孟繁強

　　前 言：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是公認的一種經(jīng)濟、耐用、力學性能好的材料，廣泛應(yīng)用于建筑＼橋梁。然而在座落于海水等強腐蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土構(gòu)筑物，時刻都在發(fā)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。
　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土、腐蝕、陰極保護

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保護環(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(jié)合在一起。此時鋼筋周圍處于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)，見左圖。又因為混凝土層對腐蝕介質(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(huán)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(fā)生如下反應(yīng)。
　　　　　　　　　　 Ca(OH）₂＋CO₂→CaCO₃+H₂O
　　這個反應(yīng)最終的結(jié)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(tài)的氧化膜，所以此時鋼筋處于非保護狀態(tài)。
　　混凝土所處環(huán)境中的氯離子由于半徑小、穿透力強，所以能夠通過混凝土的微小孔隙，到達混凝土內(nèi)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(tài)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(chǎn)物體積比原來鐵的體積大的多。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度，引起混凝土的開裂和剝落，這時環(huán)境中更多的腐蝕介質(zhì)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(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源。
　　在鋼筋上引導(dǎo)腐蝕，氯離子的濃度是一個重要的標準。在堿性溶液中已經(jīng)進行了很多調(diào)查，證明即使在濃度低于水泥重量的0.001％也可導(dǎo)致腐蝕的開始。然而從現(xiàn)場經(jīng)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(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則。

2 鋼筋混凝土的常規(guī)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(zhì)的進入。
　　針對鋼筋方面，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。

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(fā)生陽極氧化反應(yīng)，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(yīng)由原來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。陰極保護在鋼筋表面上提供了一個小的直流電流，使它的氧化反應(yīng)停止。通過在混凝土表面或內(nèi)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(zhì)存在。
　　陰極保護技術(shù)在埋地管道中應(yīng)用最多，我國已有相應(yīng)的規(guī)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(yīng)用了陰極保護技術(shù)，收效甚佳。
　　據(jù)英國刊物報導(dǎo)，有7座橋梁應(yīng)用了陰極保護，效果很好，橋梁應(yīng)用了陰極保護后，其壽命可以延長40年。
　　在混凝土鋼筋上應(yīng)用陰極保護并不是最近的事。在1966年南非的大橋環(huán)形橫梁上進行了試驗。美國的工作開始于1973年，應(yīng)用于座落于加利福尼亞州內(nèi)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(shè)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(zhì)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(yōu)點是無需外部電源，然而它會溶解和消耗，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（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(jié)構(gòu)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(tǒng)的優(yōu)點是可通過調(diào)整電源輸出來調(diào)節(jié)流到鋼筋上的電流。外加電流CP已經(jīng)作為一項修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于含鹽混凝土中有20年。
　　一個CP系統(tǒng)成功的基本因素是陽極布置方式，它使電流能通過整個結(jié)構(gòu)，這對于高電阻車的混凝上介質(zhì)來說尤其重要。
　　在所有情況下，都必須對結(jié)構(gòu)進行預(yù)處理，并且受保護的鋼筋必須保持電的連續(xù)性，以得到保護。對主要結(jié)構(gòu)來說，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。此時混凝土充當電解質(zhì)，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(dǎo)致系統(tǒng)的無效或不適用，”因此，發(fā)生如上所列情況，恰當?shù)臋z查和修補工作應(yīng)在應(yīng)用CP之前進行。

5 兩種典型的CP系統(tǒng)；

　　鈦基陽極的設(shè)計和安裝
　　鈦基網(wǎng)狀陽極是外加CP上的輔助陽極，第一個鈦網(wǎng)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(jié)構(gòu)。鈦基陽極的主要優(yōu)點是它的排流量大（＜108mA／mA／m²），預(yù)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(yīng)用的陽極，希望做成網(wǎng)狀或帶狀網(wǎng)，對于新建結(jié)構(gòu)可考慮采用鈦帶網(wǎng)，為了避免由于陽極的表面產(chǎn)物而影響陽極與水泥漿的粘結(jié)，鈦陽極表面的電流密度應(yīng)限制在108mA/m²。實際上這些陽極可以在短時間內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(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程中應(yīng)對陽極進行電監(jiān)測以確保陽極和鋼筋之間沒有短路。當混凝土固化后，發(fā)現(xiàn)有短路情況時，要提供一個高的電流密度，達到2A／m²，并持續(xù)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(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行評估。數(shù)據(jù)表明：未被氯污染的新混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用的陽極一般為鋅或鋁基陽極，現(xiàn)在介紹的這個CP系統(tǒng)由一個符合ASTM B69－92規(guī)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(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行粘結(jié)，此系統(tǒng)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(xiàn)和鋼筋的連接，連接處要隨即用不導(dǎo)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(zhì)量是17.4kg。
　　導(dǎo)電膠由一個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(dǎo)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(jié)語：

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