鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)中新型一次陽極和二次陽極以及兩者的配合使用在研制和實施中的有關(guān)結(jié)果。

（1）自行研制的一次陽極電流輸出能力和耐蝕性較好且加工方便，價格也較便宜。

（2）二次陽極——導(dǎo)電混凝土的電阻率較低，達(dá)10～20cm可以有效地將保護(hù)電流鋪展開、使鋼筋電位分布均勻，擴(kuò)大了單只一次陽極的保護(hù)范圍。

（3）在陰極保護(hù)系統(tǒng)使用過程中，一次陽極與二次陽極的配合也很為重要，如何有效地將兩者結(jié)合起來對于整個保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)均勻性有重大的影響。

1 鋼筋阻銹劑

1.1 鋼筋阻銹劑的開拓與發(fā)展
  世界上鋼筋阻銹劑的研究與使用經(jīng)歷了很長的時期。日本是一個島國，20世紀(jì)50年代就缺乏建筑用河砂，不得不開發(fā)利用海砂，既要解決海洋環(huán)境中氯鹽腐蝕問題，又要設(shè)法防止海砂中氯鹽對鋼筋的侵害。1973年在沖繩發(fā)電站建設(shè)工程中，正式大量使用了鋼筋阻銹劑。以后用量猛增，到1980年，每年有160萬m3混凝土使用了鋼筋阻銹劑(鋼筋阻銹劑每年用量約1～1.5萬t)。1982年日本制定了《鋼筋混凝土用防銹劑》(JISA6205)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)省還發(fā)布指令文件(597號文、142號文等)，要求在使用海砂或環(huán)境氯鹽可能超標(biāo)時，必須使用鋼筋阻銹劑。
  原蘇聯(lián)也是使用鋼筋阻銹劑很早的國家，1985年出版了《混凝土中鋼筋阻銹劑》的專著，并在國標(biāo)《建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》中納入鋼筋阻銹劑內(nèi)容。
  美國以往對鋼筋阻銹劑的長期有效性，一直存在較大的爭論。只是在最近15年，鋼筋阻銹劑才作為新技術(shù)得到迅速發(fā)展。經(jīng)過較長時間的試驗研究和工程應(yīng)用，美國混凝土學(xué)會(ACI)肯定了鋼筋阻銹劑的效果，并確認(rèn)“鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋和陰極保護(hù)，是長期有效的防鋼筋銹蝕的措施”。1992年美國公路運輸聯(lián)合會(AASHTO)等三個單位編制并發(fā)布的《鋼筋混凝土橋梁腐蝕手冊》，將鋼筋阻銹劑作為橋梁防腐蝕的重要措施之一；美國海軍工程服務(wù)中心(NFESC)、美國航天局肯尼迪太空中心(NASA KSC)等軍工部門，都在大力研究開發(fā)和積極采用鋼筋阻銹劑，以與“鹽害”作斗爭。按照使用方式，美國目前有兩大類型的鋼筋阻銹劑產(chǎn)品，一類是摻入混凝土中，稱作“摻入型”(DCI)；另一類是涂在混凝土表面，通過滲透(遷移)到混凝土中，稱作“滲入型”(MCI)。其成分大都為無機(jī)、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。1995～1998年，美國曾列國家級研究課題，制定統(tǒng)一的鋼筋阻銹劑的評價方法和使用標(biāo)準(zhǔn)。該研究報告指出：“15年來，鋼筋阻銹劑應(yīng)用日趨普遍，它能長期保護(hù)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如公路橋及其他結(jié)構(gòu)等…，本研究結(jié)果將被美國公路運輸聯(lián)合會(AASHTO)采納，并推薦納入《混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)》(AASHTO M194)；同時納入美國混凝土學(xué)會(ACI)編制的《混凝土手冊》，明確推薦在橋及其他結(jié)構(gòu)上使用”。研究報告還確定，以75年作為鋼筋阻銹劑的有效服務(wù)年限。
  近年來，世界各國鋼筋阻銹劑的使用量越來越大。據(jù)悉，1993年以前，全世界至少有2 000萬m3的混凝土使用了鋼筋阻銹劑，而到了1998年，至少有5億m3的混凝土使用了鋼筋阻銹劑。可見發(fā)展趨勢之迅猛。
  我國在研制、開發(fā)鋼筋阻銹劑方面起步并不晚，20世紀(jì)60年代就有人利用亞硝酸鈉作為鋼筋阻銹的成分，試用于混凝土中，并取得一定經(jīng)驗。但是，單純亞硝酸鈉雖有阻銹作用，同時也存在一定問題，因而沒有推廣使用。20世紀(jì)80年代初，冶金工業(yè)部為在渤海灣南岸開發(fā)建設(shè)金礦，須解決海鹽、海砂、海洋環(huán)境對鋼筋混凝土建筑物的腐蝕問題，于是列題研究了復(fù)合型鋼筋阻銹劑。1985年，在山東三山島金礦首次大量使用了由冶金部建筑研究總院研制的鋼筋阻銹劑(RI型)，1991年頒布了國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1998年修標(biāo)［《鋼筋阻銹劑使用技術(shù)規(guī)程》(YB/T9231-98)］。國標(biāo)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》(GB50046-95)、《海工混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》等，都納入了相關(guān)鋼筋阻銹劑的內(nèi)容。在此期間，南京水科院等單位，也對鋼筋阻銹劑進(jìn)行了卓有成效的研究和應(yīng)用。目前國內(nèi)已有成功應(yīng)用14年的大型工程實例。
1.2 鋼筋阻銹劑的分類、作用原理
  美國曾按照使用方法，將鋼筋阻銹劑分為“摻入型”和“遷移型”；按其形態(tài)，還可分為“液體型”和“粉劑型”。在技術(shù)、學(xué)術(shù)方面，通常是按照其作用原理劃分類型的，一般分為以下三種類型：
  (1)陽極型鋼筋阻銹劑
  混凝土中鋼筋銹蝕是一個電化學(xué)過程，腐蝕電池分作“陽極區(qū)”和“陰極區(qū)”。這類陽極型化學(xué)物質(zhì)，是作用于“陽極區(qū)”，促使其生成保護(hù)膜，通過阻止或減緩陽極過程達(dá)到鋼筋阻銹的目的。典型的物質(zhì)有亞硝酸鹽、鉻酸鹽、硼酸鹽等，一般大都有氧化作用。
  早期曾使用亞硝酸鈉，現(xiàn)在大都用亞硝酸鈣作為陽極型阻銹成分。以下是亞硝酸鹽在鋼筋陽極發(fā)生作用的表達(dá)式：

