氯盐环境中钢筋混凝土阴极防护技术有关问题初探.pdf

2 0 1 0年 第 4期 (总 第 2 4 6 期 ) Numb e r4 i n 2 01 0( To t a l No2 46) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 1 0 氯盐环境中钢筋混凝土阴极防护技术有关问题初探 朱雅仙 ，蔡伟成 ，吴烨，李森林 ( 南京水利科学研究院 水利部水科学与水工程重点试验室，江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ) 摘要： 盐污染环境中由于氯化物引起钢筋腐蚀导致钢筋混凝土结构过早破坏， 是世界上普遍存在的现象。 对新建钢筋混凝土结构进行 阴极极化 以预防腐蚀的方法称为钢筋混凝土阴极防护技术 。介绍阴极防护与阴极保 护的异同 ， 对阴极防护中保护准则和防护 系统寿命进 行 了初步探讨 ， 为钢筋混凝土阴极防护技术有效合理应用提供参考。 关键词 ： 氯盐环境 ；阴极防护 ；保护准则 ；阳极寿命 中图分类号 ： T U5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 3 1 0 3 P r el i m i na r y s t ud y on c a t ho di c pr e v en t i on o f r e i nf or c e d c onc r e t e s t r uc t ur e i n c hl or i de s a l t e nv i r on m e n t Z HU Ya - x i a n， CAIW e i c h e n g， WU Yc ， LIS e n l i n ( K e yL a b o r a t o r yo f Wa t e r S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， Mi n i s t r yo f Wa t e r R e s o u r c e s ， Na n j i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c hI n s t i t u t e ， Na mg 2 1 0 0 2 4 ， Ch i n a ) Ab s t r ac t ： I t i s t h e mo s t c o mmo n p h e n o me n on t h a t r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u ffe r p r e ma t u r e d e t e r i o r a t i o n fr o m c hl o rid e i n d uc e d r e i n f o r c i n g c o r r o s i o n i n c h l o rid e s a l t e n v i r o n me n t Th e me t h o d o f a p p l y i n g c a t h o d i c p o l a r i z ati o n t o pr e v e n t c o r r o s i o n o f n e wly b u i l t r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc tur e i s c a l l e d c ath o d i c p r e v e n t i o n I t ma inl y i n t r o d u c e s t h e d i ffe r e n c e b e t we e n c a n t h o d i c p r o t e c t i o n an d c a t h o d i c p r e v e n t i o n， a n d p r e l i mina ril y s t u d i e s p r o t e c t i o n c ri t e rio n of c a t h o d i c p r e v e nt i o n a n d s e r v i c e l i f e o f pr o t e c t i o n s y s t e m ， whi c h p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h e r e a s on a b l e a p pl i c a t i o n of c a t h o d i c p r o t e c t i o n f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e Ke y wor ds ： c h l o rid e s a l t e n v i r o n me n t ； c a t h o d i c p r o t e c t i o n； p r o t e c t i o n c r i t e rio n； a n o d e l i f e t i me 0 引言 处于海洋 、 撤除冰盐等盐污染环境中的钢筋? 