陰極保護(hù)在鋼筋混凝土構(gòu)筑物上的應(yīng)用

19.5.1 設(shè)計(jì)與安裝

應(yīng)根據(jù)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素決定鋼筋混凝土構(gòu)筑物是否實(shí)施陰極保護(hù)。對于混凝土覆蓋不充分引起加強(qiáng)鋼筋腐蝕的情況，在小面積混凝土移位(斷層)部位實(shí)施陰極保護(hù)顯然是不經(jīng)濟(jì)的。相反，必須關(guān)注這種鋼筋混凝土構(gòu)筑物的主要部位，特別是在混凝土里氯離子已經(jīng)滲透很深并且濃度較高的地方。進(jìn)行修理時，要清除被氯離子污染的混凝土，但出于技術(shù)原因，只能清理到最上層鋼筋。如果更深層的混凝土里氯離子濃度依然很高，那么那里會繼續(xù)發(fā)生腐蝕。因?yàn)樾迯?fù)后的上層混凝土里的鋼筋代表新的陰極表面，所以會增強(qiáng)電池作用，促進(jìn)更深層的混凝土里鋼筋發(fā)生腐蝕?？上г谶@樣的修復(fù)工作中，至今得到的幾乎都是不成功的反面教訓(xùn)[47]。

19.5.2加強(qiáng)鋼筋腐蝕狀態(tài)的確定

開始用其他施工措施修復(fù)前，應(yīng)當(dāng)對可能的損壞情況進(jìn)行診斷[48.49]，應(yīng)有一份檢查清單[48]，列出重要的腐蝕參數(shù)和預(yù)期的腐蝕作用的類型。其中最重要的是對混凝土質(zhì)量(強(qiáng)度、水泥類型、水灰比、水泥含量)的調(diào)查、碳化深度、氯離子濃度分布狀況、水分分布狀況、有無混凝土開裂和移位等，通過目測確定腐蝕的嚴(yán)重程度。之后，也可以用上述數(shù)據(jù)對腐蝕的可能性做出評估。

腐蝕程度從其自身就可以做出判斷，例如開裂和移位說明固態(tài)腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)正在不斷生長。人們已經(jīng)很少采用小錘敲擊并根據(jù)聲音區(qū)分空心的或有裂縫的部位與未損壞部位，這種簡單的方法不能說明加強(qiáng)鋼筋是否已經(jīng)去鈍化。在混凝土中的腐蝕損壞歸因于固

態(tài)腐蝕產(chǎn)物，是按照式(2-21)來自陽極的Fe+離子后來與氧反應(yīng)的產(chǎn)物。由于混凝十的多孔結(jié)構(gòu)能夠吸收Fe2+離子，這樣的氧化部位未必就是陽極的表面。反應(yīng)部位主要是根據(jù)混凝土中 Fe2+離子和 O,這些參與反應(yīng)的組分的擴(kuò)散電流決定的(見 4.1節(jié)的解釋)當(dāng)離陽極一定距離上發(fā)生氧化反應(yīng)時，正在腐蝕的陽極依然處于不被覆蓋的狀態(tài)，后來在混凝土表面能夠出現(xiàn)銹斑。假如在陽極附近發(fā)生氧化反應(yīng)，在那里就能見到最高濃度的腐蝕產(chǎn)物，由于水化氧化鐵(鐵銹)固態(tài)腐蝕產(chǎn)物的不斷生長而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，結(jié)果在混凝土中形成裂縫、空隙和移位。

可以用混凝土表面二維電位測量值確定加強(qiáng)鋼筋的腐蝕狀態(tài)。按照3.6.2.1節(jié)中3-24的解釋，在陽極區(qū)域檢測時，這種方法已經(jīng)在一維系統(tǒng)(管道)中得到證實(shí)。

在美國，自20世紀(jì)70年代初就開始對受到氯離子破壞的公路橋進(jìn)行過這類測量[50]統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過評價后，最終制定了有關(guān)的法規(guī)[51，用于對加強(qiáng)鋼筋腐蝕的可能性概率進(jìn)行評價(見表19-2)。這種方法學(xué)在不同地點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)[52~54]

由于混凝土中鋼筋的靜電位取決于許多參數(shù)[5,41.42]，所以表19-2中的數(shù)據(jù)僅僅是粕略的近似數(shù)。影響最大的因素有水泥類型(高爐水泥或波特蘭水泥)、充氣狀態(tài)(混凝士覆蓋狀況和水分)、混凝土的熟化(膜的形成)，甚至在比Ucu-cuso,=-0.4V更負(fù)的電位下，發(fā)現(xiàn)也沒有腐蝕危險。另一方面，有陽極危險的區(qū)域顯示出比較正的電位，因?yàn)楦浇年帢O被極化，按照表9-2的判定是無害的。很明顯，靜電位在很大程度上是根據(jù)實(shí)際充

