阴极保护产品、设计、工程施工一站式服务；提供阴极保护完整解决方案
钢筋混凝土阴极保护系统
牺牲阳极的选用标准
河南汇龙合金材料有限公司
2018年8月技术部刘珍
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钢筋混凝土阴极保护系统中新型一次阳极和二次阳极以及两者的配合使用在研制和实施中的有关结果。
（1）自行研制的一次阳极电流输出能力和耐蚀性较好且加工方便，价格也较便宜。
（2）二次阳极——导电混凝土的电阻率较低，达10～20cm可以有效地将保护电流铺展开、使钢筋电位分布均匀，扩大了单只一次阳极的保护范围。
（3）在阴极保护系统使用过程中，一次阳极与二次阳极的配合也很为重要，如何有效地将两者结合起来对于整个保护系统的保护均匀性有重大的影响。
1 钢筋阻锈剂
1.1 钢筋阻锈剂的开拓与发展
世界上钢筋阻锈剂的研究与使用经历了很长的时期。日本是一个岛国，20世纪50年代就缺乏建筑用河砂，不得不
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开发利用海砂，既要解决海洋环境中氯盐腐蚀问题，又要设法防止海砂中氯盐对钢筋的侵害。1973年在冲绳发电站建设工程中，正式大量使用了钢筋阻锈剂。以后用量猛增，到1980年，每年有160万m3混凝土使用了钢筋阻锈剂(钢筋阻锈剂每年用量约1～1.5万t)。1982年日本制定了《钢筋混凝土用防锈剂》(JISA6205)工业标准，建设省还发布指令文件(597号文、142号文等)，要求在使用海砂或环境氯盐可能超标时，必须使用钢筋阻锈剂。
原苏联也是使用钢筋阻锈剂很早的国家，1985年出版了《混凝土中钢筋阻锈剂》的专著，并在国标《建筑防腐蚀设计规范》中纳入钢筋阻锈剂内容。
美国以往对钢筋阻锈剂的长期有效性，一直存在较大的争论。只是在最近15年，钢筋阻锈剂才作为新技术得到迅速发展。经过较长时间的试验研究和工程应用，美国混凝土学会(ACI)肯定了钢筋阻锈剂的效果，并确认“钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋和阴极保护，是长期有效的防钢筋锈蚀的措施”。1992年美国公路运输联合会(AASHTO)等三个单位编制并发布的《钢筋混凝土桥梁腐蚀手册》，将钢筋阻锈剂作为桥梁防腐蚀的重要措施之一；美国海军工程服务中心(NFESC)、美国航天局肯尼迪太空中心(NASAKSC)等军工部门，都在大力研究开发和积极采用钢筋阻锈剂，以与“盐害”
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作斗争。按照使用方式，美国目前有两大类型的钢筋阻锈剂产品，一类是掺入混凝土中，称作“掺入型”(DCI)；另一类是涂在混凝土表面，通过渗透(迁移)到混凝土中，称作“渗入型”(MCI)。其成分大都为无机、有机化学物质。1995～1998年，美国曾列国家级研究课题，制定统一的钢筋阻锈剂的评价方法和使用标准。该研究报告指出：“15年来，钢筋阻锈剂应用日趋普遍，它能长期保护钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土结构，如公路桥及其他结构等…，本研究结果将被美国公路运输联合会(AASHTO)采纳，并推荐纳入《混凝土外加剂标准》(AASHTOM194)；同时纳入美国混凝土学会(ACI)编制的《混凝土手册》，明确推荐在桥及其他结构上使用”。研究报告还确定，以75年作为钢筋阻锈剂的有效服务年限。
近年来，世界各国钢筋阻锈剂的使用量越来越大。据悉，1993年以前，全世界至少有2000万m3的混凝土使用了钢筋阻锈剂，而到了1998年，至少有5亿m3的混凝土使用了钢筋阻锈剂。可见发展趋势之迅猛。
我国在研制、开发钢筋阻锈剂方面起步并不晚，20世纪60年代就有人利用亚硝酸钠作为钢筋阻锈的成分，试用于混凝土中，并取得一定经验。但是，单纯亚硝酸钠虽有阻锈作用，同时也存在一定问题，因而没有推广使用。20世纪80
