外加电流阴极保护技术对海港工程钢筋混凝土结构的防护.pdf

00 0 囊 舛 外加电流阴极保护技术对海港工程 钢筋混凝土结构的防护 任敏 。周汝毅 ，张羿 。葛仕彦 ，陆旭峰 ，舒方法 ( 1 中交上海三航科学研究 院有限公司 ，上海2 0 0 0 3 2 ；2 上海申航基础工程有限公司，上海2 0 0 1 2 2 ) 摘要 为检验外加电流阴极保护技术在海港工程 中的保护效果 ， 设计 了循环水 系统和混凝土试块模 型， 以模 拟钢筋混凝土海洋腐蚀状态， 采用外加 电流阴极保护技术对模型进行持续 阴极保护。结果表 明： 设计的试验环境 与实际工程环境相符 ； 外加 电流 阴极保护技术可有效抑制钢筋腐蚀 ， 且可对被保护结构 实现长期、 稳定的保护。 关键词 外加 电流 阴极保护 ；海港工程 ；钢筋混凝土结构；腐蚀 中图分类号T G 1 7 4 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 11 5 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 5 8 0 5 0 前言 1 试验 外加电流 阴极 保护技术 对钢筋 混凝土 结构 的保 护 ， 是通过外加 电源将足够量的电子输送到钢筋 表面， 强制使钢筋成为阴极， 阻止钢筋释放电子， 从而抑制钢 筋的腐蚀 。该技术初始投资约为传统耐久性混凝土 、 表面涂层 、 阻锈剂 、 钢筋涂层、 牺牲 阳极等 防腐蚀措施 的 1 4倍 ， 但随后不需对混凝土进行维护 ， 运行维护成 本只占到 总投资 的 1 5 ， 而传 统方法 为 5 0 甚 至更 高 ， 因此 ， 该技术具有明显的优势 。 国外 1 9 5 0年 已将该技术应用于海水 、 土壤 环境 中 的钢筋混凝 土结构 的防护及桥梁 面板等构筑 物的修 复； 目前 ， 其应用范围已逐步扩 大至海港工程 、 工业设 备、 桥梁等新老结构【 1 。我国从上世纪 8 0年代末开始 应用该技术 ， 目前 已在杭州湾大桥 、 青 岛海湾大桥等新 建结构 中局部使用 ， 但尚未见到有关使用效果的报道。 本工作设计了相关试验对该技术的保护效果进行 长期监测 ， 并对实际工程应用 时可能存在 的问题进行 了分析 。 收稿 日期 基金项 目 通信作者 2 01 10 4 2 5 上海市 科委科 研项 目“ 洋 山深 水港 区 中港 区 工程关键技术研究 ” 子课 题( 0 8 2 0 1 2 0 2 2 0 0 ) 任敏 ( 1 9 7 9一) ， 硕士 ， 工程 师 ， 主 要从 事海 港工程防腐蚀技术研究 ， 电话： 1 3 7 6 4 5 5 9 6 5 9 ， E ma i l ： s t 3 一r e nmi n y a h o o c o r n c n 1 1 模型设计 1 1 1 钢 筋混凝 土试 块 图 1为混 凝 试 块 ， 尺 寸 为 0 5 0 m 0 5 0 m 0 1 3 m， 采用海螺 P 5 2 5水泥 ， 水灰 比约为 O 5 7， 混 凝土保护层厚度约为 5 e n l 。在 内埋 4横 4竖 8根 4 , 1 4 mm 4 5 0 mm的钢筋 ； 2根竖向 4 0 0 l n m x 1 3 m m( 长 x 宽 ) 的 T i 网阳极 ， 间距为 3 0 c m 2 3 ， 与钢筋垂直距离为 2 c m； 内部埋设 2片腐蚀试片。 愉洲 极 缆 l i 杀 I l 三 Ag l ( ： I 琴 比 l U 唆I 砬 I l1i衰 减 探 头 电 l I l I I I 条 l _ i I蜘 复合 一缎 参 比 一腐 翻 f；ij极 电 极 汇 流 点 ， 片 钢筋 ( I；J 傲 系统 ) 3 00IT I r l I 5 0( )I I I m 1混 凝 土 试块 1 1 2腐蚀 海 水状 态 腐蚀海水为市购海盐按 3 5 的 比例配制 的人工 海水 ， 以模拟 自然海水。通过定时循环系统， 使水位进 行周期性变化 ， 以模拟与 自然环境相似 的大气 区、 浪溅 区及水位变动区的工作环境。系统主要组成如下 ： 挞 斟 偶 杪 t e n l i 爹 移 水槽 ： 分 为 A、 B 2个 以单 壁 隔开 的 聚 氯 乙烯 ( P V C) 塑料水槽 ， 尺寸为 1 5 0 e m 5 0 e m 5 0 c m， 作为 摆放试验模型的环境。