昆 凝土结构 ， 由于氯盐的侵蚀， 造成钢筋腐蚀被公认为是导致其破坏的主要 原因， 并已成为全世界普遍关注和日益突出的一大灾害， 不仅 造成了巨大的直接和间接损失 ， 而且还造成有限资源的大量消 耗、 污染环境、 威胁人身安全【 l _ 2 】 。 近年来， 随着大量重大工程的建设和对可持续化发展、 环保 和节约资源的要求， 国际上许多重大工程均要求 1 0 0年以上的 设计使用寿命， 我国新建和拟建的大量跨海大桥 、 隧道和高速 公路大型桥涵等重大基础设施工程也均要求 1 0 0年以上的使 用寿命。 但根据已有工程腐蚀破坏的调查和国内外大量工程实 践证明， 要达到 1 0 0年以上的使用寿命， 在提高混凝土保护层 的耐久性的同时， 必须采取附加防护措施 ， 目前针对氯盐环境 中钢筋混凝土结构的防护技术主要有混凝土表面涂层、 使用耐 蚀钢筋、 阻锈剂和阴极防护。其中阴极防护是从腐蚀电化学机 理出发 ， 被认为是防止钢筋腐蚀最为有效的技术 ， 一些大型基 础设施开始采用阴极防护措施， 以提高其使用寿命 。本研究 对新建钢 筋混凝土 结构阴极 防护 中部 分相关 问题 进行 了初步 探讨 ， 以利于混凝土结构阴极防护技术更为合理 、 有效的实施。 1 混凝土 阴极 防护 的发展 早在钢筋 昆凝土成为常用的建筑材料之前的 1 8 2 4年， 阴 极保护原理就已确立。 2 0 世纪 5 O年代起， 阴极保护技术被引用 收稿 日期 ：2 0 0 9 一 l 2 2 8 到混凝土结构上 ， 用于防止海中或地下混凝土结构中钢筋的腐 蚀。1 9 7 3年， 美国加里佛尼亚交通运输部首次将阴极保护技术 成功应用在美国圣克拉蒙市以东的内华搭山区 5 0号公路 S l y 桥的桥面板上， 这是在暴露于大气中的氯化物引起严重破坏的 钢筋混凝土典型结构上实施阴极保护的第一个成功范例， 运行 2 0年后， 仍然 良好 ， 此后国外尤其是欧美一些发达国家， 对阴 极保护技术在钢筋混凝土结构上的研究、 开发和应用 E I 益重视。 近 l O年来， 国外已经愈来愈多地将阴极保护作为一项能够为 钢筋混凝土结构提供长期保护的经济有效的防腐蚀措施， 保护 效果已得到公认。 1 9 9 0 1 9 9 3 年间， 意大利为了预防建造在预应力混凝土箱梁 上的一些新建公路高架桥在撤除冰盐后遭受的腐蚀破坏 ， 对其 实施了阴极保护 ， 获得成功， 开创了预防性的阴极保护新领域。 自此 以后，阴极保护不仅用于阻止氯化物污染的结构物中钢筋的 腐蚀 ， 而且用于预防氯盐污染环境下新建结构物中钢筋腐蚀， 提 高其耐久性。这种预防性的阴极保护技术通常被称为阴极防护。 阴极防护与阴极保护均有牺牲阳极和外加电流两种方式， 保护系统组成也相同， 两者应用对象和保护原理不同， 所需的 保护电流密度大小 也有所差异 ， 见表 1 。 2 阴极 防护保护 准则的初探 保护准则是判断保护效果的依据。评价极保护是否充分可 以从热力学和动力学两个角度考虑， 从热力学角度就是将钢筋 阴极极化钢的稳定区， 从动力学角度就是降低钢筋腐蚀速度至 3l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 阴极保 护和阴极 防护的异同 名称 保护对象 原理 电流密度 ( mA m )实施方式 系统组成 可以接受的程度或维持钢筋的钝化。由于混凝土结构阴极保护 和阴极防护的原理不同， 其保护准则也应有所差异。 对于钢筋混凝土结构 的阴极保护 ， 国际上一些 国家制定 了 相应的混凝土结构阴极保护标 准 ， 如 N AC E标准 R P 0 2 9 0 、 欧洲 标准E N1 2 6 9 6 和澳大利亚标准 A S 2 8 3 2 5等， 这些标准中均规定 了阴极保护的保护准则， 目前钢筋混凝土结构阴极保护中用得 较多的保护准则为 ： 保护电位准则 普通钢筋： 一 7 2 0 一 9 0 0 mV( V S A g A g C l 0 5 mo l L KC 1 ) ； 预应力钢筋： 一 7 2 0 1 1 0 0m V( 同上) 。 