的方法。
 

    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保護環境。普通硅酸鹽水泥水化后，硅酸鹽成分起反應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轉變為氫氧化鈣。

    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），當這些氫氧化物溶解于水時能和其它種成分結合在一起。此時鋼筋周圍處于pH值為12-13的堿性環境中，在鋼的表面生成了一層γFeO3保護膜，結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圖）的鈍化區之內，見左圖。又因為混凝土層對腐蝕介質有一定的阻

    礙作用，因此在一般腐蝕環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中可以被破壞，首先，環境中的某些成分可以和氫氧化鈣發生反應，導致pH值降低。第二，強穿透離子的存在，例如氯離子可以破壞保護膜。在這兩種情況下鋼鐵表面就暴露于腐蝕環境中。

    前者的一個例子是二氧化碳碳化，當暴露在含二氧化碳的大氣中時，混凝土中的氫氧化鈣就與二氧化碳發生如下反應。

    Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

    這個反應最終的結果使鋼筋混凝土的強度得到輕微的提高，此時pH值降低至8-8.5,因為鋼表面的pH值處于大于或等于10.5時才形成鈍態的氧化膜，所以此時鋼筋處于非保護狀態。

    混凝土所處環境中的氯離子由于半徑小、穿透力強，所以能夠通過混凝土的微小孔隙，到達混凝土內的鋼筋表面，而氯離子對鋼筋表面生成的鈍化膜有非常強的破壞能力，使金屬的鈍態不能建立，造成鋼筋的嚴重腐蝕與開裂，這種腐蝕開裂的原因是鐵腐蝕產物體積比原來鐵的體積大的多。如Fe（OH）2體積是鐵的4倍，Fe3O4的體積是鐵的8倍，從而產生較大的突變應力，這一應力大大超出混凝土的抗拉強度，引起混凝土的開裂和剝落，這時環境中更多的腐蝕介質會接觸到鋼筋，促進鋼筋的進一步腐蝕。

    氯離子進入混凝土中有幾種途徑，例如：結構處于海水環境中、使用路面除冰鹽、沿海地區的鹽霧污染，另外使用氯化鈣早強劑也產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源。

    在鋼筋上引導腐蝕，氯離子的濃度是一個重要的標準。在堿性溶液中已經進行了很多調查，證明即使在濃度低于水泥重量的0.001%也可導致腐蝕的開始。然而從現場經驗和植入混凝土的電極工作來看，在濃度為0.1-0.2%的時候，能發生較低程度的腐蝕。因此，采用溶解狀態的氯占水泥含量的0.15%作為是否考慮采用防腐措施的準則。

    2 鋼筋混凝土的常規防腐措施

    可分為兩大類：針對混凝土方面，低滲透混凝土和增加保護層厚度，適當厚度的保護層和低的水灰比可增加氯離子到達鋼筋的時間，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行封閉使混凝上更加密實，防滲水膜可以阻止氯離子等物質的進入。

    針對鋼筋方面，可采用環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。

    3 陰極保護法（CP）

    前面介紹了鋼筋在海水中的腐蝕過程是一個電化學過程，鐵表面失去電子發生陽極氧化反應，陰極保護法就是利用了它的電化學腐蝕原理，通過人為給它施加負向電流，從而金屬表面的反應由原來的失去電子的氧化反應，成為得電子的還原反應，從而使金屬的腐蝕不再發生。陰極保護在鋼筋表面上提供了一個小的直流電流，使它的氧化反應停止。通過在混凝土表面或內部安裝陽極。使它們與外部電源連接，鋼筋作為陰極，陰陽極通過在混凝土中完成電池回路。為了使離子在兩極間移動，要有必須的電解質存在。

    陰極保護技術在埋地管道中應用最多，我國已有相應的規范，和較成熟的工藝。近十幾年，國際上已在鋼筋混凝土路、橋上的防腐蝕中應用了陰極保護技術，收效甚佳。

    據英國刊物報導，有7座橋梁應用了陰極保護，效果很好，橋梁應用了陰極保護后，其壽命可以延長40年。

    在混凝土鋼筋上應用陰極保護并不是最近的事。在1966年南非的大橋環形橫梁上進行了試驗。美國的工作開始于1973年，應用于座落于加利福尼亞州內華達山著名的州際80號大橋。在歐洲和南美也都有這樣的例子。包括混凝土涂層管道，橋梁和海上設施。

    4 陰極保護（CP）的實施

    CP方法有下列兩種：犧牲CP和外加電流CP.