Fe+++OH-+NO-2=NO+γFeOOH  (1)

  亞硝酸根(NO-2)促使鐵離子(Fe++)生成具有保護(hù)作用的鈍化膜(γFeOOH)。當(dāng)有氯鹽存在時，氯鹽離子(Cl-)的破壞作用與亞硝酸根的成膜修補(bǔ)作用競爭進(jìn)行，當(dāng)“修補(bǔ)”作用大于“破壞”作用時，鋼筋銹蝕便會停止。因此，亞硝酸根必須有足夠的量(如NO-2/Cl-≥1)，否則能刺激局部腐蝕(深孔腐蝕)，這種局部腐蝕類型，有可能對鋼筋力學(xué)性能造成更大的影響。這正是陽極型鋼筋阻銹劑的缺點與不足之處。因此，陽極型又稱作“危險性”阻銹劑，單純使用亞硝酸鹽容易引發(fā)上述問題，于是要與能減少這種副作用的其他化學(xué)物質(zhì)合并使用。目前，美國、日本均發(fā)展了一批以亞硝酸鈣為主體的鋼筋阻銹劑品種。
  (2)陰極型鋼筋阻銹劑
  該類鋼筋阻銹劑是在“陰極區(qū)”起作用，作用原理有“成膜說”、“吸附說”等，這類化學(xué)物質(zhì)能在“陰極區(qū)”形成膜或吸附于陰極表面，從而阻止或減緩電化學(xué)反應(yīng)的陰極過程(如氧的去極化過程)。這類化學(xué)物質(zhì)大都為表面活性劑，如高級脂肪酸的胺鹽、磷酸酯類等。
  陰極型鋼筋阻銹劑比較安全，但其有效性不易達(dá)到很高的水平，價格也相對高些。可單獨使用，更好的用法是與其他類型相搭配。
  (3)綜合型鋼筋阻銹劑
  有些化學(xué)物質(zhì)，對于陰極、陽極反應(yīng)都有抑制作用，甚至還能提高陰、陽極之間的電阻。但實際中的綜合型鋼筋阻銹劑，多半是各種功能的化學(xué)物質(zhì)的合理搭配。更確切應(yīng)該稱作“復(fù)合型鋼筋阻銹劑”。復(fù)合型鋼筋阻銹劑兼有單一型的優(yōu)點，克服其不足，是目前國內(nèi)外發(fā)展的方向。國外不少新品種的鋼筋阻銹劑均為“復(fù)合型”(“單一型”是早年的產(chǎn)品，現(xiàn)在已很少單獨使用)。國內(nèi)，冶金部建筑研究總院研制的RI系列產(chǎn)品，就是屬于復(fù)合型鋼筋阻銹劑。
  鋼筋阻銹劑的實際功能，不是阻止環(huán)境中有害離子進(jìn)入混凝土中，而是當(dāng)有害離子不可避免的進(jìn)入混凝土內(nèi)之后，由于鋼筋阻銹劑的存在，使有害離子喪失侵害能力。實際是鋼筋阻銹劑抑制、阻止、延緩了鋼筋腐蝕的電化學(xué)過程，從而達(dá)到延長結(jié)構(gòu)物使用壽命的目的。
1.3 鋼筋阻銹劑的優(yōu)缺點分析
  鋼筋阻銹劑的主要優(yōu)點：
  (1)一次性使用而長期有效，能滿足50年以上設(shè)計壽命要求。
  (2)與環(huán)氧涂層鋼筋、陰極保護(hù)相比，采用鋼筋阻銹劑花費少；包括與外涂層相比，采用鋼筋阻銹劑也是施工簡單、方便，節(jié)省勞動力的。此外，鋼筋阻銹劑一次性摻入混凝土中之后，在壽命期內(nèi)不需維護(hù)，這就節(jié)省大量的維修費，其長遠(yuǎn)效益十分明顯。美國“全壽命經(jīng)濟(jì)分析”表明，采用鋼筋阻銹劑的經(jīng)濟(jì)效果是好的。
  (3)使用范圍廣，可用于工業(yè)建筑、海工水工工程、立交橋和公路橋、鹽堿地建設(shè)工程及低堿度水泥等，并可用于大量修復(fù)工程中。特別對氯鹽環(huán)境有效。
  鋼筋阻銹劑的主要缺點：
  (1)不宜在酸性環(huán)境中使用。
  (2)鋼筋阻銹劑的有效性與混凝土質(zhì)量關(guān)系密切，優(yōu)質(zhì)混凝土能更好的發(fā)揮其阻銹功能；相反，質(zhì)量低劣的混凝土中，即使使用了鋼筋阻銹劑，也難以保證其耐久性使用。此外，在特殊腐蝕條件下，僅靠鋼筋阻銹劑不能實現(xiàn)長期保護(hù)的目的，有時需要與外涂層或環(huán)氧涂層鋼筋等聯(lián)合使用。
  (3)鋼筋阻銹劑的成分大都是化學(xué)物質(zhì)，有些品種不適合于在飲用水系統(tǒng)中使用。

2 陰極保護(hù)

2.1 陰極保護(hù)原理與在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
  陰極保護(hù)是常用、很有效的電化學(xué)保護(hù)方法，已有百年的應(yīng)用歷史。通常使用于水下、地下金屬管道、設(shè)施、鋼管樁、海洋平臺等。由于混凝土中鋼筋的腐蝕業(yè)已成為當(dāng)今世界的重大問題，陰極保護(hù)技術(shù)也引入對鋼筋保護(hù)的領(lǐng)域。由于混凝土的特殊性，特別是對暴露于大氣中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，與常規(guī)水下、地下金屬體的陰極保護(hù)相比，增加了難度和具備一些獨特的技術(shù)要素。
  以前曾專門論述了鋼筋銹蝕的電化學(xué)過程，腐蝕發(fā)生在陽極，而陰極是不腐蝕的。陽極反應(yīng)的表達(dá)式為：

Fe→Fe＋＋＋2e  (2)