极 化发展 衰减值 1 0 0 mV 。 对于钢筋 尚处于钝化状态 的新建结构 ， 由于钢筋表面状态 和周围环境条件不同于老混凝土结构， 两者腐蚀行为和电化学 极化行为将有显著差异， 因此阴极防护的保护准则应有所区别。 正如 B e r t o l i n i ， L 1 8 1 等指出的， 当阴极保护作为一种防止混凝土 中钢筋腐蚀的措施， 用于保护暴露于氯盐环境时间不长， 因而 钢筋周围氯离子含量积累量尚未使钢筋表面钝化膜破坏的钢 筋混凝土结构 时 ， 只要 进行微量 的极 化 ， 以维持 钢筋处于不发 生点蚀 的电位范围内。 由于钢筋在高碱性混凝土中具有钝化性能， 在氯盐环境下 钢筋的腐蚀是以氯离子侵入 、 导致钝化膜破裂而发生点蚀为特 征 ， 因此将电位极化至负于点蚀电位就能防止钢筋腐蚀， 即可 将钝化膜破裂的点蚀电位作为保护电位的下限。P e d e f e r r i t o t 研 究了不同氯离子含量对点蚀电位的影响， 结果如图 1 所示， 图中 示出了不同腐蚀状态钢筋所处的位置以及阴极保护 阴极防护 的路径。图中： A区， 钢筋上会产生新的点蚀源， 原有点蚀区也 会进一步发展； B区， 不会产生新的点蚀， 但原有点蚀会进一步 发展； C区， 既不会产生新的点蚀源， 原有点蚀区也不会发展 ； D区， 开始析氢， 高强钢筋会存在氢脆的危险； E区， 大量析氢引 起钢筋 混凝土界面结合强度的下降。 由此可见， 对已腐蚀的钢 筋必须阴极极化 C区才会停止腐蚀； 而尚未腐蚀的钢筋只要阴 极极化至 B区， 就不会发生腐蚀。因此 对于新建钢筋混凝土结 构的阴极防护而言， 可以提高保护电位的上限值。 0 Cl 一 含 量 ( 以 水 泥 质 量 计 ) 图 1 混凝土中氯离子含量对点蚀电位的关系 测量了 0 4 5 水灰比混凝土中钢点蚀电位和修复电位( 阴极 保护电位下限值) 随氯离子含量的关系图( 见图2 ) ， 钢在混凝土 中点蚀电位较修复电位正约 3 0 0 mV。由此可见对于新建钢筋 混凝土结构阴极防护， 可以显著降低保护电位下限。 3 2 Cl 含 量 图 2 0 4 5水灰 比混凝土 中钢点蚀电位和修复 电位 随氯离子含量的关系图 降低阴极防护保护准则的电位下限具有以下意义： ( 1 ) 减少电流密度， 降低能耗； ( 2 ) 减少阳极发射电流， 提高阳极寿命； ( 3 ) 降低阳极表面反应速度， 延缓阳极 混凝土界面因酸化 性能恶化， 提高系统保护寿命 ； ( 4 ) 远离析氢电位， 完全避免高强钢丝预应力混凝土的氢 脆 危险。 3 阴极防护 系统的使用寿命初探 阴极防护系统的使用寿命由系统各组成部分决定， 由于电 源系统、 电缆和检测设备等较易更换 ， 而阳极系统则直接浇筑 于结构表层时， 阳极系统的失效将导致整个阴极防护系统的的 失效， 因此其寿命主要由阳极系统决定。 3 1 阴极 防护 的 阳极 系统 对于处于水位变动区以上部位非饱水的混凝土结构， 由于 混凝土电阻率高且不均匀， 受环境影响大 ， 使用传统的阴极保 护阳极材料及其布置方式无法使大面积钢筋网的所有部位都 能得到均匀有效的保护， 因此钢筋混凝土结构阴极保护 阴极防 护技术成功应用的关键是必须有一种合适的阳极系统使保护 电流能在混凝土这种高电阻率的结构上均匀分布， 因此合适的 阳极系统的研究和应用是钢筋混凝土结构阴极保护的主要工 作之一。几十年来先后开发出多种辅助阳极系统 ， 其中活化钛 阳极 +混凝土覆盖层适合于各种结构表面， 据称阳极寿命可达 到 2 5 1 0 0 年， 是目前应用最成功最广泛的阳极系统。 活化钛 阳极是在钛基材表面涂覆催化的铂 、 铱 、 钽或钌 的氧化物的混合物， 通常称为 MMO阳极。 MMO网状阳极于 1 9 8 5年在加拿大安大略省一座桥面板阴极保护中首次使用 1 l 1 ， 之后， 在全世界超过 1 4 0万 m， 的钢筋混凝土结构阴极保护系统 安装这种阳极， 我国杭州湾跨海大桥和廊坊至涿州高速公路永 定河特大桥阴极防护均采用了MMO阳极系统。 3 2 阳极强化寿命 目前阳极的使用寿命一般按照 N AC E T M 0 2 9 4标准嘲 进行 测试， 据报道， 我国有关单位已开发出了强化寿命达到2 4 1 d的 MMO阳极， 阳极输出电流为 1 1 0 m A m 时， 预计寿命大于5 o g。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对 目前我国市场上的两种混凝土阴极防护用 MMO阳极 ( 产品A和 B) ， 按上述标准进行了强化寿命检测， 结果见图 3 。 