阴极保护

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阴极保护原理

钢筋混凝土结构中钢筋的阴极保护

  混凝土结构的耐久度是由于混凝土的强碱结构导致钢筋表面钝化,而我国海港码头不能耐久,北方使用化冰盐,这种盐水渗入混凝土内部,破坏了混凝土的强碱环境,从而导致混凝土结构桥梁道路等遭破坏。以北京立交桥为例,仅使用19年的西直门立交桥(已重修),钢筋锈蚀破坏十分明显与严重。我国存在着广泛的腐蚀环境,北方地区使用化冰盐有增无减,而桥梁道路却未采取应有的防护措施(甚至“规范”中无防盐腐蚀要求);我国海岸线很长,而大规模的基本建设大都集中于沿海地区,以往的海港码头等工程,多数达不到设计寿命要求;特别是沿海一带河砂已呈短缺现象,滥用海砂则其害无穷;我国还有广泛的盐碱地(石油基地),其腐蚀条件更为苛刻;特别应该指出的是,我国工业环境中的建筑物,其钢筋锈蚀破坏十分普遍与严重,有调查报告表明,大多数工业建筑达不到设计寿命的年限,目前正在进入大规模修复的时期。因此,我国钢筋锈蚀破坏的形势是严峻的。

  混凝土耐久性已是当今世界的重大问题,在第二届国际混凝土耐久性会议上,梅塔教授指出 :“当今世界混凝土破坏原因,按递减顺序是:钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。他明确 将“钢筋锈蚀”排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境和使用“防冰盐”中 的氯盐,又是造成钢筋锈蚀的主要原因。当然,混凝土中性化、冻融等也促进钢筋腐蚀破坏 。

  混凝土中钢筋锈蚀,成为当今影响钢筋混凝土结构物耐久性的主导因素之一,因此,人们在认识和重视钢筋锈蚀危害的同时,将防止钢筋锈蚀的技术措施作为重点进行研究,并作为提高钢筋混凝土结构物耐久性的主攻方向之一。

  按照国内外目前的相关规程、规范的规定,保护钢筋、提高钢筋混凝土结构物耐久性的技术措施,一般划分为两大类,即“基本措施”和“附加措施”。

  提高混凝土自身对钢筋的保护能力,是最重要、最根本的防护原则。目前国内外一大批研究者和工程人员,正在致力于改善和提高混凝土的密实性、减少裂纹的产生等。其中,“高性能混凝土”的研究就是重要方面,并取得了可喜进展。但由于混凝土材料的多孔性和施工易产生裂纹等问题,是很难彻底解决的,到目前为止,“附加措施”仍然是十分重要和不可缺少的。特别在较严酷的腐蚀环境中,单靠混凝土自身不足以实现耐久性保护,“基本措施”与“附加措施”两者的相互搭配、有机结合,往往是防护措施与获得长期经济效益的最佳方案。

  “附加措施”有多种,加防护涂层,是“附加措施”中常用的方法。其出发点是隔离环境、弥补混凝土多孔性的缺陷。近15年来,带涂层的钢筋得到迅速发展和应用,典型的就是“环氧树脂涂层钢筋”(本文不多加介绍)。多年的实践证明,这些方法都是有效的,各自有其独特的优点,同时也存在其不足或局限性。

  一.混凝土外涂层

  1.水泥基覆层(砂浆)

  (1)普通水泥砂浆层

  在混凝土外表面涂抹5~20 mm厚的水泥砂浆层,在减缓碳化影响方面有一定作用,砂浆越密实效果越明显。本方法最为经济方便,可用于很轻微的腐蚀环境中。

  (2)聚合物改性水泥砂浆层

  这是近些年发展起来的新型混凝土覆面材料,聚合物大都以乳液形式掺入水泥砂浆中,大大提高了砂浆层密实性和粘接力。可在潮湿基面上施工,不需要专业防腐队伍,其耐久性可与基体(混凝土)保持一致等。国内外用于砂浆层中的聚合物品种越来越多,如丙烯酸类乳液、己烯基树脂乳液、环氧树脂乳液等,更多的是多种聚合物的配合使用,进一步提高了砂浆层的保护性能。国外已大量用于工业建筑、桥梁、海工建筑物的新建工程和老工程的修复。我国已有丙乳砂浆、氯丁胶乳砂浆等品种,近年来又出现一些新的品种。如冶金部建筑研究总院研制的FC-01、RP—W系列防腐砂浆,不仅可用于混凝土的面层保护,而且对于已锈钢筋的修补和再防护,有着特殊的效能,应用面日趋广泛。

  聚合物改性水泥砂浆层有着良好的密实、抗渗性,并兼有耐磨、粘接力强等优点,若配有阻锈成分,对钢筋的保护能力会更强(如FC—01、RP—W等)。主要用于各种盐类存在的(如氯盐、硫酸盐)强腐蚀环境,如工业建筑、盐碱地建筑、海工工程、撒化冰盐的桥梁等,更大量用于已有建筑物的修复工程。美国还用于停车场的新建和修复工程。在国外有专门生产聚合物水泥砂浆的厂家,是正在发展的新材料、新产品。国内也有良好的发展前景。

