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    混凝土鋼筋腐蝕以及陰極保護

    Corrosion of Concrete Rebar and Cathodic Protection

    黃驊市科普防腐材料有限公司

    HuangHua CorrStop Materials Ltd.

    摘要:

    在人們的觀念中,包裹在混凝土中的鋼筋是不會發生腐蝕的,質量良好,處在非腐蝕性環境中的混凝土鋼筋腐蝕確實也非常緩慢。然而,對于處于海洋性氣候中的混凝土結構,鋼筋確實存在腐蝕問題,當結構施工質量不好時,鋼筋的腐蝕問題會非常突出。實踐證明,鋼筋發生腐蝕后,用新的沙漿進行修復很難緩解鋼筋的腐蝕問題,往往幾年之后還要修補,直至整個結構破壞。采用陰極保護,不僅可以防止腐蝕,其效果也可以達到一勞永逸。該技術是到目前為止,唯一有效的混凝土鋼筋防腐措施。

    Abstract:

    As a normal perception, rebar embedded in concrete is not corroding. It is true if the concrete wrapping is perfect and the structure is located in non-corrosive environment. But to structures located in ocean climate, the corrosion of the concrete rebar is really a problem. The problem becomes severe if the concrete is not in good quality. Repairing with concrete patch can’t solve this problem since it usually last only several years. With cathodic protection, the problem can be solved thoroughly and it is the only cost effective method of corrosion mitigation so far.

    關鍵詞:鋼筋 鈦網陽極,陰極保護

    Key Words: Rebar, Mesh Anode, Cathodic Protection.

    混凝土鋼筋的腐蝕:

    混凝土鋼筋的腐蝕類似于電池,是電化學腐蝕。腐蝕將導致鋼筋上陰極區和陽極區之間的電子流動。發生腐蝕應具備如下條件:

    陽極:電子流出的區域,發生腐蝕。
    陰極區:電子流入區域,不發生腐蝕。
    電解液:一種介質,可以導通離子電流。
    金屬通道:連接陰陽極區,使電流構成回路。

     

    由于混凝土內鋼筋最初的腐蝕將在鋼筋表面形成鈍化膜,所以,一般情況下,混凝土內鋼筋不會發生腐蝕。新澆注的混凝土在水合作用時呈堿性,有氧存在時,將致密鋼筋表面的氧化膜,在堿性條件下,對鋼筋提供連續的保護。由于氫氧化鈣,氫氧化鉀,氫氧化鈉的存在,混凝土的PH值一般大于12。PH值是用來衡量介質酸堿度的,從高堿的14到高酸的0。中性時為7。盡管對鈍化膜的特性還沒有完全掌握,但只要鈍化膜是完整的,它就隔離鋼筋與腐蝕環境,減緩腐蝕過程。然而,在兩種情況下,腐蝕將會發生:

     

    1. 碳酸鹽化
    2. 氯污染

     

    碳酸鹽化是空氣中的二氧化碳通過混凝土空隙擴散并中和混凝土堿性的過程。碳酸鹽化將使PH值下降到89,使氧化膜不穩定。當有適當的氧或潮氣供應時,開始發生腐蝕;炷两Y構的碳酸鹽化是一個緩慢的過程,其速率取決于二氧化碳穿透混凝土的滲透速率,而該滲透速率很大成度上取決于混凝土的空隙率和滲透性。對于質量好的混凝土,且鋼筋具有一定埋深時,很少發生腐蝕問題。

    有關氯離子誘發混凝土鋼筋腐蝕的文獻已經很多。進入到混凝土的氯離子來自溶雪時路面所撒的鹽或海洋性氣候的海水。其他的來源可能是混凝土固化添加劑,污染的碎石,水,空氣中的鹽,地下水中的鹽,混凝土表面所用化學劑產生的鹽。當有足夠的氯離子存在時,鈍化膜被破壞,鋼筋發生腐蝕。

     

    引發鋼筋腐蝕的氯含量相當低,對于氯離子允許含量,有很多法規及規范。美國混凝土協會出版物ACI222R-96“混凝土內金屬的腐蝕”建議新結構氯離子含量上限為:(重量百分比)

    予應力混凝土 0.08%
    潮濕條件下鋼筋混凝土 0.10%
    干燥條件下鋼筋混凝土 0.20%

    現場的經驗以及研究表明,對于受氯離子污染的已建結構,0.026%的氯離子濃度足以破壞鈍化膜,引起鋼筋的腐蝕。這相當于氯離子濃度為1.0b/yd3 混凝土。

     

    鈍化膜的破壞導致鋼筋的電化學腐蝕,混凝土中的氯離子分布一般是不均勻的。腐蝕啟始于氯離子含量高的區域鋼筋,最終導致鈍化膜的破裂。在其他區域,鋼筋仍處于鈍化狀態。典型的例子是用鹽來溶雪時,處于表層的鋼筋比處于下部的鋼筋受到更多的氯離子侵蝕。氯離子的不均勻分布導致宏觀電池腐蝕,大的陽極區處于上部,陰極區處于下部;炷料喈斢陔娊庖,綁扎鋼筋提供電氣連接。圖一是由于氯含量濃度差引起的宏觀電池。

     

    用常規的混凝土對剝離或剝落處的鋼筋進行修補是腐蝕的另外一個例子。在舊的高氯離子含量混凝土以及新的低氯離子含量混凝土銜接面上將形成很強的電化學宏觀電池。由于距離近,氯濃差大,產生很強的電位梯度,加速了腐蝕。如圖 2 所示,大多數情況下,一到兩年后,還要重新修補。

     