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年代初，冶金工业部为在渤海湾南岸开发建设金矿，须解决海盐、海砂、海洋环境对钢筋混凝土建筑物的腐蚀问题，于是列题研究了复合型钢筋阻锈剂。1985年，在山东三山岛金矿首次大量使用了由冶金部建筑研究总院研制的钢筋阻锈剂(RI型)，1991年颁布了国家行业标准，1998年修标［《钢筋阻锈剂使用技术规程》(YB/T9231-98)］。国标《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB50046-95)、《海工混凝土结构技术规范》等，都纳入了相关钢筋阻锈剂的内容。在此期间，南京水科院等单位，也对钢筋阻锈剂进行了卓有成效的研究和应用。目前国内已有成功应用14年的大型工程实例。1.2 钢筋阻锈剂的分类、作用原理
美国曾按照使用方法，将钢筋阻锈剂分为“掺入型”和“迁移型”；按其形态，还可分为“液体型”和“粉剂型”。在技术、学术方面，通常是按照其作用原理划分类型的，一般分为以下三种类型： (1)阳极型钢筋阻锈剂
混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，腐蚀电池分作“阳极区”和“阴极区”。这类阳极型化学物质，是作用于“阳极区”，促使其生成保护膜，通过阻止或减缓阳极过程达到钢筋阻锈的目的。典型的物质有亚硝酸盐、铬酸盐、硼酸盐等，一般大都有氧化作用。
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早期曾使用亚硝酸钠，现在大都用亚硝酸钙作为阳极型阻锈成分。以下是亚硝酸盐在钢筋阳极发生作用的表达式：
Fe+++OH-+NO-2=NO+γFeOOH (1)
亚硝酸根(NO-2)促使铁离子(Fe++)生成具有保护作用的钝化膜(γFeOOH)。当有氯盐存在时，氯盐离子(Cl-)的破坏作用与亚硝酸根的成膜修补作用竞争进行，当“修补”作用大于“破坏”作用时，钢筋锈蚀便会停止。因此，亚硝酸根必须有足够的量(如NO-2/Cl-≥1)，否则能刺激局部腐蚀(深孔腐蚀)，这种局部腐蚀类型，有可能对钢筋力学性能造成更大的影响。这正是阳极型钢筋阻锈剂的缺点与不足之处。因此，阳极型又称作“危险性”阻锈剂，单纯使用亚硝酸盐容易引发上述问题，于是要与能减少这种副作用的其他化学物质合并使用。目前，美国、日本均发展了一批以亚硝酸钙为主体的钢筋阻锈剂品种。 (2)阴极型钢筋阻锈剂
该类钢筋阻锈剂是在“阴极区”起作用，作用原理有“成膜说”、“吸附说”等，这类化学物质能在“阴极区”形成膜或吸附于阴极表面，从而阻止或减缓电化学反应的阴极过程(如氧的去极化过程)。这类化学物质大都为表面活性
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剂，如高级脂肪酸的胺盐、磷酸酯类等。
阴极型钢筋阻锈剂比较安全，但其有效性不易达到很高的水平，价格也相对高些。可单独使用，更好的用法是与其他类型相搭配。
(3)综合型钢筋阻锈剂
有些化学物质，对于阴极、阳极反应都有抑制作用，甚至还能提高阴、阳极之间的电阻。但实际中的综合型钢筋阻锈剂，多半是各种功能的化学物质的合理搭配。更确切应该称作“复合型钢筋阻锈剂”。复合型钢筋阻锈剂兼有单一型的优点，克服其不足，是目前国内外发展的方向。国外不少新品种的钢筋阻锈剂均为“复合型”(“单一型”是早年的产品，现在已很少单独使用)。国内，冶金部建筑研究总院研制的RI系列产品，就是属于复合型钢筋阻锈剂。 钢筋阻锈剂的实际功能，不是阻止环境中有害离子进入混凝土中，而是当有害离子不可避免的进入混凝土内之后，由于钢筋阻锈剂的存在，使有害离子丧失侵害能力。实际是钢筋阻锈剂抑制、阻止、延缓了钢筋腐蚀的电化学过程，从而达到延长结构物使用寿命的目的。1.3 钢筋阻锈剂的优缺点分析 钢筋阻锈剂的主要优点：
(1)一次性使用而长期有效，能满足50年以上设计寿命
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要求。