氣條件確定的[41~43]。然而，假如把有盡可能均勻一致的覆蓋層并有充氣狀況或水分的部位實(shí)測電位的解釋用來估計(jì)與圖3-24的解釋相對應(yīng)的電位梯度，就有可能對腐蝕狀態(tài)進(jìn)行分類[52~54。而且，按照圖2-7的解釋，通過陽極極化能夠提高估計(jì)值的靈敏度，因?yàn)槿モg化鋼沒有混凝土中鈍態(tài)鋼那樣容易被極化[43]

19.5.3 加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的電連續(xù)性

加強(qiáng)鋼筋的陰極保護(hù)和雜散電流防護(hù)措施均假定通過該加強(qiáng)鋼筋有著延伸的電連續(xù)性，采用鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)筑物大多數(shù)屬于這種情況，但是這要通過對加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的電阻測量加以驗(yàn)證。為此，在相距很遠(yuǎn)距離的不同點(diǎn)上清除掉混凝土后，把測量電纜連接到加強(qiáng)鋼筋上。為避免接觸電阻的影響，應(yīng)徹底除去接觸點(diǎn)的鐵銹。如果實(shí)測電阻值>12,表明沒有完全達(dá)到電連續(xù)性，那么應(yīng)將此鋼筋與已經(jīng)達(dá)到完全電連續(xù)性的鋼筋網(wǎng)其余加強(qiáng)鋼筋進(jìn)行短路連接。

19.5.4 陽極系統(tǒng)的安裝與類型

安裝陽極系統(tǒng)前必須清除掉疏松的舊混凝土，用高壓水槍或者噴砂設(shè)備能夠完成這項(xiàng)任務(wù)。將附著陽極的外表面打毛，確保陽極與噴護(hù)的水泥牢牢接合?；炷林械牧芽p必須用鑿子清理到露出底部。按照覆蓋的混凝土層的損壞程度，可以用兩種不同的方法附裝陽極。當(dāng)發(fā)生大面積損壞時，清除混凝土直到最上面那層加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)，然后噴涂第一層混凝土[見圖19-3(a)，將陽極固定在這層上，接著噴涂第二層混凝土。如果大面積舊的混凝土依然很堅(jiān)固，可以把陽極附裝在上面，最終用噴涂混凝土嵌埋「見圖19-3(b)。陽極必須供給所需要的保護(hù)電流，在結(jié)構(gòu)上必須很堅(jiān)固。在噴過程或操作中，決不可損壞舊的混凝土與新噴護(hù)的混凝土之間的結(jié)合。

在最初修復(fù)被氯離子污染的公路混凝土路面時[27，如圖19-4(a)所示，將硅鐵陽極嵌埋在一層焦炭渣里，或者用埋在導(dǎo)電的礦物嵌埋材料里的貴金屬絲連通電流。在用于此工程的混凝土表面的槽縫里應(yīng)按大約0.3m的間距灌注灰漿[見圖19-4(b)]，但是這系統(tǒng)不適合直立的構(gòu)筑物。

預(yù)期有酸化作用(式 5-24)時的狀況所進(jìn)行的調(diào)查尚未完成。用100mA·m-的高電流密度進(jìn)行的加速試驗(yàn)得出虛假的評價結(jié)果，因?yàn)檫@沒有考慮到周圍環(huán)境中的OH-離子擴(kuò)散引起的中和作用。當(dāng)石墨陽極處于含有氯離子的環(huán)境里時，按照式(7-3)和式(7-4)發(fā)生的反應(yīng)能夠使導(dǎo)電聚合物質(zhì)量損失。人們?nèi)栽谑褂脳l件下對這些過程以及酸化作用進(jìn)行定量研究[571，每隔三年鉆取混凝土芯測量其堿性的減損情況。因?yàn)槿鄙賶A度，陽極性酸化作用也能限制碳化的混凝土中的陰極保護(hù)，因此，圖19-3(b)中所示的陽極系統(tǒng)是不能采用的。此外，按照式(2-23)由于發(fā)生離子遷移，預(yù)期在陽極部位的氯離子濃度會增大[35,58]

19.5.5 用于混凝土修復(fù)系統(tǒng)的陰極保護(hù)

從沒有聚合物添加劑的噴涂混凝土到含有導(dǎo)電聚合物的系統(tǒng)(PCC灰漿)，修復(fù)鋼混凝土構(gòu)筑物時有多種不同的系統(tǒng)可以采用。由于采用后者堿度比較低，所以在大氣中會更快發(fā)生碳化[59]，而且要考慮到增加的電阻率，因此，實(shí)施陰極保護(hù)只能用噴涂混凝土作為修補(bǔ)灰漿

