混凝土鋼筋犧牲陽(yáng)極包覆層關(guān)鍵性的探究

劉本立 張 朋 成 峰 陳子璇 任曉坤

（山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的過(guò)早失效大多是由于其中的鋼筋腐蝕所致，對(duì)于混凝土中鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)研究已經(jīng)成為一項(xiàng)緊迫且具有實(shí)際意義的課題[1]。對(duì)于金屬構(gòu)筑物來(lái)說(shuō)，陰極保護(hù)作為一項(xiàng)行之有效的保護(hù)技術(shù)，有著施工簡(jiǎn)單，不受金屬構(gòu)筑物表面施工工藝影響等優(yōu)點(diǎn)。常用的陰極保護(hù)技術(shù)分為外加電流陰極保護(hù)法和犧牲陽(yáng)極法兩種方法，犧牲陽(yáng)極法具有安裝方便，運(yùn)行成本低，無(wú)須后期專業(yè)維護(hù)等優(yōu)勢(shì)[2]，相較需要日常維護(hù)的外加電流陰極保護(hù)法更適合在難以進(jìn)行維護(hù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。

犧牲陽(yáng)極法是由活潑金屬與鋼結(jié)構(gòu)組成原電池，通過(guò)失去電子達(dá)到保護(hù)鋼筋的效果。而在混凝土結(jié)構(gòu)中，常規(guī)犧牲陽(yáng)極會(huì)因其生成的腐蝕產(chǎn)物無(wú)法有效擴(kuò)散，導(dǎo)致陽(yáng)極表面鈍化而失效。因此，混凝土中犧牲陽(yáng)極的應(yīng)用的關(guān)鍵是需要特殊的陽(yáng)極包覆層以輔助陽(yáng)極產(chǎn)物的擴(kuò)散。本研究旨在研究不同包覆環(huán)境下?tīng)奚?yáng)極系統(tǒng)的工作狀態(tài)及其有效性，對(duì)混凝土中鋼筋陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用有重要意義。

1 理論實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇

通常情況下，犧牲陽(yáng)極常常選用鋅合金犧牲陽(yáng)極、鋁合金犧牲陽(yáng)極及鎂合金犧牲陽(yáng)極；在工作條件下，鋁合金犧牲陽(yáng)極的膨脹率較高，且鋁陽(yáng)極表面易結(jié)殼；鎂陽(yáng)極的電動(dòng)勢(shì)較高，工作電壓較高，在混凝土環(huán)境下易產(chǎn)生氫脆，反而不利于混凝土結(jié)構(gòu)的完整性；鋅合金犧牲陽(yáng)極相對(duì)而言電動(dòng)勢(shì)及工作電壓最低，腐蝕產(chǎn)物松散且工作時(shí)膨脹率較低。因此，混凝土內(nèi)鋼筋的保護(hù)選擇鋅合金犧牲陽(yáng)極。

鋅合金犧牲陽(yáng)極采用符合GB/T 4950-2021《鋅合金犧牲陽(yáng)極》中I型成分的鋅合金犧牲陽(yáng)極，具體成分如表1所示，每塊鋅合金犧牲陽(yáng)極凈重約1kg。

表1 鋅合金犧牲陽(yáng)極化學(xué)成分

在混凝土環(huán)境中鋅合金犧牲陽(yáng)極必須被遠(yuǎn)高于混凝土環(huán)境的高GB堿性的環(huán)境所包覆，以防止鈍化，pH值應(yīng)至少為14。強(qiáng)堿性物質(zhì)如LiOH、NaOH或KOH可用于活化鋅合金[3-7]。鋰離子具有很好的親水性與保水作用，有助于陽(yáng)極的活化及電流的發(fā)散，所以鋅合金外包覆層中的堿性活化劑首選為L(zhǎng)iOH。NaOH或KOH也可用作鋅合金外包覆層的活化劑，但是在使用的過(guò)程中，需要添加少量LiOH。

由于混凝土體系十分復(fù)雜 ,要綜合考慮多種因素的影響[8]混凝土模型實(shí)驗(yàn)材料選用HRB400鋼筋，間距150mm，混凝土為C55，混凝土中鋼筋焊接兩處鋼片作為測(cè)試點(diǎn)及陽(yáng)極連接點(diǎn)引出，混凝土中留有尺寸為600×300×350mm陽(yáng)極放置空位，并留有參比電極測(cè)試孔，尺寸φ60mm，將制作好的混凝土模型式樣在室溫下（20℃）采用濕式養(yǎng)護(hù)法養(yǎng)護(hù)28天。混凝土尺寸為1000×1000×400mm，混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸苍O(shè)置兩個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置兩組共四塊陽(yáng)極作為對(duì)比，組1鋅合金犧牲陽(yáng)極包覆特殊包覆層后，再包覆于與鋼筋混凝土相同的混凝土中預(yù)制成可拆分的陽(yáng)極模塊，在模塊外留有2mVV1×10mm2電纜以便后期進(jìn)行電連接，陽(yáng)極模塊尺寸為600×300×350mm，共準(zhǔn)備兩塊。

組2同爐鋅陽(yáng)極不包覆特殊包覆層直接預(yù)制成600×300×350mm的立方體陽(yáng)極模塊，同樣留有2mVV1×10mm2電纜，共準(zhǔn)備兩塊。

