钢筋混凝土阴极保护系统牺牲阳极

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1、钢筋混凝土阴极保护系统牺牲阳极河南邦信防腐材料有限公司2017年3月钢筋混凝土阴极保护系统中新型一次阳极和二次阳极以及两者的配合使用在研制和实施中 的有关结果。(1) 自行研制的一次阳极电流输出能力和耐蚀性较好且加工方便，价格也较便宜。(2) 二次阳极一一导电混凝土的电阻率较低，达1020cm可以有效地将保护电流铺展开、 使钢筋电位分布均匀，扩大了单只一次阳极的保护范围。(3) 在阴极保护系统使用过程中，一次阳极与二次阳极的配合也很为重要，如何有效地将 两者结合起来对于整个保护系统的保护均匀性有重大的影响。1 钢筋阻锈剂1.1 钢筋阻锈剂的开拓与发展世界上钢筋阻锈剂的研究与使用经历了很长的时期

2、。日本是一个岛国，20世纪50年代 就缺乏建筑用河砂，不得不开发利用海砂，既要解决海洋环境中氯盐腐蚀问题，又要设法防 止海砂中氯盐对钢筋的侵害。1973年在冲绳发电站建设工程中，正式大量使用了钢筋阻锈 剂。以后用量猛增，到1980年，每年有160万m3混凝土使用了钢筋阻锈剂(钢筋阻锈剂每 年用量约11.5万t)。1982年日本制定了钢筋混凝土用防锈剂(JISA6205)工业标准， 建设省还发布指令文件(597号文、142号文等)，要求在使用海砂或环境氯盐可能超标时， 必须使用钢筋阻锈剂。原苏联也是使用钢筋阻锈剂很早的国家，1985年出版了混凝土中钢筋阻锈剂的专 著，并在国标建筑防腐蚀设计规范中

3、纳入钢筋阻锈剂内容。美国以往对钢筋阻锈剂的长期有效性，一直存在较大的争论。只是在最近15年，钢筋 阻锈剂才作为新技术得到迅速发展。经过较长时间的试验研究和工程应用，美国混凝土学会 (AC I)肯定了钢筋阻锈剂的效果，并确认“钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋和阴极保护，是长期 有效的防钢筋锈蚀的措施”。1992年美国公路运输联合会(AASHT0)等三个单位编制并发布 的钢筋混凝土桥梁腐蚀手册，将钢筋阻锈剂作为桥梁防腐蚀的重要措施之一；美国海军 工程服务中心(NFESC)、美国航天局肯尼迪太空中心(NASA KSC)等军工部门，都在大力研究 开发和积极采用钢筋阻锈剂，以与“盐害”作斗争。按照使用方式，美国

4、目前有两大类型的 钢筋阻锈剂产品，一类是掺入混凝土中，称作“掺入型” (DCI)；另一类是涂在混凝土表面， 通过渗透(迁移)到混凝土中，称作“渗入型”(MCI)。其成分大都为无机、有机化学物质。 19951998年，美国曾列国家级研究课题，制定统一的钢筋阻锈剂的评价方法和使用标准。 该研究报告指出：“15年来，钢筋阻锈剂应用日趋普遍，它能长期保护钢筋混凝土、预应力 钢筋混凝土结构，如公路桥及其他结构等，本研究结果将被美国公路运输联合会(AASHTO) 采纳，并推荐纳入混凝土外加剂标准(AASHT0M194)；同时纳入美国混凝土学会(ACI)编 制的混凝土手册，明确推荐在桥及其他结构上使用” 。

5、研究报告还确定，以75年作为钢 筋阻锈剂的有效服务年限。近年来，世界各国钢筋阻锈剂的使用量越来越大。据悉，1993年以前，全世界至少有2 000万m3的混凝土使用了钢筋阻锈剂，而到了 1998年，至少有5亿m3的混凝土使用了钢 筋阻锈剂。可见发展趋势之迅猛。我国在研制、开发钢筋阻锈剂方面起步并不晚，20世纪60年代就有人利用亚硝酸钠作 为钢筋阻锈的成分，试用于混凝土中，并取得一定经验。但是，单纯亚硝酸钠虽有阻锈作用， 同时也存在一定问题，因而没有推广使用。20世纪80年代初，冶金工业部为在渤海湾南岸 开发建设金矿，须解决海盐、海砂、海洋环境对钢筋混凝土建筑物的腐蚀问题，于是列题研 究了复合型钢

