阴极保护在钢筋混凝土构筑物上的应用

19.5.1 设计与安装

应根据技术与经济因素决定钢筋混凝土构筑物是否实施阴极保护。对于混凝土覆盖不充分引起加强钢筋腐蚀的情况，在小面积混凝土移位(断层)部位实施阴极保护显然是不经济的。相反，必须关注这种钢筋混凝土构筑物的主要部位，特别是在混凝土里氯离子已经渗透很深并且浓度较高的地方。进行修理时，要清除被氯离子污染的混凝土，但出于技术原因，只能清理到最上层钢筋。如果更深层的混凝土里氯离子浓度依然很高，那么那里会继续发生腐蚀。因为修复后的上层混凝土里的钢筋代表新的阴极表面，所以会增强电池作用，促进更深层的混凝土里钢筋发生腐蚀。可惜在这样的修复工作中，至今得到的几乎都是不成功的反面教训[47]。

19.5.2加强钢筋腐蚀状态的确定

开始用其他施工措施修复前，应当对可能的损坏情况进行诊断[48.49]，应有一份检查清单[48]，列出重要的腐蚀参数和预期的腐蚀作用的类型。其中最重要的是对混凝土质量(强度、水泥类型、水灰比、水泥含量)的调查、碳化深度、氯离子浓度分布状况、水分分布状况、有无混凝土开裂和移位等，通过目测确定腐蚀的严重程度。之后，也可以用上述数据对腐蚀的可能性做出评估。

腐蚀程度从其自身就可以做出判断，例如开裂和移位说明固态腐蚀产物(铁锈)正在不断生长。人们已经很少采用小锤敲击并根据声音区分空心的或有裂缝的部位与未损坏部位，这种简单的方法不能说明加强钢筋是否已经去钝化。在混凝土中的腐蚀损坏归因于固

态腐蚀产物，是按照式(2-21)来自阳极的Fe+离子后来与氧反应的产物。由于混凝十的多孔结构能够吸收Fe2+离子，这样的氧化部位未必就是阳极的表面。反应部位主要是根据混凝土中 Fe2+离子和 O,这些参与反应的组分的扩散电流决定的(见 4.1节的解释)当离阳极一定距离上发生氧化反应时，正在腐蚀的阳极依然处于不被覆盖的状态，后来在混凝土表面能够出现锈斑。假如在阳极附近发生氧化反应，在那里就能见到最高浓度的腐蚀产物，由于水化氧化铁(铁锈)固态腐蚀产物的不断生长而产生内部应力，结果在混凝土中形成裂缝、空隙和移位。

可以用混凝土表面二维电位测量值确定加强钢筋的腐蚀状态。按照3.6.2.1节中3-24的解释，在阳极区域检测时，这种方法已经在一维系统(管道)中得到证实。

在美国，自20世纪70年代初就开始对受到氯离子破坏的公路桥进行过这类测量[50]统计数据经过评价后，最终制定了有关的法规[51，用于对加强钢筋腐蚀的可能性概率进行评价(见表19-2)。这种方法学在不同地点进行了试验[52~54]

由于混凝土中钢筋的静电位取决于许多参数[5,41.42]，所以表19-2中的数据仅仅是粕略的近似数。影响最大的因素有水泥类型(高炉水泥或波特兰水泥)、充气状态(混凝士覆盖状况和水分)、混凝土的熟化(膜的形成)，甚至在比Ucu-cuso,=-0.4V更负的电位下，发现也没有腐蚀危险。另一方面，有阳极危险的区域显示出比较正的电位，因为附近的阴极被极化，按照表9-2的判定是无害的。很明显，静电位在很大程度上是根据实际充

气条件确定的[41~43]。然而，假如把有尽可能均匀一致的覆盖层并有充气状况或水分的部位实测电位的解释用来估计与图3-24的解释相对应的电位梯度，就有可能对腐蚀状态进行分类[52~54。而且，按照图2-7的解释，通过阳极极化能够提高估计值的灵敏度，因为去钝化钢没有混凝土中钝态钢那样容易被极化[43]

19.5.3 加强钢筋网的电连续性

加强钢筋的阴极保护和杂散电流防护措施均假定通过该加强钢筋有着延伸的电连续性，采用钢筋的钢筋混凝土构筑物大多数属于这种情况，但是这要通过对加强钢筋网的电阻测量加以验证。为此，在相距很远距离的不同点上清除掉混凝土后，把测量电缆连接到加强钢筋上。为避免接触电阻的影响，应彻底除去接触点的铁锈。如果实测电阻值>12,表明没有完全达到电连续性，那么应将此钢筋与已经达到完全电连续性的钢筋网其余加强钢筋进行短路连接。

19.5.4 阳极系统的安装与类型

安装阳极系统前必须清除掉疏松的旧混凝土，用高压水枪或者喷砂设备能够完成这项任务。将附着阳极的外表面打毛，确保阳极与喷护的水泥牢牢接合。混凝土中的裂缝必须用凿子清理到露出底部。按照覆盖的混凝土层的损坏程度，可以用两种不同的方法附装阳极。当发生大面积损坏时，清除混凝土直到最上面那层加强钢筋网，然后喷涂第一层混凝土[见图19-3(a)，将阳极固定在这层上，接着喷涂第二层混凝土。如果大面积旧的混凝土依然很坚固，可以把阳极附装在上面，最终用喷涂混凝土嵌埋「见图19-3(b)。阳极必须供给所需要的保护电流，在结构上必须很坚固。在喷过程或操作中，决不可损坏旧的混凝土与新喷护的混凝土之间的结合。