  陰極反應(yīng)是取走電子(通常有氧來承擔(dān))，使陽極反應(yīng)可持續(xù)進(jìn)行(按上式箭頭方向向右進(jìn)行)；如果上式右邊發(fā)生電子積累(如對鋼筋充以負(fù)電)，則反應(yīng)會逆向進(jìn)行：

Fe←Fe+++2e+Me(充負(fù)電)  (3)

  按照式(3)，鐵變成鐵離子(腐蝕)已不能進(jìn)行，于是腐蝕就被停止了。要達(dá)此目的，還必須有另一極(充正電)，如圖1(a)所示，充負(fù)電的一方整個變?yōu)殛帢O(不發(fā)生腐蝕)，而充正電的一方為陽極(腐蝕)。這個過程稱作陰極保護(hù)。

圖1 混凝土中鋼筋陰極保護(hù)示意
(a)-外加電流法；(b)-犧牲陽極法
1-混凝土；2-鋼筋(陰極)；3-鑄鐵陽極；
4-直流電源；5-水；6-鎂陽極

  圖1a表示，應(yīng)用外加電流的方法，將直流電源的負(fù)極連接在混凝土中的鋼筋上，以迫使鋼筋整個地處于陰極狀態(tài)；而圖1b是另一種陰極保護(hù)的方式，即將比鐵更活潑的金屬(如鎂)，直接與鋼筋相連。由于在電位序中，鎂的電位較鐵負(fù)得多，鎂可向鐵(鋼筋)提供電子(如同外電源的負(fù)極)，這同樣可達(dá)到陰極保護(hù)的目的。在此過程中，鎂作為陽極而腐蝕，犧牲自己而保護(hù)了鐵(鋼筋)，于是被稱作犧牲陽極保護(hù)法。
  以上是兩種主要的陰極保護(hù)方式，兩種方式各有利弊，可依據(jù)不同情況選用。如在水、土中，以上兩種方式均可采用；暴露于大氣中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大都采用外加電流的方式。美國已有數(shù)百座橋梁采用了這種方式進(jìn)行保護(hù)，大都用于已經(jīng)受到腐蝕破壞的橋梁，這些橋梁主要是受到化冰鹽和海洋環(huán)境的侵蝕。有人斷言，在已經(jīng)遭受氯鹽侵入的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，實施陰極保護(hù)是有效的方法。在國外，對于暴露于大氣中的新建工程，雖然也可采用陰極保護(hù)，但大都還是首先著重提高混凝土質(zhì)量和采用鋼筋阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋等技術(shù)措施。在國內(nèi)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用陰極保護(hù)技術(shù)者還不多。在水中和地下已有工程應(yīng)用實例(如地下預(yù)應(yīng)力混凝土管道)，大氣中也有人進(jìn)行過工程試驗，但更大規(guī)模的工程應(yīng)用尚需要進(jìn)一步努力開拓。
2.2 陰極保護(hù)的實施與技術(shù)指標(biāo)控制