6、筋阻锈剂。1985 年，在山东三山岛金矿首次大量使用了由冶金部建筑研究总 院研制的钢筋阻锈剂(RI型)，1991年颁布了国家行业标准，1998年修标钢筋阻锈剂使 用技术规程(YB/T9231-98)。国标工业建筑防腐蚀设计规范(GB50046-95)、海工混 凝土结构技术规范等，都纳入了相关钢筋阻锈剂的内容。在此期间，南京水科院等单位， 也对钢筋阻锈剂进行了卓有成效的研究和应用。目前国内已有成功应用14年的大型工程实 例。1.2 钢筋阻锈剂的分类、作用原理美国曾按照使用方法，将钢筋阻锈剂分为“掺入型”和“迁移型”；按其形态，还可分 为“液体型”和“粉剂型”。在技术、学术方面，通常是按照其作用原

7、理划分类型的，一般 分为以下三种类型：(1) 阳极型钢筋阻锈剂 混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，腐蚀电池分作“阳极区”和“阴极区”。这类阳极型化学物质，是作用于“阳极区”，促使其生成保护膜，通过阻止或减缓阳极过程达到钢 筋阻锈的目的。典型的物质有亚硝酸盐、铬酸盐、硼酸盐等，一般大都有氧化作用。早期曾使用亚硝酸钠，现在大都用亚硝酸钙作为阳极型阻锈成分。以下是亚硝酸盐在钢 筋阳极发生作用的表达式：Fe+OH-+NO-2=N0+YFe00H(1)亚硝酸根(N0-2)促使铁离子(Fe+)生成具有保护作用的钝化膜(YFeOOH)。当有氯盐存 在时，氯盐离子(Cl-)的破坏作用与亚硝酸根的成膜修补作用竞

8、争进行，当“修补”作用大 于“破坏”作用时，钢筋锈蚀便会停止。因此，亚硝酸根必须有足够的量(如NO-2/C1-21), 否则能刺激局部腐蚀(深孔腐蚀)，这种局部腐蚀类型，有可能对钢筋力学性能造成更大的影 响。这正是阳极型钢筋阻锈剂的缺点与不足之处。因此，阳极型又称作“危险性”阻锈剂， 单纯使用亚硝酸盐容易引发上述问题，于是要与能减少这种副作用的其他化学物质合并使 用。目前，美国、日本均发展了一批以亚硝酸钙为主体的钢筋阻锈剂品种。(2) 阴极型钢筋阻锈剂 该类钢筋阻锈剂是在“阴极区”起作用，作用原理有“成膜说”、“吸附说”等，这类化学物质能在“阴极区”形成膜或吸附于阴极表面，从而阻止或减缓电化学

9、反应的阴极过程 (如氧的去极化过程)。这类化学物质大都为表面活性剂，如高级脂肪酸的胺盐、磷酸酯类等。阴极型钢筋阻锈剂比较安全，但其有效性不易达到很高的水平，价格也相对高些。可单 独使用，更好的用法是与其他类型相搭配。(3) 综合型钢筋阻锈剂 有些化学物质，对于阴极、阳极反应都有抑制作用，甚至还能提高阴、阳极之间的电阻。但实际中的综合型钢筋阻锈剂，多半是各种功能的化学物质的合理搭配。更确切应该称作“复合型钢筋阻锈剂”。复合型钢筋阻锈剂兼有单一型的优点，克服其不足，是目前国内外 发展的方向。国外不少新品种的钢筋阻锈剂均为“复合型”(“单一型”是早年的产品，现 在已很少单独使用)。国内，冶金部建筑研

10、究总院研制的RI系列产品，就是属于复合型钢筋 阻锈剂。钢筋阻锈剂的实际功能，不是阻止环境中有害离子进入混凝土中，而是当有害离子不可 避免的进入混凝土内之后，由于钢筋阻锈剂的存在，使有害离子丧失侵害能力。实际是钢筋 阻锈剂抑制、阻止、延缓了钢筋腐蚀的电化学过程，从而达到延长结构物使用寿命的目的。1.3 钢筋阻锈剂的优缺点分析钢筋阻锈剂的主要优点：(1) 一次性使用而长期有效，能满足50 年以上设计寿命要求。(2) 与环氧涂层钢筋、阴极保护相比，采用钢筋阻锈剂花费最少；包括与外涂层相比， 采用钢筋阻锈剂也是施工最简单、方便，最节省劳动力的。此外，钢筋阻锈剂一次性掺入混 凝土中之后，在寿命期内不需维

