混凝土钢筋牺牲阳极包覆层关键性的探究.pdf

全面腐蚀控制第37卷第08期 2023年08月59经验交流Experience Exchange技术混凝土钢筋牺牲阳极包覆层关键性的探究刘本立张 朋成 峰陈子璇任晓坤（山东省公路桥梁建设集团有限公司，山东 济南 250014）摘 要：随着阴极保护系统应用领域的不断扩大，以及钢筋混凝土的阴极保护日益增加的需求，但是由于混凝土介质环境的特殊性，对阳极有效活化、工作都有一定的影响作用。为确保牺牲阳极在特殊环境下的正常工作，有必要在牺牲阳极与混凝土介质中增加必要的介质进行研究和探究。关键词：牺牲阳极包覆层混凝土中图分类号：TU997 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.08.059.04Study on The Criticality of Sacrificial Anode Coating for Concrete ReinforcementLIU Ben-li,ZHANG Peng,CHENG Feng,CHEN Zi-xuan,REN Xiao-kun(Shandong Road&Bridge Construction Group Co.,Ltd.Jinan 250014,China)Abstract:With the continuous expansion of cathodic protection system application field and the increasing demand of reinforced concrete cathodic protection,but because of the particularity of concrete medium environment,the effective activation and work of sacrificial anode have a certain effect.In order to ensure the normal work of sacrificial anode in special environment,it is necessary to add necessary media in sacrificial anode and concrete for research and exploration.Key words:sacrificial anode;coating layer;concrete作者简介：刘本立(1981)，男，山东成武人，高级工程师，本科，主要研究方向为公路桥梁。0 引言钢筋混凝土结构的过早失效大多是由于其中的钢筋腐蚀所致，对于混凝土中钢结构的保护研究已经成为一项紧迫且具有实际意义的课题1。对于金属构筑物来说，阴极保护作为一项行之有效的保护技术，有着施工简单，不受金属构筑物表面施工工艺影响等优点。常用的阴极保护技术分为外加电流阴极保护法和牺牲阳极法两种方法，牺牲阳极法具有安装方便，运行成本低，无须后期专业维护等优 势2，相较需要日常维护的外加电流阴极保护法更适合在难以进行维护的钢筋混凝土结构中。牺牲阳极法是由活泼金属与钢结构组成原电池，通过失去电子达到保护钢筋的效果。而在混凝土结构中，常规牺牲阳极会因其生成的腐蚀产物无法有效扩散，导致阳极表面钝化而失效。因此，混凝土中牺牲阳极的应用的关键是需要特殊的阳极包覆层以辅助阳极产物的扩散。本研究旨在研究不同包覆环境下牺牲阳极系统的工作状态及其有效性，对混凝土中钢筋阴极保护技术的发展与应用有重要意义。TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.08 AUG.202360经验交流Experience Exchange技术1 理论实验条件与方法1.1 实验材料的选择通常情况下，牺牲阳极常常选用锌合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极及镁合金牺牲阳极；在工作条件下，铝合金牺牲阳极的膨胀率较高，且铝阳极表面易结壳；镁阳极的电动势较高，工作电压较高，在混凝土环境下易产生氢脆，反而不利于混凝土结构的完整性；锌合金牺牲阳极相对而言电动势及工作电压最低，腐蚀产物松散且工作时膨胀率较低。因此，混凝土内钢筋的保护选择锌合金牺牲阳极。锌合金牺牲阳极采用符合GB/T 4950-2021锌合金牺牲阳极中I型成分的锌合金牺牲阳极，具体成分如表1所示，每块锌合金牺牲阳极净重约1kg。在混凝土环境中锌合金牺牲阳极必须被远高于混凝土环境的高GB碱性的环境所包覆，以防止钝化，pH值应至少为14。强碱性物质如LiOH、NaOH或KOH可用于活化锌合金3-7。锂离子具有很好的亲水性与保水作用，有助于阳极的活化及电流的发散，所以锌合金外包覆层中的碱性活化剂首选为LiOH。NaOH或KOH也可用作锌合金外包覆层的活化剂，但是在使用的过程中，需要添加少量LiOH。由于混凝土体系十分复杂,要综合考虑多种因素的影响8混凝土模型实验材料选用HRB400钢筋，间距150mm，混凝土为C55，混凝土中钢筋焊接两处钢片作为测试点及阳极连接点引出，混凝土中留有尺寸为600300350mm阳极放置空位，并留有参比电极测试孔，尺寸60mm，将制作好的混凝土模型式样在室温下（20）采用湿式养护法养护28天。混凝土尺寸为10001000400mm，混凝土实验模型共设置两个。1.2 试验方法本次实验中，设置两组共四块阳极作为对比，组1锌合金牺牲阳极包覆特殊包覆层后，再包覆于与钢筋混凝土相同的混凝土中预制成可拆分的阳极模块，在模块外留有2mVV110mm2电缆以便后期进行电连接，阳极模块尺寸为600300350mm，共准备两块。