  聚合物改性水泥砂浆毕竟是水泥基材料,原则上是不耐酸的,因此不适宜在较强的酸性环境中采用。

  (3)渗透型涂层

  利用混凝土“可渗透”的特点,在混凝土表面涂以渗透型涂层材料,这些渗入的物质,可与混凝土组分起化学作用和堵塞孔隙,或自行聚合形成连续性憎水膜。这样,在混凝土表面深入内部的一定范围内(如3~5 mm),形成一个特殊的防护层,它能有效的阻止外界环境中腐蚀介质进入混凝土中,从而保护混凝土与钢筋免受腐蚀。

  渗透型涂层的典型代表应属有机硅类材料,如烷基烷氧基硅烷等。含有机硅树脂的稀溶液,具有很强的渗透性,它本身有很强的憎水性,并能与混凝土组分起作用,可堵塞空隙和在孔壁形成憎水膜。能防水但允许气体交换,有“呼吸”功能。此类渗透型涂层,大都用于轻腐蚀环境下的防混凝土“老化”,如防碳化、中性化等,有效期可达10年。

  与渗透型涂层类似、又有区别的一种叫做浸渍型涂层,是用聚合物单体以浸渍的方法渗入混凝土中,并在其内聚合,形成一层不透水的保护层。本方法适宜于小型构件,如通过盐湖、盐碱地的铁路所采用的钢筋混凝土枕块,就曾经使用聚合物浸渍的方法,并收到良好效果。

  (4)混凝土表面涂层

  可用于混凝土表面的涂覆层,是种类最多、最普遍的防护涂层,大致可分为:

  沥青、煤焦油类:大量用于地下工程,有较好的防水、防腐性能,价格低廉。适量环氧树脂加入其中,能大幅度提高其防护能力与粘接力。由于颜色大都是黑色,很少用于外露结构。

  油漆类:市面上油漆有上百种,防护性能、价格差异很大,可根据腐蚀环境、结构要求等选择使用。由于混凝土具有强碱性,所选油漆必须是耐碱的;混凝土表面可能有各种因素造成的裂纹,具有一定弹性的油漆,会有更好的防护效果。油漆类涂层一般不能在潮湿基面上施工,易老化、不耐久等也是其不足之处。

  防水涂料:在中性环境、一般腐蚀条件下,能有效防止水、水汽进入混凝土中,则能起到防止、减缓钢筋混凝土腐蚀的效果。从此意义上讲,防水、防腐是密不可分的。为减轻环境污染,水基、无溶剂类防水涂料正在迅速发展。该类涂料存在着防腐能力不强、耐久性不足等问题,有待于进一步改进与提高。

  树脂类涂料:环氧树脂、己烯基树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯等都可用于混凝土的面层涂料,以环氧树脂为主的涂层,有较好的防护性能和耐久性,可用于较严酷的腐蚀环境中。树脂类涂料价格较贵,一般不能在潮湿基面上施工。

  (5)隔离层

  在强腐蚀环境中(如工业建筑中的各类无机、有机酸液及其气氛,强碱、硫酸盐、氯盐等),一般的防护涂层不能达到对钢筋混凝土防护目的,必须采取隔离层的方法。

  玻璃鳞片覆层:在树脂类材料中掺入很薄的玻璃鳞片,以数毫米的厚型涂层涂覆在混凝土表面,以达到较长期的完全隔离环境之目的。如环氧树脂玻璃鳞片覆层,已成功应用于酸气烟道和强腐蚀的烟囱内壁的防护。

  玻璃钢隔离层:在混凝土表面涂一层树脂(如环氧树脂),再粘铺一层玻璃布或无纺布,再在布面上刷涂树脂后再粘铺布。可根据需要粘铺多层,称作玻璃钢隔离层。施工质量良好的该类隔离层,能在一定年限内,很好地隔绝外界腐蚀介质与混凝土的接触,从而保护混凝土和钢筋免受侵蚀。本方法价格较贵,存在老化问题,但在强酸、碱环境中还是经常采用的。

  砖板、橡胶衬里层:采用树脂胶泥、树脂砂浆(如环氧树脂、呋喃树脂等)做胶结料,将耐酸砖板、石材或橡胶板等衬砌在混凝土表面,以阻止外界腐蚀介质的渗入。这在化工、冶金、制药等强腐蚀工业厂房中,是经常使用的防腐措施。如楼地面、建筑与设备基础、槽池等,可取得很好的防护效果。与施工质量关系密切,费用较高。

  由上可见,在混凝土外表面采用防护层的措施,在很大程度上可达到对于钢筋混凝土结构的防护目的,特别是小范围、强腐蚀环境中(如某些工业厂房),采取外防护措施可能是首选方案。但对于处在自然环境中的大量钢筋混凝土建筑物(如工业大气、海洋环境等),外层防护措施,或因自身耐久性不足、或因造价太高、施工不便等,使其应用受到一定限制。据悉,美国混凝土学会(ACI)首推三种措施(钢筋阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋和阴极保护)作为通常环境下防止混凝土中钢筋锈蚀的主要方法。

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