1 l 1 呈 、 0 20 40 6 0 8 0 l O O 时 间 ， d 图 3市售 两种 MMO产 品的强化寿命 由图 3 可见 ， 产品 A的强化寿命为 3 1 d和 8 1 d ， 阳极输出 电流为 1 1 0 mn m ， 预计寿命只有 7年和 1 8年； 产品 B在通电 4 d后就失效， 预计寿命不到 1 年。由此可见， 我国目前市场上 的MMO阳极质量参差不齐， 且同一产品寿命相差较大， 质量 不均匀 ， 因此在实施混凝土阴极防护前 ， 需要对阳极产品进行 相关的质量检验。 3 3 阳极 系统的使用寿命 目前在阴极防护 保护设计中， 一般将阳极的强化寿命看 作阳极系统的寿命。但安装于混凝土表面的活化钛网和格栅阳 极需要加水泥基覆盖层 ， MMO阳极与高碱性的混凝土孔隙液 直接接触， 在运行过程中， 阳极 混凝土界面阳极反应发生下式 所示的阳极反应， 产生 H 不易扩散出去 ， 会导致界面混凝土之 间酸化 ，阳极 混凝土界面黏结力下降而导致整个保护系统过 早 失效【 。 2H2 O一 4e 4 H十 + 02 南京水利科学研究院于 2 0世纪 8 0年代中期在我国率先 开展了海工钢筋混凝土上部结构强制 电流阴极保 护研究 ， 曾在 我 国东南沿海的部分码头进行了工程试点和应用。但在不到 5年的时间阴极保护系统就失效， 其原因除了当时的认识水平、 管理力度不足外， 更主要的是由于阳极反应导致表面水泥基覆 盖层脱落 、 阳极系统的失效造成的。 因此在研究阴极防护系统的寿命时， 需要加强研究阳极反 应对 阳极覆盖层的影响。 4结语 ( I ) 近年来国内经济迅猛发展 ， 特别是在沿海和西部氯盐 污染严重的区域兴建了大量钢筋混凝土结构物， 钢筋混凝土结 构阴极防护能有效防止钢筋的腐蚀 ， 提高其耐久性。 ( 2 ) 新 建混凝土结构 的阴极防护可 以采用 正于阴极保护 的 保护准则 ，其保护准则的提出有利于降低外加电流的能耗， 延 长保护系统的寿命 。 ( 3 ) 混合金属氧化物钛网阳极系统是目前盐污染钢筋混凝 土结构阴极防护中应用最广泛的阳极， 其使用寿命不仅与本身 性能有关， 还与表面水泥基劣化有关 ， 因此应加强研究阳极反 应对 阳极覆盖层 的影 响。 参考文献 ： 1 】 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护【 M 1 北京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 8 2 2 何小松， 赵娟盐雾环境T N N S i 的阴极保护 港工技术， 2 0 0 9 ， 4 6 ( 3 ) ： 3 6 3 8 3 陈涛 混凝土结构外加电流阴极防护技术及其在工程中的应用l J l _桥 梁建设， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 1 2 1 5 4 】黄焕谦 海港混凝土建筑中钢筋的外加电流阴极保护 J 1 _ 海洋科学， 2 0 0 7 ， 3 1 ( 7 ) ： 8 6 8 9 5 李伟祥桥面混凝土阴极保护【 J 】 _ 科技资讯， 2 0 0 9 ( 2 1 ) ： 3 0 6 】P E D E F E RR I P C a t h o d i c P r o t e c t i o n a n d C a t h o d i c P r e v e n t i o n O C o n s t - r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 1 9 9 6， l O ( 5 ) ： 3 9 1 4 0 2 7 】邱富荣， 石小燕， 余兴增， 等 钢筋混凝土构筑物电化学保护的新进 展I J J 腐蚀科学与防护技术， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 5 ) ： 3 0 3 3 0 7 8 B E R T O L I N I L ， B O L Z O N I F ， C I G AD A A， e t a 1 C a t h o d i c p r o t e c t i o n o f n e w a n d o l d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C o r r o s i o n S c i e n c e ， 1 9 9 3 ( 3 5 ) ： 1 63 3 一l 6 3 9 9 K U MA R V P r o t e c t i o n o f s t e e l r e i n f o r c e me n t f o r c o n c r e t e A r e v i e w J C o rr o s i o n R e v