  在水中或潮濕的土中，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實施陰極保護(hù)相對容易些，這是由于介質(zhì)有較好的導(dǎo)電性；而大氣中，混凝土具有很高的電阻值，陽極材料及其鋪設(shè)方法就成了主要問題。20世紀(jì)70年代初，美國在鋼筋已銹(化冰鹽引起的)的橋面板上，進(jìn)行了安裝試驗工作，將導(dǎo)電涂層(瀝青加石墨)涂到混凝土表面，并在一定距離間隔內(nèi)，分別埋設(shè)硅鐵陽極塊。這些硅鐵陽極塊均用導(dǎo)線連在一起，最終與整流器的正極相連；整流器的負(fù)極連在鋼筋上。實驗取得了初步成功。目前，導(dǎo)電涂層已經(jīng)有許多種，除石墨粉加成膜材料中之外，近來還出現(xiàn)了有機(jī)導(dǎo)電涂層，也有采用噴鋅層的；而主陽極材料的發(fā)展更為迅速和多樣化，如鉑金絲網(wǎng)、導(dǎo)電塑料網(wǎng)、活化鈦板網(wǎng)等。因為陽極需要經(jīng)受電解和必須耐久，故廉價的陽極材料仍然是大批研究者追求的目標(biāo)。
  就保護(hù)準(zhǔn)則而言，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為，將混凝土中鋼筋的自然電位負(fù)向推移300～500mV或達(dá)到-850mV(對比硫酸銅電極，下同)，即能有效地保護(hù)鋼筋。在檢驗方面，美國腐蝕工程師學(xué)會(NACE)制定的標(biāo)準(zhǔn)方法得到了普遍的認(rèn)同。做法是將正在進(jìn)行的陰極保護(hù)突然斷電，并測量鋼筋電位隨時間的衰減量。當(dāng)4h衰減量不小于100mV時，確認(rèn)為該陰極保護(hù)合理。
2.3 對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實施陰極保護(hù)須注意的相關(guān)技術(shù)問題
  陰極保護(hù)是用以保護(hù)鋼筋的有效措施之一，是長期有效的。特別對于已受“鹽害”的現(xiàn)有鋼筋混凝土建筑物的進(jìn)一步防護(hù)，有其獨特的效能。在電場的作用下，帶負(fù)電的氯離子可向陽極(混凝土表面)遷移，等于從鋼筋表面除掉氯離子，這對于鋼筋的防護(hù)十分有利，甚至不必除掉鋼筋表面的混凝土層(已含氯離子)，就可以實施陰極保護(hù)。這些特點是其他措施難以做到的。
  正確實施陰極保護(hù)是十分重要的，為此，必須了解和掌握以下技術(shù)要點：
  (1)結(jié)構(gòu)物可實施陰極保護(hù)措施的前提條件是，混凝土中所有鋼筋必須是電連通的，否則會引起“雜散電流”腐蝕。為此，結(jié)構(gòu)物在建造時，所有鋼筋的接觸點(如主筋與箍筋之間)都應(yīng)焊連接。
  (2)施工時嚴(yán)格避免陰、陽極短路。
  (3)防止“過保護(hù)”發(fā)生。如果實施陰極保護(hù)過程中，不能夠合理控制和適時調(diào)整所施加的陽極電流量，或電流分布不均勻，會導(dǎo)致鋼筋(整體或局部)電位低于-1 100mV，發(fā)生“過保護(hù)”。在此條件下，過低的負(fù)電位，將能使帶正電的氫離子，在鋼筋表面放電生成氫氣。這樣，一方面鋼筋有發(fā)生“氫脆”斷裂的危險，另一方面可導(dǎo)致混凝土與鋼筋之間的“握裹力”下降，影響結(jié)構(gòu)物承載能力。