人造海水溶解完全并搅拌均匀 后电导率为 5 3 4 mS c m， 电阻率为 1 8 7 k Q c m， 接近 自然海水的电导率 4 0 mS c m， 水温为 ( 2 81 )。 定时循环装置 ： 以 6 h为一间隔 ， 每 1 2 h作为一个 循环在 A、 B两个水槽之 间进 出水各一次 ， 每次进 出水 时间为 1 5 m i n ， 每天包含 2个循环 。 1 2 测试分析 1 2 1 参 比电极 类型 参 比电极 ： A g A g C 1 ( 0 5 m o l L K C 1 ) 电极 与 自制 T i 衰减探头相结合构成复合参 比电极体系， 监测防护 系统的全寿命效果。因为尽管前者反应灵敏 、 准确 ， 但 一 般在海港工程环境中的使用寿命 只有 1 5 2 0年 ， 作 为预埋装置 ， 破坏后难以更换 ， 无法提供海港工程结构 全寿命周期 内的全程监测 ； T i 衰减探头是一种长效型 的参 比电极 ， 能够用于钢筋混凝土 电位测量 ， 但作 为参 比电极时 自身的半电池电位是不可逆和不稳定 的， 不能 用于测量钢筋混凝土的绝对电位 ( 瞬时断电电位 ) ， 或超 过 2 4 h的电位衰减， 但可用于判断电位在 2 4 h内的变化 ( 在“ 接通” 和“ 断电” 之间) 。复合参 比电极体系兼顾了 两种参比电极的优势， 确保测量的准确性和完整性。 1 2 2测 试项 目 各预埋件均通过连接 电缆 与电源正 、 负极及试验 仪器相连接 ， 测试系统组成见 图 2 。参照文献 4， 5 ， 作如下测试。 榆 溯 系 统 制 系 统 2测试 系统组成 ( 1 ) 极化对试块进行阴极极化 ， 极化 电位恒定为 一 9 0 0 m V 相对于 A g A g C I ( 0 5 mo L L K C I ) 参 比电极 ， 下同 ， 从 自然电位开始 ， 记录恒 电流极化 、 极化电位极 化各时间段 的极化电位 时间曲线 ， 为后续试验提供稳 定的检测状态。 ( 2 ) 瞬时断电电位依据 E N 1 2 6 9 6 中 8 6 a 检测。 ( 3 ) 极 化衰 减 依 据 N A C E R P 0 2 9 0 J ， E N 1 2 6 9 6 中的 8 6 b ， 8 6 c ， 在钢筋受 到充分极化后 ， 断开 电源停 止阴极保护 ， 进行检测。 ( 4 ) 长期极化对阴极保护系统施加一定的保护电 位进行长期阴极极化， 通过监测外加电源的输出电压、 输 出电流、 钢筋的受保护电位随时间的变化趋势， 进行检测。 ( 5 ) 试片腐蚀将连接着钢筋 的腐蚀试片取 出， 除 去表面的附着物 ， 观察腐蚀试片的表 面状态 ， 分析试块 受保护的情况。 以上各试验次序 ： 极化试验转 为恒电位极化一瞬 时断电电位检测一 极化衰减试 验一长期极化试验 ( 9 0 d ) 一腐蚀试片进行表面检测 。 1 2 3测试设备及材料 ( 1 ) C S 3 5 0电化学工作站 ， 配合 C o r r T e s t 电化学测 试系统进行数据采集与分析 。 ( 2 )C a n i n+锈蚀 分析仪 ， 自带 C u C u S O 参 比电 极， 检测模型表面电位。 ( 3 ) 定制恒压恒流源 ， 输 出电压 08 V， 电流 0 5 0 0 mA。 ( 4 ) T i 网阳极 ， 尺寸为 4 0 0 mm1 3 mm( 长 宽) 。 I r O ： T a O 金属氧化物涂 层 ， 1 1 0 m A m 电流密度下 的 预期使用寿命超过 1 0 0年 。 1 2 4测 试结 果判 别标 准 ( 1 ) 半电池电位依据半电池电位与钢筋腐蚀的 关系， 混凝土内钢筋腐蚀的判断标准见表 1 。 表 1 钢筋 自然 电俺 钢 筋腐蚀的关系 ( C u C u S O 参比l 极 ) AS TM ( 一8 7 6 6 l J TJ 2 7 09 8 GB r 5 0 3 4 42 0 0 4 8 E m Y ( 腐蚀 ) mV q ( 鹏蚀 ) E m V 7 ( 腐蚀) 一3 5 0 一 1 0 一2 O 0 l 0 2一) - 一 2 0 0 5 ( 2 ) E N 1 2 6 9 6根据 E N 1 2 6 9 6： “ 2 0 0 0混凝 土中钢 筋的阴极保护” 8 6 ， 任何大气中的结构， 满足以下一个 要求即为具有代表性的点 ： 瞬时断电电位 ( 直流 回路断开后 0 11 0 s 测 得) 低 于 一7 2 0 mV； 去除 脶 降的断电瞬间的“ 初始 ” 极化 电位 ， 在停 止阴极保护后最大 2 4 h的衰减值应不小于 1 0 0 m V； 去除 降的断电瞬间的“ 初始 ” 极化 电位 ， 在停 止阴极保护后电位衰减超过给定时间 ( 典 型的为 2 4 h 或更长 ) 的衰减值应不小于 1 5 0 m V。 