11、护，这就节省大量的维修费，其长远效益十分明显。美国“全 寿命经济分析”表明，采用钢筋阻锈剂的经济效果是最优的。(3) 使用范围广，可用于工业建筑、海工水工工程、立交桥和公路桥、盐碱地建设工程 及低碱度水泥等，并可用于大量修复工程中。特别对氯盐环境有效。钢筋阻锈剂的主要缺点：(1) 不宜在酸性环境中使用。(2) 钢筋阻锈剂的有效性与混凝土质量关系密切，优质混凝土能更好的发挥其阻锈功能； 相反，质量低劣的混凝土中，即使使用了钢筋阻锈剂，也难以保证其耐久性使用。此外，在 特殊腐蚀条件下，仅靠钢筋阻锈剂不能实现长期保护的目的，有时需要与外涂层或环氧涂层 钢筋等联合使用。(3) 钢筋阻锈剂的成分大都是化

12、学物质，有些品种不适合于在饮用水系统中使用。2 阴极保护阴极保护用锌铝合金牺牲阳极2.1 阴极保护原理与在钢筋混凝土结构上的应用阴极保护是最常用、很有效的电化学保护方法，已有百年的应用历史。通常使用于水下、 地下金属管道、设施、钢管桩、海洋平台等。由于混凝土中钢筋的腐蚀业已成为当今世界的 重大问题，阴极保护技术也引入对钢筋保护的领域。由于混凝土的特殊性，特别是对暴露于 大气中的钢筋混凝土结构的阴极保护，与常规水下、地下金属体的阴极保护相比，增加了难 度和具备一些独特的技术要素。以前曾专门论述了钢筋锈蚀的电化学过程，腐蚀发生在阳极，而阴极是不腐蚀的。阳极 反应的表达式为：FeFe + + +2e

13、(2)阴极反应是取走电子（通常有氧来承担），使阳极反应可持续进行（按上式箭头方向向右 进行）；如果上式右边发生电子积累（如对钢筋充以负电），则反应会逆向进行：FeFe+2e+Me（充负电） （3）按照式（3），铁变成铁离子（腐蚀）已不能进行，于是腐蚀就被停止了。要达此目的，还 必须有另一极（充正电），如图1（a）所示，充负电的一方整个变为阴极（不发生腐蚀），而充 正电的一方为阳极（腐蚀）。这个过程称作阴极保护。图 1 混凝土中钢筋阴极保护示意（a）-外加电流法；（b）-牺牲阳极法1-混凝土；2-钢筋（阴极）；3-铸铁阳极；4-直流电源；5-水；6-镁阳极图la表示，应用外加电流的方法，将直流电

14、源的负极连接在混凝土中的钢筋上，以迫 使钢筋整个地处于阴极状态；而图1b是另一种阴极保护的方式，即将比铁更活泼的金属（如 镁），直接与钢筋相连。由于在电位序中，镁的电位较铁负得多，镁可向铁（钢筋）提供电子 （如同外电源的负极），这同样可达到阴极保护的目的。在此过程中，镁作为阳极而腐蚀，牺 牲自己而保护了铁（钢筋），于是被称作牺牲阳极保护法。以上是两种主要的阴极保护方式，两种方式各有利弊，可依据不同情况选用。如在水、 土中，以上两种方式均可采用；暴露于大气中的钢筋混凝土结构，大都采用外加电流的方式。 美国已有数百座桥梁采用了这种方式进行保护，大都用于已经受到腐蚀破坏的桥梁，这些桥 梁主要是受到化

15、冰盐和海洋环境的侵蚀。有人断言，在已经遭受氯盐侵入的钢筋混凝土结构 中，实施阴极保护是最有效的方法。在国外，对于暴露于大气中的新建工程，虽然也可采用 阴极保护，但大都还是首先着重提高混凝土质量和采用钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋等技术措 施。在国内，对钢筋混凝土结构采用阴极保护技术者还不多。在水中和地下已有工程应用实 例（如地下预应力混凝土管道），大气中也有人进行过工程试验，但更大规模的工程应用尚需 要进一步努力开拓。2.2 阴极保护的实施与技术指标控制在水中或潮湿的土中，对钢筋混凝土结构实施阴极保护相对容易些，这是由于介质有较 好的导电性；而大气中，混凝土具有很高的电阻值，阳极材料及其铺设方法就成