3 結(jié) 語

  鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計壽命要求一般為40～50年，有的要求上百年。而現(xiàn)實中，處在腐蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計壽命要求。有的在15～20年出現(xiàn)鋼筋銹蝕破壞，甚至不足5年就開始修復(fù)。此方面的花費是驚人的，已經(jīng)是一個重大經(jīng)濟(jì)問題。對于我國，應(yīng)該總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗與教訓(xùn)，認(rèn)真研究、妥善解決鋼筋腐蝕與結(jié)構(gòu)物壽命問題。
  附加防護(hù)措施是保證設(shè)計壽命所必須的，在我國，相關(guān)技術(shù)尚處于起步和發(fā)展階段，應(yīng)該提高對采取附加防護(hù)措施必要性的認(rèn)識。就防護(hù)原理而言，附加措施可分為兩類。一類是最大限度地防止環(huán)境中的有害離子進(jìn)入混凝土內(nèi)，這包括提高混凝土自身的防護(hù)能力和采用外涂覆層等；另一類是，當(dāng)不能完全避免有害離子進(jìn)入混凝土內(nèi)時(這是大量的情況)，在混凝土內(nèi)部，實施限制、抵消有害離子的破壞作用的措施，這包括采用鋼筋阻銹劑、陰極保護(hù)、環(huán)氧涂層鋼筋等，該三種技術(shù)措施被認(rèn)為是長期有效的。
  就綜合經(jīng)濟(jì)效益而言，鋼筋阻銹劑是簡單、節(jié)省的。特別對發(fā)展中的我國，前期投入不多而又有長期效果，這是很可取的。
  陰極保護(hù)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是對暴露在大氣中的、受腐蝕的已有結(jié)構(gòu)物，被認(rèn)為是有效的。其他條件下也可采用。
  各種保護(hù)技術(shù)各具特點，也都有其局限性，并且都在迅速發(fā)展之中。應(yīng)依據(jù)實際情況進(jìn)行選用。

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