i e w s ， 1 9 8 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 3 1 7 3 5 8 1 0 P E DE F E R R I P C a t h o d i c p r o t e c t i o n a n d c a t h o d i c p r e v e n t i o n J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 ( 5 ) ： 3 9 1 4 0 2 1 I D AI L Y S F ， K E N D E L L K C a t h o d i c p r o t e c t i o n f o r n e w c o n c r e t e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 6 ) ： 6 3 6 8 1 2 N AC E S t a n d a r d T M 0 2 9 4 2 0 0 1 ， S t a n d a r d t e s t m e t h o d ， t e s t i n g o f e m b e d d a b l e i mpr e s s e d c u rre n t a n o de s f o r u s e i n c a t h o d i c p r o t e c t i o n o f a t m o s p h e r i c a l l y e x p o s e d s t e e l - r e i n f o r c e d c o n c r e t e S 1 3 蔡天晓， 陈航 ， 鞠鹤， 等 钢筋混凝土阴极保护用高性能涂层钛阳极叽 腐蚀与防护， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 5 2 1 5 2 5 f 1 4 C R A MER S D， C O VI NO J R B S ， B U L A RD S J ， e t a 1 C o rro s i o n p r e v e n t i o n a n d r e me d i a t i o n s t r a t e g i e s for r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o a s t a l b r i d g e s 叽 C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 2 ( 2 4 ) ： 1 0 1 1 1 7 作者简介： 朱雅 J ( 1 9 6 2 一 ) ， 女， 教授级高工， 从事腐蚀与防护研究。 单位地址： 南京市虎踞关 3 4 号 南京水利科学研究院( 2 1 0 0 2 4 ) 联 系电话 ： 1 3 8 5 1 4 5 7 6 0 5 三一集团首次实现单季销售过百亿 延续去年下半年持续向好的回升态势， 2 0 1 0年第一季度， 三一集团销售收入突破百亿大关， 较 2 0 0 9 年同比增长 1 5 0 以上。 2 0 0 7年销售破百亿 ， 三一集团花了十多年时间； 而这一次 ， 三一集团再次突破百亿， 只用了短短三个月的时间， 这其中， 还要刨 去春节十余天的空档。面对 2 0 1 2年“ 攀千亿” 的中期 目标 ， 三一正加速跑在“ 千亿之路” 上。 2 0 0 0年， 三一销售不到 4亿； 2 0 0 6年销售收入是 8 1 1 亿， 在这一年， 三一的产业利润与投资收益加起来超过三一介入工程机械 行业 1 2年的总和； 2 0 0 7年， 三一销售收入过百亿 ， 成为了湖南首家百亿级民企 ， 公司随即提出2 0 1 2 年销售过千亿的目标。 现在走到 离 2 0 1 2年千亿目标还剩两年的时间节点上 ， 同样是破百亿， 公司只用了不到三个月。 巨大的投资总能成为市场的强心剂。我国在 2 0 0 8 年年底启动了四万亿投资计划， 根据项 目周期推算 ， 2 0 0 9年一季度是项目申 报审批和落实资金阶段， 二季度进入前期土地平整动迁 ， 三季度 、 四季度开始陆续有项 目进入开工期。由于三季度是南方地区的梅 雨季节， 四季度是北方地区的严寒冬季 ， 这必然影响部分工程项 目的正常进展。因此， 今年上半年仍将有大量的四万亿投资项 目进 入开工施工阶段， 再加上去年新开工项 目的延续施工规模， 其必然拉动整个工程机械行业持续保持旺销态势。 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m