    金屬的晶間結構以及應力的不同也會導致腐蝕。當氯濃度均勻時,局部的微觀腐蝕將是主要問題。在這種情況下,同一鋼筋上陰極區和陽極區距離很近,微觀電池將導致局部腐蝕,稱為點蝕。隨著腐蝕的發展,腐蝕坑內酸性增強,坑的底部金屬逐漸損耗,鋼筋截面積逐漸減小,最終不能承受所負荷載。

    上訴所有腐蝕都需要氧的存在,在沒有氧存在時,即使氯含量超過臨界值,腐蝕速率也非常低(除非在酸性溶液中)。然而,現場隔離氧和鋼筋即便不是不可能,也是非常困難的。腐蝕發生時,腐蝕產物所占體積要比鋼筋大幾倍,使混凝土承受張力,由于混凝土本身抗拉能力差,因此,將產生裂紋,如圖3a,使鋼筋暴露于更多的氯,氧以及潮氣中,腐蝕加劇。隨著腐蝕的繼續,混凝土將發生裂紋或剝離,圖3b。剝離通常位于或靠近于鋼筋水平面,最終混凝土剝落,圖3c。需要修補。

     

    陰極保護原理:

    減緩腐蝕有很多方法,而實踐證明,對于已建結構,不論氯含量大小,陰極保護是唯一有效的防腐技術。

    什么是陰極保護?答案很簡單。陰極保護是被廣泛應用并證明有效的防腐技術。從理論上講,它的定義是“通過外加電流或使之與犧牲陽極連接,使金屬變成陰極而減少或停止腐蝕的技術”電化學電池中的陰極區不發生腐蝕。根據定義,如果將陽極區都變成接收電流的陰極區,腐蝕將不再發生。

    數十年來,陰極保護成功的用于保護埋地管道,船板,海上平臺,地下儲罐及其他很多暴露于腐蝕環境下的結構。陰極保護首次于1973年用來保護橋面,該系統目前仍在使用,沒有發現混凝土剝離;炷龄摻铌帢O保護實際上是以毒攻毒的方式。陰極保護提供一個與腐蝕電流相反的電流,從而消除腐蝕。

     

    如上所述,陰極保護有兩種方式,外加電流以及犧牲陽極。外加電流陰極保護由以下幾方面構成:

    電源
    陽極,如混合金屬氧化物帶狀或網狀陽極
    電纜及導管
    儀器,如予埋氯化銀參比電極。

     

    4 為利用混合金屬氧化物網狀陽極外加電流陰極保護的示意圖

     

    整流器用來將交流電轉換成直流電,為陽極提供電流。輸出有恒電壓或恒電流兩種。

    陽極是陰極保護系統中的關鍵部分,用來將保護電流分布到鋼筋上,陽極反應將在陽極而不是鋼筋上發生。使用相對惰性的材料,如涂層鈦,陽極損耗很小。涂層鈦的一個好處是,其壽命可以通過老化試驗來確定。NACETM0294-94。根據試驗結果發現,對現存結構,陽極壽命可以輕易的超過40年,對于新建結構,壽命可以達到 100年。

    犧牲陽極是用鋅或鋁合金等較活性的金屬來為鋼筋提供電流。它決定于金屬在電動序中的不同位置。連接后,保護電流產生于陽極和鋼筋之間的電位差。在腐蝕過程中,陽極發生腐蝕被消耗。電流從陽極通過混凝土流向鋼筋。如圖 5 所示。

     

    在土壤中,可以采用鑄造陽極或將陽極噴涂到混凝土墻面上。

    犧牲陽極陰極保護不需要電源,也不會使予應力鋼筋產生氫脆。但與外加電流相比,壽命較短。另外,所產生的電流受環境制約,如濕度,溫度等。系統調節及控制困難。

     

    參比電極是用來評價陰極保護水平的?梢杂帽銛y式或予埋在混凝土中。經常采用的予埋式參比電極是氯化銀參比電極。參比電極需要一個獨立的接地連接。陰極保護系統同時需要一個與鋼筋的連接。

     

    施加陰極保護后,氯離子將離開鋼筋向陽極遷移,另外,在鋼筋表面所產生的氫氧根離子可以使混凝土返回堿性狀態。綜合這些因素,施加陰極保護電流后,腐蝕迅速停止,鋼筋表面恢復氧化膜。需要指出的是,施加陰極保護后,鋼筋無法恢復到原先的強度,但其腐蝕可以被有效的阻止。

     

    并不是所有的鋼筋混凝土結構都適用于采用陰極保護。施加陰極保護前,應對幾個參數進行評估:

    剩余的使用時間應大于 10年,
    剝離或剝落應小于結構面積的50%,
    氯含量應大于0.026%,(混凝土重量)
    參比電位應大于-200mV,(說明鈍化膜已經破壞),
    結構完整,具有所需要的強度
    大多數鋼筋應該是電氣連通的,
    有交流電源(對于外加電流陰極保護)

     

    混凝土鋼筋陰極保護所需要的電流非常小。一般來講,對于新結構的陰極防護,陰極保護電流密度在0.2 -- 2.0mA/m2之間。已建并受到鹽份污染的結構,陰極保護電流密度在2 -- 20mA/m2之間。對于新建結構,功率消耗為每1000m2 1 -- 3 , 對于舊結構,每1000m2 3 - 15 瓦。

    陰極保護安裝運行后,有必要進行日常管理以及維護。對于外加電流陰極保護系統,工作將包括系統的目視檢測,電源設備的檢修。至少要對每個陽極區進行電壓、電流測量。保證電源提供設計的電流以及測量運行參數是重要的環節?梢圆捎眠b測系統以方便監控。

     

     

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