(2)与环氧涂层钢筋、阴极保护相比，采用钢筋阻锈剂花费最少；包括与外涂层相比，采用钢筋阻锈剂也是施工最简单、方便，最节省劳动力的。此外，钢筋阻锈剂一次性掺入混凝土中之后，在寿命期内不需维护，这就节省大量的维修费，其长远效益十分明显。美国“全寿命经济分析”表明，采用钢筋阻锈剂的经济效果是最优的。
(3)使用范围广，可用于工业建筑、海工水工工程、立交桥和公路桥、盐碱地建设工程及低碱度水泥等，并可用于大量修复工程中。特别对氯盐环境有效。 钢筋阻锈剂的主要缺点： (1)不宜在酸性环境中使用。
(2)钢筋阻锈剂的有效性与混凝土质量关系密切，优质混凝土能更好的发挥其阻锈功能；相反，质量低劣的混凝土中，即使使用了钢筋阻锈剂，也难以保证其耐久性使用。此外，在特殊腐蚀条件下，仅靠钢筋阻锈剂不能实现长期保护的目的，有时需要与外涂层或环氧涂层钢筋等联合使用。 (3)钢筋阻锈剂的成分大都是化学物质，有些品种不适合于在饮用水系统中使用。
2 阴极保护
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阴极保护用锌铝合金牺牲阳极
2.1 阴极保护原理与在钢筋混凝土结构上的应用
阴极保护是最常用、很有效的电化学保护方法，已有百年的应用历史。通常使用于水下、地下金属管道、设施、钢管桩、海洋平台等。由于混凝土中钢筋的腐蚀业已成为当今世界的重大问题，阴极保护技术也引入对钢筋保护的领域。由于混凝土的特殊性，特别是对暴露于大气中的钢筋混凝土结构的阴极保护，与常规水下、地下金属体的阴极保护相比，增加了难度和具备一些独特的技术要素。
以前曾专门论述了钢筋锈蚀的电化学过程，腐蚀发生在阳极，而阴极是不腐蚀的。阳极反应的表达式为：
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Fe→Fe＋＋＋2e (2)
阴极反应是取走电子(通常有氧来承担)，使阳极反应可持续进行(按上式箭头方向向右进行)；如果上式右边发生电子积累(如对钢筋充以负电)，则反应会逆向进行：
Fe←Fe+++2e+Me(充负电) (3)
按照式(3)，铁变成铁离子(腐蚀)已不能进行，于是腐蚀就被停止了。要达此目的，还必须有另一极(充正电)，如图1(a)所示，充负电的一方整个变为阴极(不发生腐蚀)，而充正电的一方为阳极(腐蚀)。这个过程称作阴极保护。
图1 混凝土中钢筋阴极保护示意(a)-外加电流法；(b)-牺牲阳极法1-混凝土；2-钢筋(阴极)；3-铸铁阳极；4-直流电源；5-水；6-镁阳极
图1a表示，应用外加电流的方法，将直流电源的负极
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连接在混凝土中的钢筋上，以迫使钢筋整个地处于阴极状态；而图1b是另一种阴极保护的方式，即将比铁更活泼的金属(如镁)，直接与钢筋相连。由于在电位序中，镁的电位较铁负得多，镁可向铁(钢筋)提供电子(如同外电源的负极)，这同样可达到阴极保护的目的。在此过程中，镁作为阳极而腐蚀，牺牲自己而保护了铁(钢筋)，于是被称作牺牲阳极保护法。
以上是两种主要的阴极保护方式，两种方式各有利弊，可依据不同情况选用。如在水、土中，以上两种方式均可采用；暴露于大气中的钢筋混凝土结构，大都采用外加电流的方式。美国已有数百座桥梁采用了这种方式进行保护，大都用于已经受到腐蚀破坏的桥梁，这些桥梁主要是受到化冰盐和海洋环境的侵蚀。有人断言，在已经遭受氯盐侵入的钢筋混凝土结构中，实施阴极保护是最有效的方法。在国外，对于暴露于大气中的新建工程，虽然也可采用阴极保护，但大都还是首先着重提高混凝土质量和采用钢筋阻锈剂、环氧涂层钢筋等技术措施。在国内，对钢筋混凝土结构采用阴极保护技术者还不多。在水中和地下已有工程应用实例(如地下预应力混凝土管道)，大气中也有人进行过工程试验，但更大规模的工程应用尚需要进一步努力开拓。2.2 阴极保护的实施与技术指标控制