2 结果与讨论 2 1 模型合理性验证 2 1 1 腐蚀 性 环境 试验初期试块表面的电位变化见图 3 。由图 3可 ， 厶 z 挺 一 镰 知 ： 试验初期 ， 相对于 C u C u S O 参 比电极 ， 钢筋混凝土 试块的表面电位值基本上都在 一 3 5 0一 5 5 0 m V， 局部 点的表面电位可达 一 5 5 0一 6 5 0 m V， 结合表 1可知腐 蚀发生的概率极大。考虑到海港工程结构到后期由于 潮汐作用 、 C l 一 渗透 、 混凝土碳化等不利影响 ， 腐蚀情况 将会加剧 ， 可以认 为模拟 的人工海水满足海港工程环 境的腐蚀介质要求。 1 o 罴 ， l “主能 If 1I 融 。0 j l l li 玳 、 j l 3 i t 块 f 蜓 文l i i ， ， ， ； j 2 1 2 C 1 一 含 量 变化 试块浸泡初期和末期 ( 1 0 0 d或 以上 ) 内部的 C l 一 含量 ( 以水泥质量计 ) 的结果见 图4 。从图4可以看出， 混凝土内部的 c l 一 含量随浸泡时间逐渐增加 ， 随深度逐 渐降低 ， 与 自然环境下的实际情况相 同。 i皇 1 4 C I 一 l ； 翔 ： 2 1 3水位 变化 规律 模型的水下 区将长期处 于人造海水 的浸泡 中， 大 气 区由于蒸发作用将长期处于类似于海洋大气的环境 中， 浪溅 区和水位变 动区将周期性 地 出现水位变化 。 图 5为试块 自腐蚀 电位的电化规律。图 5表 明： 循 环 水系统正常工作情况下， 试块 自腐蚀 电位出现周期性 变化 ， 与 自然环境下 的实际情况相似。 一J 3 2 -0-3 3 3 4 乏 棚 3 5 岫 - - 0 3 6 3 7 -0 3 8 ， 5 j 埘 l ， f r j l ! t 2 。 2 讨论 2 2 1 极化 性 能 考虑到试块模型 内部钢筋周 围的条件、 结合相关 工程实例 ， 以 5 01 0 A c m 保护 电流密度对试块 进行缓慢恒电流极化 ， 结果见图 6 。由图 6可以看 出： 加载初始极化 电流后 ， 试块 电位值逐渐负移 ， 并慢慢靠 近设计值 一9 0 0 m V， 达到 一9 0 0 m V时， 将极 化方式 由 恒电流极化转 为恒 电位极化 ； 由于周 围外部环境等影 响， 极化 电位稍有波动 ， 但是一直保持负移的趋势。 l ， j 互 l 6 砸电做化 I U 一 时f H j 曲线 2 2 2瞬时断 电电位 恒电位极化稳定状态下断电 3 s 后接通 ， 在直流 回 路断开后 0 1 1 0 s后接通电源 ， 继续恒电位极化一 段时间待电位稳定后进行重复测量 ， 直至试验结束 J ， 结果见 图7 。 L 0一 一 一 一 一 一 一一一一 5 ( j 1)i 0( 1O l 5 00 2 0 0 0 2 5 0 0 t h 7 ” 托 I I I I! i 鼍 一 时叫线 在阴极极化一段时间后 ， 试块中的钢筋被充分极化， 当极化断开后 ， 由于混凝土中不再存在极化电流， 混凝土 电阻等原因造成的侬 降可以忽略， 可以得到钢筋 的瞬时 断电电位， 即钢筋极化电位。本试验中试块瞬时断电电 位见表 2 ， 平均值为 一 7 8 7 6 4 m V ， 符合 E N 1 2 6 9 6保护准 则中瞬时断电电位负于 一 7 2 0 m V的规定 。 2 试块嵌 II姆 时 断电 也f 数 f 檄化l ： - 9 0 0 mV ) t 数 叫蛳 ) ， 、 址 符 怀准 1 7 s 7 ， s 8 足 ： 7 8 8 ： l 越 7 4 s 7 越 。s 7 址 ? 赴 l _ 、 4 f 0 2 2 3 极化 衰减 恒电位极化稳定后 ( 约 6 h后) ， 切断外加 电源， 从 ： 一 一 一 孙 1 ， 材 料 偶 t t j I 。 。 I 奴 札 恒 电位极化转入极化衰减 ， 再持续 7 2 h结束 ， 根据 T i 衰减探头的特性 ， 取其 2 4 h内的数据 ， 两条极化衰减 曲 线见图 8 ； 以表 1中的瞬时断电位平 均值 一7 8 7 6 4 m V 作为 A g A g C 1 参 比电极测得 曲线 的起 始点 ， 以试 验过 程中测得 的瞬时断电电位 一 5 6 5 8 7 mV作为 T i 衰减探 头测得曲线的起始点 ， 计算极化衰减电位 ， 结果见表 3 。 ， 900 8 ) O - 700 -6 0 0 5 【 H ) 4 0 0 3 0 0 2 0 0 一 l 0 O 8 J i = 块幞 ， 鹳书 醍 化衰减 ll乜 他 叫 曲线 是3 试块嵌 极化建减电他数撤 根据表 3可知 ， 试块在去极化 2 4 h后 ， 双参比电极 测得的极化衰减值均超过 1 0 0 m V， A g A g C 1 参 比电极 测得 的 7 2 h衰 减 电位 值 为 3 5 0 6 8 mV， 均 满 足 E N 1 2 6 9 6 保护准则中对电位极化衰减值的要求。 2 2 4长期极 化 试验初期将试块保护电流密度取值设为 5 0 1 0 A c m ， 对试块进行恒 电流极化 ， 使钢筋 电位极化 至 一1 0 5 0一一7 7 0 m V保 护范 围后 ， 维持在该 输 出电 压 电流对钢筋进行极化 ， 3个月 内电压 、 输 出 电流、 极 化 电位随时间的变化见图 91 1 。 (3 互 潼 2 l 3 0 6 0 9 0 t d 【堑 l 9 长期极化时输 L l 电 一 时问 I l J 线 1 0 长期擞化输 瀛 州 I j 线 1 xJ 一 l ( ) 暑 一8 ) 【 ) 一 7 【 x 】 基 10 一5 0 0 4 0 0 t I K 儆化【 l 、 f 橄 化 一 时f 1 曲线 结果表明 ： 随着系统运行时间的推移 ， 极化电位值 比较稳定 ； 输 出电流有逐渐减小的趋势 ， 由极化初期的 1 6 m A降至末期的 1 1 m A左右。其原因可能是 ： 在运 行初期钢筋表面需要 的初期极化 电流 密度 一般 较大， 待其表面产生致密氧化膜后维持期所需要 的保护 电流 密度相对较小 ， 这符合 阴极保护项 目的规律。 此外 ， 根据有关施工案例 的报道 ， 在系统运行 的过 程中， 随着构件的寿命增加 ， 系统的总 回路电阻将随极 化时间的延长而增加， 保护电流密度逐渐减小 。 。 ， 这与 本试验结论吻合。 本试验持续时间较长 ， 前 2 4 h极化电位 时间状态 见 图 1 2 ， 其电位受水位变化作用影响 ， 与水位变化 的规 律 一致 。 1 2长驯橄化 时 j j 2 4 h阪| 二 l uf 豇一 f ,f l rl l 曲线 2 2 5试 片腐蚀 形 貌 试片腐蚀表面形貌见图 l 3 。由图 l 3可见 ， 受保护 试片表面基本没有大片腐蚀 ， 也未见明显的点蚀坑， 表 面整体较为均匀一致 ， 说明电流分散较为均匀 ， 构件各 部位均受到了有效保护； 试 片局部有少量黑褐色物质， 产生原因 ： ( 1 ) 安装过程 中的碰擦 ， 损坏 了金属基体 ； ( 2 ) 安装后未及时通 电保护 ， 混凝 土内部的 C l 一 含量相 对较高 ， 产生了局部腐蚀 ； ( 3 ) 腐蚀试片取 出后产生的 腐蚀。 c a)术坶 八I 时的 仞 始 状 态 ( I )跌盼 缩 水 的 状 恣 1 3 腐蚀 试”太 肜吼 3 结论及 建议 ( 1 ) 模拟的水循环系统为高腐蚀环境， 可以满足模拟 自然海洋环境高腐蚀性 、 潮汐变化、 实际工程环境等要求。 ( 2 ) 试 块 瞬 时断 电电位 、 极 化 衰 减结 果 均 满 足 E N 1 2 6 9 6相关检测指标 ， 所设计的外加电流阴极保护 系统可以对结构提供有效保护。 ( 3 ) 外加电流保护系统 可以长期对结构提供有效 保护； 试块在受到保护的状态下， 腐蚀受到抑制， 未出 现大面积腐蚀现象。 ( 4 ) 目前尚未见到国内实际工程对 外加 电流 阴极 保护技术长期保护效果的检测结果 ， 建议结合工程实 例 ， 对结构进行长期保护效果监测。 ( 5 ) 采用 T i 网带型阳极是工 程首选， 但实际施 工 中面临可能产生短路搭接现象 、 用量 巨大 、 工艺复杂 、 施工效率低下等问题 ， 建议开发更为便捷 、 安全 、 经济 的钛 阳极产 品 。 ” +“+”+” +“+一+” +”+ 参考文献 葛燕， 朱锡昶， 朱雅仙， 等 混凝土中钢筋的腐蚀与阴 极保护 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 7 ： 2 7 3 2 7 6 D a i l y S F Us i n g C a t h o d i c P r o t e c t i o n t o C o n t r o l C o r r o s i o n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e S t r uc t ur e s i n Ma r i n e Env i r o n me n t s R O L s 1 ： C o r r p m C o m p a n i e s ，I n c 2 0 0 9 h t t p： www e pi c u r o c o u k up l o a d s c p 1 4 pd f 2 0 0 9 何小松， 赵 娟 盐雾 环境下钢筋混凝土 的阴极保护 J 港工技术， 2 0 0 9 ， 4 6 ( 3 ) ： 3 6 3 8 NAC E RP 0 2 9 0， I mp r e s s e d C u r r e n t C a t h o d i c P r o t e c t i o n o f R e i n - f o r c i n g S t e e l i n At mo s p h e r i c a l l y E ) 【 p 0 s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s S E N 1 2 6 9 6 ： 2 0 0 0 ， C a t h o d i c P r o t e c t i o n of S t e e l i n C o n c r e t e S AS TM C8 7 61 9 91，S t a n d a r d Te s t Me t h od f o r Ha l f c e l l P o t e n t i a l s o f U n c o a t e d R e i nfo r c i n g S t e e l i n C o n c r e t e S J T J 2 7 0 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 S G B T 5 0 3 4 4 2 0 0 4， 建筑结构检测技术标准 s Ke p l e r J L， Da r w i n D， I c k e C E， e t a 1 E v a l u a t i o n o f Co r m s i o n P r o t e c t i o n Me t h o d s f o r Re i nfo r c e d C o n c r e t e Hi g h wa y S t r u c t u r e s R O L S 1 ： s n ， 2 0 0 0 0 5 h t t p ： 、 n i r i k u e d u p u b l i c a t i o n s S M 5 8 P D F C l e me n a G G J a c k s o n D R C a t h o d i c P r o t e c t i o n o f C o n c r e t e B r i d g e D e c k s U s i n g T i t a n i u m Me s h A n o d e s R O L S 1 ： s n ， 2 0 0 0 0 2 h t t p ： n t 1 b t s g o v l i b 1 6 0 0 0 1 6 3 0 o 1 6 3 l 4 P B 2 0 0 01 0 3 3 9 7 p d f 编校 ： 严灿 】 美 国 哥 伦比 亚 化 工 公 司 0 I I1 B I A 砸 C A L C O M) 是 世 界 领先的电镀锌技术专 业公 司 ，南京天 行表面技术有 限公司是其 中国华东地 区总代理 。为企业提供高品质 的环保 电镀锌和锌合金添加剂 ，现 因业务发 销售经理 、销售工程师 男性 ，3 5 岁左右 电化学 或相关 专 业 。本科及 以上学历 。有 电镀及市 场营销经历 能经常出差有外资企 业工作经历者优先。 技术经理 、技术工程师 历 ，电化学 或电镀工艺专业 ，能经常 出差 ，有镀锌生产经验 或熟悉英语者 优先 。 电镀工艺员 2 5 岁 以上 ，电化学 或相关专业， 大专 以上学历 ，熟悉 电镀工艺技术和 1 j J j J 1 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 r L r L r L r ；rrl 霪