在最初修复被氯离子污染的公路混凝土路面时[27，如图19-4(a)所示，将硅铁阳极嵌埋在一层焦炭渣里，或者用埋在导电的矿物嵌埋材料里的贵金属丝连通电流。在用于此工程的混凝土表面的槽缝里应按大约0.3m的间距灌注灰浆[见图19-4(b)]，但是这系统不适合直立的构筑物。

预期有酸化作用(式 5-24)时的状况所进行的调查尚未完成。用100mA·m-的高电流密度进行的加速试验得出虚假的评价结果，因为这没有考虑到周围环境中的OH-离子扩散引起的中和作用。当石墨阳极处于含有氯离子的环境里时，按照式(7-3)和式(7-4)发生的反应能够使导电聚合物质量损失。人们仍在使用条件下对这些过程以及酸化作用进行定量研究[571，每隔三年钻取混凝土芯测量其碱性的减损情况。因为缺少碱度，阳极性酸化作用也能限制碳化的混凝土中的阴极保护，因此，图19-3(b)中所示的阳极系统是不能采用的。此外，按照式(2-23)由于发生离子迁移，预期在阳极部位的氯离子浓度会增大[35,58]

19.5.5 用于混凝土修复系统的阴极保护

从没有聚合物添加剂的喷涂混凝土到含有导电聚合物的系统(PCC灰浆)，修复钢混凝土构筑物时有多种不同的系统可以采用。由于采用后者碱度比较低，所以在大气中会更快发生碳化[59]，而且要考虑到增加的电阻率，因此，实施阴极保护只能用喷涂混凝土作为修补灰浆

19.5.6 调试、维护和控制

  在设计混凝土构筑物的阴极保护时，比较方便的做法是将要保护的表面划分成分开的几个区域，这要考虑到单位混凝土体积里局部钢的面积以及水分的分布情况。图19-5所示是将要保护的钢筋混凝土挡土墙划分成四个保护区域，要保护的挡土墙的混凝土表面积为200m’，各保护区域的表面积从 20~90m?不等。加强指数(钢表面积/混凝土表面积)为1为确定保护电流密度，必须知道每一情况下特定的加强指数。该阳极系统采用柔性阳极，它们做成环状，在加强指数较低的部位成一直线嵌入混凝土表面。控制系统采用Ag-AgC1参比电极，它们装在离加强钢筋2cm 的地方，并有防止机械损伤的防护措施。在图19-5所示的要保护的挡土墙上，共用了8个参比电极，将阳极分别连接到各保护区域。

  通过测量电位实现阴极保护的控制，采用内装式参比电极和表面上的移动电极进行电位测量。尽管有关内装式参比电极的长期稳定性资料还不多，但也不能因为这一原因而放弃它，因为与加强钢筋的距离很小，所以按照式(2-34)IR降误差也小。已经开发出专用的参比电极[59]，移动的参比电极的优点是可以在任何理想的位置进行电位控制。因为离加强钢筋的距离比较远，必须考虑IR降误差，特别是在阳极附近。由于要保护的目的物代表一个由活性钢与钝性钢构成的电池(见图19-1)，所以在测量断电电位时，必须预料到电池电流造成较大的IR降误差，在3.3.1节中提到的式(327)和式(3-28)就与此有关。当关断保护电流时，附近的阴极导致某一区域阳极极

化而存在腐蚀危险，电池电流I。与I符号相反。根据式(3-27)和式(3-28)，无IR降电位必须比该断电电位更负，因此，式(2-39)中的电位准则就有更大的可信度。必须记住，喷涂混凝土时，与旧的混凝土会发生水化反应，并且会交换水分。这两个过程都会影响电位，因此，只能在最后喷涂表层混凝土4个星期后才可以接通保护电流。图19-6所示是用内装式参比电极进行钢/混凝土电位测量，在接通保护电流前后电位随时间变化情况。注意到第20天的电位因发生保护电流中断而产生一个电位突变，按照式(2-39)的UHs--0.4V的电位准则依然没有达到。

  图19-7所示是个断电电位测量的示例，其满足了表3-3中第3项的100mV准则以及U.<U、的电位准则。进行断电电位测量时，必须记住，按照图3-6中的数据，随着时间推移，去极化过程会减慢，所以4h的测量时间，100mV准则必然得出错误。在装置调试后应按1个月、2个月、6个月、12个月的时间间隔进行断电电位测量，以后每年进行一次。

应用100mV准则时，应当允许去极化时间超过48h。只有在温度与湿度条件相似的情况下，实测电位才可能进行比较。图19-8所示是数据与季节及温度的相关变化，不同的充气条件可能是造成差异的原因。在修复工作中，应在目的物不同位置配备电位探头，由此减少由均衡补偿电流产生的断电电位测量中的IR降误差。

19.6杂散电流影响与防护措施

  通常，钢筋混凝土不会受到杂散电流的影响，但是当公路和桥梁跨越直流电气化铁路时，这种影响也是可能的。在德国，铁路主要用交流电，通常铁轨是不接地的而且用高电阻路基良好绝缘。但是，假如有杂散电流干扰时，可以采用第15章所述防护措施，这样，与加强钢筋及铁轨平行走向的其他线路必须包括在这一保护系统之中。