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在水中或潮湿的土中，对钢筋混凝土结构实施阴极保护相对容易些，这是由于介质有较好的导电性；而大气中，混凝土具有很高的电阻值，阳极材料及其铺设方法就成了主要问题。20世纪70年代初，美国在钢筋已锈(化冰盐引起的)的桥面板上，进行了安装试验工作，将导电涂层(沥青加石墨)涂到混凝土表面，并在一定距离间隔内，分别埋设硅铁阳极块。这些硅铁阳极块均用导线连在一起，最终与整流器的正极相连；整流器的负极连在钢筋上。实验取得了初步成功。目前，导电涂层已经有许多种，除石墨粉加成膜材料中之外，近来还出现了有机导电涂层，也有采用喷锌层的；而主阳极材料的发展更为迅速和多样化，如铂金丝网、导电塑料网、活化钛板网等。因为阳极需要经受电解和必须耐久，故廉价的阳极材料仍然是大批研究者追求的目标。 就保护准则而言，目前国内外尚无统一的标准。一般认为，将混凝土中钢筋的自然电位负向推移300～500mV或达到-850mV(对比硫酸铜电极，下同)，即能有效地保护钢筋。在检验方面，美国腐蚀工程师学会(NACE)制定的标准方法得到了普遍的认同。做法是将正在进行的阴极保护突然断电，并测量钢筋电位随时间的衰减量。当4h衰减量不小于100mV时，确认为该阴极保护合理。
2.3 对钢筋混凝土结构实施阴极保护须注意的相关技术问
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题
阴极保护是用以保护钢筋的有效措施之一，是长期有效的。特别对于已受“盐害”的现有钢筋混凝土建筑物的进一步防护，有其独特的效能。在电场的作用下，带负电的氯离子可向阳极(混凝土表面)迁移，等于从钢筋表面除掉氯离子，这对于钢筋的防护十分有利，甚至不必除掉钢筋表面的混凝土层(已含氯离子)，就可以实施阴极保护。这些特点是其他措施难以做到的。
正确实施阴极保护是十分重要的，为此，必须了解和掌握以下技术要点：
(1)结构物可实施阴极保护措施的前提条件是，混凝土中所有钢筋必须是电连通的，否则会引起“杂散电流”腐蚀。为此，结构物在建造时，所有钢筋的接触点(如主筋与箍筋之间)都应焊连接。
(2)施工时严格避免阴、阳极短路。
(3)防止“过保护”发生。如果实施阴极保护过程中，不能够合理控制和适时调整所施加的阳极电流量，或电流分布不均匀，会导致钢筋(整体或局部)电位低于-1100mV，发生“过保护”。在此条件下，过低的负电位，将能使带正电的氢离子，在钢筋表面放电生成氢气。这样，一方面钢筋有发生“氢脆”断裂的危险，另一方面可导致混凝土与钢筋之
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间的“握裹力”下降，影响结构物承载能力。
3 结语
钢筋混凝土结构物的设计寿命要求一般为40～50年，有的要求上百年。而现实中，处在腐蚀环境中的结构物，远达不到设计寿命要求。有的在15～20年出现钢筋锈蚀破坏，甚至不足5年就开始修复。此方面的花费是惊人的，已经是一个重大经济问题。对于我国，应该总结国内外经验与教训，认真研究、妥善解决钢筋腐蚀与结构物寿命问题。 附加防护措施是保证设计寿命所必须的，在我国，相关技术尚处于起步和发展阶段，应该提高对采取附加防护措施必要性的认识。就防护原理而言，附加措施可分为两类。一类是最大限度地防止环境中的有害离子进入混凝土内，这包括提高混凝土自身的防护能力和采用外涂覆层等；另一类是，当不能完全避免有害离子进入混凝土内时(这是大量的情况)，在混凝土内部，实施限制、抵消有害离子的破坏作用的措施，这包括采用钢筋阻锈剂、阴极保护、环氧涂层钢筋等，该三种技术措施被认为是先进和长期有效的。
就综合经济效益而言，钢筋阻锈剂是最简单、节省的。特别对发展中的我国，前期投入不多而又有长期效果，这是
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很可取的。
阴极保护用于钢筋混凝土结构，特别是对暴露在大气中的、受腐蚀的已有结构物，被认为是最有效的。其他条件下也可采用。
各种保护技术各具特点，也都有其局限性，并且都在迅速发展之中。应依据实际情况进行选用。
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