在濕養(yǎng)護(hù)期間對(duì)混凝土式樣及陽(yáng)極模塊進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試，獲得混凝土的自然電位分布與陽(yáng)極的開(kāi)路電位。

待養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，將陽(yáng)極模塊放入預(yù)留空位中（如圖1所示），電纜焊接至提前預(yù)留好的裸露鋼筋處，分別工作60天，期間維持濕潤(rùn)以保證其電連接性，持續(xù)以Ag/Cl參比電極檢測(cè)混凝土式樣塊的電位分布情況。同時(shí)在每組第一塊陽(yáng)極實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行72h的去極化后，將每組第二塊陽(yáng)極模塊交換混凝土進(jìn)行布設(shè)，以避免陰極區(qū)帶來(lái)的誤差。

圖1 混凝土模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2 結(jié)果與討論

2.1 包覆層對(duì)陽(yáng)極開(kāi)路電位的影響

圖2分別顯示了在濕養(yǎng)護(hù)期間帶陽(yáng)極包覆層的陽(yáng)極（即組1）以及不帶陽(yáng)極包覆層的陽(yáng)極（即組2）的養(yǎng)護(hù)期間的平均開(kāi)路電位。由圖可知，組1陽(yáng)極的開(kāi)路電位的絕對(duì)值較負(fù)，且活化速度較快。

圖2 混凝土保護(hù)電位

圖2 陽(yáng)極開(kāi)路電位對(duì)照

2.2 混凝土的自然電位及被保護(hù)電位分布情況

養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，混凝土的自然電位分布如圖3所示，由圖可見(jiàn)兩混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗娢环植冀咏?，不存在較大的偏差。

圖3 混凝土養(yǎng)護(hù)期電位（自然電位）

2.3 包覆層對(duì)陽(yáng)極工作電位的影響

圖4、圖5分別顯示了混凝土內(nèi)鋼筋在布設(shè)陽(yáng)極模塊后15天及50天后的電位分布情況。由圖可知，組1陽(yáng)極的保護(hù)范圍更大，電位負(fù)向極化的能力也更強(qiáng)。

圖4 混凝土保護(hù)電位分布圖（15D）

圖5 混凝土保護(hù)電位分布圖（50D）

圖2分別顯示了在濕養(yǎng)護(hù)期間帶陽(yáng)極包覆層的陽(yáng)極（即組1）以及不帶陽(yáng)極包覆層的陽(yáng)極（即組2）分別與混凝土內(nèi)鋼筋連接后的混凝土鋼筋保護(hù)電位。由表可知，組1極化的速度較組2慢，但是在穩(wěn)定后的極化電位較組2更負(fù)，保護(hù)的效果更好。

在試驗(yàn)期結(jié)束后，組1電位依舊保持穩(wěn)定。在約40天后，組2第一次實(shí)驗(yàn)的陽(yáng)極試塊的保護(hù)電位大幅度正向偏移，直至約55天左右失效，這是因?yàn)榻M2鋅合金陽(yáng)極外部沒(méi)有特殊包覆層，鋅合金犧牲陽(yáng)極的腐蝕產(chǎn)物無(wú)法有效擴(kuò)散，導(dǎo)致陽(yáng)極表面鈍化，組2第二次實(shí)驗(yàn)的陽(yáng)極試塊也在約50天后性能大幅度降低；隨后將失效后的組2鋅陽(yáng)極從試塊中取出，放置于淡水中浸泡并持續(xù)監(jiān)測(cè)其電位20d，發(fā)現(xiàn)其電位一直保持在-0.5V左右，證明其徹底失效，且這種失效是不可逆的。

在每輪試驗(yàn)后將陽(yáng)極模塊取出，觀察陽(yáng)極槽內(nèi)介質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)組1陽(yáng)極模塊放置的陽(yáng)極槽內(nèi)的介質(zhì)均干凈無(wú)雜質(zhì)，組2陽(yáng)極模塊放置的陽(yáng)極槽內(nèi)介質(zhì)均有部分腐蝕產(chǎn)物堆積，側(cè)面證明外包覆層的加入有利于腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，緩解了混凝土環(huán)境中陽(yáng)極的鈍化。

3 結(jié)論

（1）混凝土環(huán)境中的鋅合金犧牲陽(yáng)極無(wú)法正常使用。實(shí)驗(yàn)證明，在未進(jìn)行外包覆的情況下，犧牲陽(yáng)極會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度的劣化，直至失效，導(dǎo)致整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)失效；

（2）在混凝土環(huán)境中，鋅合金陽(yáng)極的外包覆層能有效提升陽(yáng)極的工作效率，擴(kuò)大保護(hù)范圍，能夠滿足使陰極達(dá)到GB/T 21448-2017中4.4.4節(jié)100mV陰極電位負(fù)向偏移準(zhǔn)則，而未增加包覆層的鋅合金犧牲陽(yáng)極則無(wú)法滿足該準(zhǔn)則；

（3）在混凝土環(huán)境中的犧牲陽(yáng)極需要增加外包覆層才能正常的工作，輔助腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，緩解混凝土環(huán)境中鋅合金犧牲陽(yáng)極的鈍化。