组2同炉锌阳极不包覆特殊包覆层直接预制成600300350mm的立方体阳极模块，同样留有2mVV110mm2电缆，共准备两块。在湿养护期间对混凝土式样及阳极模块进行长期测试，获得混凝土的自然电位分布与阳极的开路电位。待养护期结束后，将阳极模块放入预留空位中（如图1所示），电缆焊接至提前预留好的裸露钢筋处，分别工作60天，期间维持湿润以保证其电连接性，持续以Ag/Cl参比电极检测混凝土式样块的电位分布情况。同时在每组第一块阳极实验结束后，进行72h的去极化后，将每组第二块阳极模块交换混凝土进行布设，以避免阴极区带来的误差。图1 混凝土模拟实验模型图表1 锌合金牺牲阳极化学成分种类AlCdPbCuFeSiZnI型0.30.60.050.120.0060.0050.0050.125余量全面腐蚀控制第37卷第08期 2023年08月61经验交流Experience Exchange技术2 结果与讨论2.1 包覆层对阳极开路电位的影响图2 阳极开路电位对照图2分别显示了在湿养护期间带阳极包覆层的阳极（即组1）以及不带阳极包覆层的阳极（即组2）的养护期间的平均开路电位。由图可知，组1阳极的开路电位的绝对值较负，且活化速度较快。2.2 混凝土的自然电位及被保护电位分布情况养护期结束后，混凝土的自然电位分布如图3所示，由图可见两混凝土实验模型电位分布接近，不存在较大的偏差。图3 混凝土养护期电位（自然电位）2.3 包覆层对阳极工作电位的影响图4、图5分别显示了混凝土内钢筋在布设阳极模块后15天及50天后的电位分布情况。由图可知，组1阳极的保护范围更大，电位负向极化的能力也更强。组1阳极模块 组2阳极模块图4 混凝土保护电位分布图（15D）组1阳极模块 组2阳极模块图5 混凝土保护电位分布图（50D）TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.08 AUG.202362经验交流Experience Exchange技术图2分别显示了在湿养护期间带阳极包覆层的阳极（即组1）以及不带阳极包覆层的阳极（即组2）分别与混凝土内钢筋连接后的混凝土钢筋保护电位。由表可知，组1极化的速度较组2慢，但是在稳定后的极化电位较组2更负，保护的效果更好。图2 混凝土保护电位在试验期结束后，组1电位依旧保持稳定。在约40天后，组2第一次实验的阳极试块的保护电位大幅度正向偏移，直至约55天左右失效，这是因为组2锌合金阳极外部没有特殊包覆层，锌合金牺牲阳极的腐蚀产物无法有效扩散，导致阳极表面钝化，组2第二次实验的阳极试块也在约50天后性能大幅度降低；随后将失效后的组2锌阳极从试块中取出，放置于淡水中浸泡并持续监测其电位20d，发现其电位一直保持在-0.5V左右，证明其彻底失效，且这种失效是不可逆的。在每轮试验后将阳极模块取出，观察阳极槽内介质，可以发现组1阳极模块放置的阳极槽内的介质均干净无杂质，组2阳极模块放置的阳极槽内介质均有部分腐蚀产物堆积，侧面证明外包覆层的加入有利于腐蚀产物的扩散，缓解了混凝土环境中阳极的钝化。3 结论（1）混凝土环境中的锌合金牺牲阳极无法正常使用。实验证明，在未进行外包覆的情况下，牺牲阳极会在较短时间内发生大幅度的劣化，直至失效，导致整个阴极保护系统失效；（2）在混凝土环境中，锌合金阳极的外包覆层能有效提升阳极的工作效率，扩大保护范围，能够满足使阴极达到GB/T 21448-2017中4.4.4节100mV阴极电位负向偏移准则，而未增加包覆层的锌合金牺牲阳极则无法满足该准则；（3）在混凝土环境中的牺牲阳极需要增加外包覆层才能正常的工作，辅助腐蚀产物的扩散，缓解混凝土环境中锌合金牺牲阳极的钝化。参考文献1 Mehta P K.Concrete durability-fi fty years progressC.Proc.of 2nd Inter.Conf.on Concrete Durability,ACI SP126-1,1991,1-31.2 洪艳萍,黄少华.钢管桩牺牲阳极保护J.港工技术,2014,(0)005:49-52.3 J.J.Bartholomew,J.E.Bennett,B.L.Martin,and T.A.Mitchell,“Method and apparatus for cathodically protecting reinforced concrete structures,”U.S.Patent 5,292,411,March 8,1994.4 Y.Kawabata,T.Tanizawa,and T.Hara,“Chromene compound,”U.S.Patent 6,022,496,February 8,2000.5 Davison and C.D.Gorrill,“Connector for use in cathodic protection and method of use,”U.S.Patent 6,193,857,February 27,2001.6 J.E.Bennett,D.W.Griffis,and R.J.Bechkowiak,“Anode assembly for cathodic protection,”U.S.Patent 7,488,410,February 10,2009.7 J.E.Bennett,“Activating matrix cathodic protection,”WO.Patent 2007/126715,November 8,2007.8 林荣归,胡融刚,冯祖德,谭建光,林昌健.混凝土中钢筋的腐蚀行为研究J.电化学,2000,6(3):305-310.