19.5.6 調(diào)試、維護(hù)和控制

  在設(shè)計(jì)混凝土構(gòu)筑物的陰極保護(hù)時，比較方便的做法是將要保護(hù)的表面劃分成分開的幾個區(qū)域，這要考慮到單位混凝土體積里局部鋼的面積以及水分的分布情況。圖19-5所示是將要保護(hù)的鋼筋混凝土擋土墻劃分成四個保護(hù)區(qū)域，要保護(hù)的擋土墻的混凝土表面積為200m’，各保護(hù)區(qū)域的表面積從 20~90m?不等。加強(qiáng)指數(shù)(鋼表面積/混凝土表面積)為1為確定保護(hù)電流密度，必須知道每一情況下特定的加強(qiáng)指數(shù)。該陽極系統(tǒng)采用柔性陽極，它們做成環(huán)狀，在加強(qiáng)指數(shù)較低的部位成一直線嵌入混凝土表面?？刂葡到y(tǒng)采用Ag-AgC1參比電極，它們裝在離加強(qiáng)鋼筋2cm 的地方，并有防止機(jī)械損傷的防護(hù)措施。在圖19-5所示的要保護(hù)的擋土墻上，共用了8個參比電極，將陽極分別連接到各保護(hù)區(qū)域。

  通過測量電位實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的控制，采用內(nèi)裝式參比電極和表面上的移動電極進(jìn)行電位測量。盡管有關(guān)內(nèi)裝式參比電極的長期穩(wěn)定性資料還不多，但也不能因?yàn)檫@一原因而放棄它，因?yàn)榕c加強(qiáng)鋼筋的距離很小，所以按照式(2-34)IR降誤差也小。已經(jīng)開發(fā)出專用的參比電極[59]，移動的參比電極的優(yōu)點(diǎn)是可以在任何理想的位置進(jìn)行電位控制。因?yàn)殡x加強(qiáng)鋼筋的距離比較遠(yuǎn)，必須考慮IR降誤差，特別是在陽極附近。由于要保護(hù)的目的物代表一個由活性鋼與鈍性鋼構(gòu)成的電池(見圖19-1)，所以在測量斷電電位時，必須預(yù)料到電池電流造成較大的IR降誤差，在3.3.1節(jié)中提到的式(327)和式(3-28)就與此有關(guān)。當(dāng)關(guān)斷保護(hù)電流時，附近的陰極導(dǎo)致某一區(qū)域陽極極

化而存在腐蝕危險，電池電流I。與I符號相反。根據(jù)式(3-27)和式(3-28)，無IR降電位必須比該斷電電位更負(fù)，因此，式(2-39)中的電位準(zhǔn)則就有更大的可信度。必須記住，噴涂混凝土?xí)r，與舊的混凝土?xí)l(fā)生水化反應(yīng)，并且會交換水分。這兩個過程都會影響電位，因此，只能在最后噴涂表層混凝土4個星期后才可以接通保護(hù)電流。圖19-6所示是用內(nèi)裝式參比電極進(jìn)行鋼/混凝土電位測量，在接通保護(hù)電流前后電位隨時間變化情況。注意到第20天的電位因發(fā)生保護(hù)電流中斷而產(chǎn)生一個電位突變，按照式(2-39)的UHs--0.4V的電位準(zhǔn)則依然沒有達(dá)到。

  圖19-7所示是個斷電電位測量的示例，其滿足了表3-3中第3項(xiàng)的100mV準(zhǔn)則以及U.<U、的電位準(zhǔn)則。進(jìn)行斷電電位測量時，必須記住，按照圖3-6中的數(shù)據(jù)，隨著時間推移，去極化過程會減慢，所以4h的測量時間，100mV準(zhǔn)則必然得出錯誤。在裝置調(diào)試后應(yīng)按1個月、2個月、6個月、12個月的時間間隔進(jìn)行斷電電位測量，以后每年進(jìn)行一次。

應(yīng)用100mV準(zhǔn)則時，應(yīng)當(dāng)允許去極化時間超過48h。只有在溫度與濕度條件相似的情況下，實(shí)測電位才可能進(jìn)行比較。圖19-8所示是數(shù)據(jù)與季節(jié)及溫度的相關(guān)變化，不同的充氣條件可能是造成差異的原因。在修復(fù)工作中，應(yīng)在目的物不同位置配備電位探頭，由此減少由均衡補(bǔ)償電流產(chǎn)生的斷電電位測量中的IR降誤差。

19.6雜散電流影響與防護(hù)措施

  通常，鋼筋混凝土不會受到雜散電流的影響，但是當(dāng)公路和橋梁跨越直流電氣化鐵路時，這種影響也是可能的。在德國，鐵路主要用交流電，通常鐵軌是不接地的而且用高電阻路基良好絕緣。但是，假如有雜散電流干擾時，可以采用第15章所述防護(hù)措施，這樣，與加強(qiáng)鋼筋及鐵軌平行走向的其他線路必須包括在這一保護(hù)系統(tǒng)之中。