16、了主要问题。 20世纪70年代初，美国在钢筋已锈（化冰盐引起的）的桥面板上，进行了安装试验工作，将 导电涂层（沥青加石墨）涂到混凝土表面，并在一定距离间隔内，分别埋设硅铁阳极块。这些 硅铁阳极块均用导线连在一起，最终与整流器的正极相连；整流器的负极连在钢筋上。实验 取得了初步成功。目前，导电涂层已经有许多种，除石墨粉加成膜材料中之外，近来还出现 了有机导电涂层，也有采用喷锌层的；而主阳极材料的发展更为迅速和多样化，如铂金丝网、 导电塑料网、活化钛板网等。因为阳极需要经受电解和必须耐久，故廉价的阳极材料仍然是 大批研究者追求的目标。就保护准则而言，目前国内外尚无统一的标准。一般认为，将混凝土中钢

17、筋的自然电位 负向推移300500mV或达到-850mV（对比硫酸铜电极，下同），即能有效地保护钢筋。在检 验方面，美国腐蚀工程师学会（NACE）制定的标准方法得到了普遍的认同。做法是将正在进行 的阴极保护突然断电，并测量钢筋电位随时间的衰减量。当4h衰减量不小于100mV时，确 认为该阴极保护合理。2.3 对钢筋混凝土结构实施阴极保护须注意的相关技术问题阴极保护是用以保护钢筋的有效措施之一，是长期有效的。特别对于已受“盐害”的现 有钢筋混凝土建筑物的进一步防护，有其独特的效能。在电场的作用下，带负电的氯离子可 向阳极（混凝土表面）迁移，等于从钢筋表面除掉氯离子，这对于钢筋的防护十分有利，甚至

18、 不必除掉钢筋表面的混凝土层（已含氯离子），就可以实施阴极保护。这些特点是其他措施难 以做到的。正确实施阴极保护是十分重要的，为此，必须了解和掌握以下技术要点：（1）结构物可实施阴极保护措施的前提条件是，混凝土中所有钢筋必须是电连通的，否 则会引起“杂散电流”腐蚀。为此，结构物在建造时，所有钢筋的接触点（如主筋与箍筋之 间）都应焊连接。（2）施工时严格避免阴、阳极短路。（3）防止“过保护”发生。如果实施阴极保护过程中，不能够合理控制和适时调整所施 加的阳极电流量，或电流分布不均匀，会导致钢筋（整体或局部）电位低于T 100mV，发生 “过保护”。在此条件下，过低的负电位，将能使带正电的氢离子，

19、在钢筋表面放电生成氢 气。这样，一方面钢筋有发生“氢脆”断裂的危险，另一方面可导致混凝土与钢筋之间的 “握裹力”下降，影响结构物承载能力。3 结 语钢筋混凝土结构物的设计寿命要求一般为4050年，有的要求上百年。而现实中，处 在腐蚀环境中的结构物，远达不到设计寿命要求。有的在1520年出现钢筋锈蚀破坏，甚 至不足5年就开始修复。此方面的花费是惊人的，已经是一个重大经济问题。对于我国，应 该总结国内外经验与教训，认真研究、妥善解决钢筋腐蚀与结构物寿命问题。附加防护措施是保证设计寿命所必须的，在我国，相关技术尚处于起步和发展阶段，应 该提高对采取附加防护措施必要性的认识。就防护原理而言，附加措施可

20、分为两类。一类是 最大限度地防止环境中的有害离子进入混凝土内，这包括提高混凝土自身的防护能力和采用 外涂覆层等；另一类是，当不能完全避免有害离子进入混凝土内时（这是大量的情况），在混 凝土内部，实施限制、抵消有害离子的破坏作用的措施，这包括采用钢筋阻锈剂、阴极保护、 环氧涂层钢筋等，该三种技术措施被认为是先进和长期有效的。就综合经济效益而言，钢筋阻锈剂是最简单、节省的。特别对发展中的我国，前期投入 不多而又有长期效果，这是很可取的。阴极保护用于钢筋混凝土结构，特别是对暴露在大气中的、受腐蚀的已有结构物，被认 为是最有效的。其他条件下也可采用。各种保护技术各具特点，也都有其局限性，并且都在迅速发展之中。应依据实际情况进 行选用。