    犧牲CP被認為是一種被動方法，犧牲CP是基于兩種金屬不同的腐蝕電位的原理。鋼筋保護中的犧牲陽極是鋅或鋁塊，以及熱噴鋅、鋅鋁鋁合金。塊狀陽極用于保護埋地或浸于電解質中混凝土的保護，熱噴陽極用于暴露于大氣中的混凝土，犧牲CP的優點是無需外部電源，然而它會溶解和消耗，犧牲CP主要應用于已建成混凝土結構的修復，它的壽命不長（10-15年），它在到達年限時就消耗完了。

    外加電流CP被認為是一種主動的方法，采用整流器以及惰性陽極（如：改進的鈦），把金屬結構作為陰極進行保護。一個低的直流電流從陽極通過混凝土流到鋼筋的表面，這個系統的優點是可通過調整電源輸出來調節流到鋼筋上的電流。外加電流CP已經作為一項修復技術應用于含鹽混凝土中有20年。

    一個CP系統成功的基本因素是陽極布置方式，它使電流能通過整個結構，這對于高電阻車的混凝上介質來說尤其重要。

    在所有情況下，都必須對結構進行預處理，并且受保護的鋼筋必須保持電的連續性，以得到保護。對主要結構來說，鋼筋的接地電阻應該足夠小，其值為0.1-0.3歐姆。鋼筋可能沒有足夠的電連續性，在這種情況下，必須提供電連接，以使鋼筋內部消除非連續性，從而成為CP系統的單一陰極。此時混凝土充當電解質，提供離子在陰、陽極間移動，如果大面積的開裂、分層、陰陽極間任何型式的聚合成份的存在，都會導致系統的無效或不適用，“因此，發生如上所列情況，恰當的檢查和修補工作應在應用CP之前進行。

    5 兩種典型的CP系統；

    鈦基陽極的設計和安裝

    鈦基網狀陽極是外加CP上的輔助陽極，第一個鈦網陽極是1985年安裝在加拿大安大略省的一座大橋上，此種陽極已在全世界安裝了一百萬m2的混凝土結構。鈦基陽極的主要優點是它的排流量大（<108mA/mA/m2），預期壽命長（正常可達到75年）。鈦基陽極可以做成各種形狀，鋼筋CP中應用的陽極，希望做成網狀或帶狀網，對于新建結構可考慮采用鈦帶網，為了避免由于陽極的表面產物而影響陽極與水泥漿的粘結，鈦陽極表面的電流密度應限制在108mA/m2.實際上這些陽極可以在短時間內達到400mA/m2的電流密度，而對陽極周圍的混凝土沒有損壞。

    帶狀鈦基陽極對于新建混凝土結構是非常合適的，陽極可以通過非金屬的夾子固定在鋼筋籠上。通過混凝上形成電流回路，為了避免陽極和鋼筋間的電連接。它們之間的距離應至少有13mm的距離。

    帶狀陽極固定在鋼筋籠中，在混凝土澆注中應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程中應對陽極進行電監測以確保陽極和鋼筋之間沒有短路。當混凝土固化后，發現有短路情況時，要提供一個高的電流密度，達到2A/m2,并持續時間小于1分鐘。這個程序會破壞掉短路通道的接觸，并對混凝土、陽極、鋼筋產生最小的影響。

    鋼筋單位面積上的電流需要量可以從氯離子的含量上進行評估。數據表明：未被氯污染的新混凝土結構的達到極化標準的電流密度為1-2mA/m2,電壓為2.0-3.5V.新的歐洲鋼筋混凝土CP標準中典型的CP操作電流密度為0.2-2mA/m2,已有鹽污染的則為2-

    20mA/m2.

    犧牲性鋅板陽極

    犧牲CP中應用的陽極一般為鋅或鋁基陽極，現在介紹的這個CP系統由一個符合ASTM B69-92規格的犧牲性鋅板陽極組成，它被安裝在V型橋墩罩的混凝土表面。為把陽極粘到混凝土表面并促進混凝土表面的保護電流分配，使用了導電膠。這種導電膠和兩邊都有很好的粘合功能，可以將陽極與導電膠先組裝在一起，然后再與不規則混凝土表面之間進行粘結，此系統鋅板的尺寸是長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，以實現和鋼筋的連接，連接處要隨即用不導電涂層密封。陽極的化學成分是含微量銅、鐵和其他金屬的99%的純鋅，密度是1.9kg/cm3,每m2質量是17.4kg.

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

    6 結語：

    陰極保護應用于鋼筋混凝土結構在我國沿處于研究階段，工程實例較少，但它的優越性是毋庸置疑的。值得我們下力氣進行研究和開發。

責任編輯：班英飛

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