混凝土鋼筋犧牲陽極包覆層關鍵性的探究

劉本立 張 朋 成 峰 陳子璇 任曉坤

（山東省公路橋梁建設集團有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

鋼筋混凝土結構的過早失效大多是由于其中的鋼筋腐蝕所致，對于混凝土中鋼結構的保護研究已經成為一項緊迫且具有實際意義的課題[1]。對于金屬構筑物來說，陰極保護作為一項行之有效的保護技術，有著施工簡單，不受金屬構筑物表面施工工藝影響等優點。常用的陰極保護技術分為外加電流陰極保護法和犧牲陽極法兩種方法，犧牲陽極法具有安裝方便，運行成本低，無須后期專業維護等優勢[2]，相較需要日常維護的外加電流陰極保護法更適合在難以進行維護的鋼筋混凝土結構中。

犧牲陽極法是由活潑金屬與鋼結構組成原電池，通過失去電子達到保護鋼筋的效果。而在混凝土結構中，常規犧牲陽極會因其生成的腐蝕產物無法有效擴散，導致陽極表面鈍化而失效。因此，混凝土中犧牲陽極的應用的關鍵是需要特殊的陽極包覆層以輔助陽極產物的擴散。本研究旨在研究不同包覆環境下犧牲陽極系統的工作狀態及其有效性，對混凝土中鋼筋陰極保護技術的發展與應用有重要意義。

1 理論實驗條件與方法

1.1 實驗材料的選擇

通常情況下，犧牲陽極常常選用鋅合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極及鎂合金犧牲陽極；在工作條件下，鋁合金犧牲陽極的膨脹率較高，且鋁陽極表面易結殼；鎂陽極的電動勢較高，工作電壓較高，在混凝土環境下易產生氫脆，反而不利于混凝土結構的完整性；鋅合金犧牲陽極相對而言電動勢及工作電壓最低，腐蝕產物松散且工作時膨脹率較低。因此，混凝土內鋼筋的保護選擇鋅合金犧牲陽極。

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

表1 鋅合金犧牲陽極化學成分

在混凝土環境中鋅合金犧牲陽極必須被遠高于混凝土環境的高GB堿性的環境所包覆，以防止鈍化，pH值應至少為14。強堿性物質如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，有助于陽極的活化及電流的發散，所以鋅合金外包覆層中的堿性活化劑首選為LiOH。NaOH或KOH也可用作鋅合金外包覆層的活化劑，但是在使用的過程中，需要添加少量LiOH。

由于混凝土體系十分復雜 ,要綜合考慮多種因素的影響[8]混凝土模型實驗材料選用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試點及陽極連接點引出，混凝土中留有尺寸為600×300×350mm陽極放置空位，并留有參比電極測試孔，尺寸φ60mm，將制作好的混凝土模型式樣在室溫下（20℃）采用濕式養護法養護28天。混凝土尺寸為1000×1000×400mm，混凝土實驗模型共設置兩個。

1.2 試驗方法

本次實驗中，設置兩組共四塊陽極作為對比，組1鋅合金犧牲陽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制成可拆分的陽極模塊，在模塊外留有2mVV1×10mm2電纜以便后期進行電連接，陽極模塊尺寸為600×300×350mm，共準備兩塊。

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

在濕養護期間對混凝土式樣及陽極模塊進行長期測試，獲得混凝土的自然電位分布與陽極的開路電位。

待養護期結束后，將陽極模塊放入預留空位中（如圖1所示），電纜焊接至提前預留好的裸露鋼筋處，分別工作60天，期間維持濕潤以保證其電連接性，持續以Ag/Cl參比電極檢測混凝土式樣塊的電位分布情況。同時在每組第一塊陽極實驗結束后，進行72h的去極化后，將每組第二塊陽極模塊交換混凝土進行布設，以避免陰極區帶來的誤差。

圖1 混凝土模擬實驗模型圖

2 結果與討論

2.1 包覆層對陽極開路電位的影響

圖2分別顯示了在濕養護期間帶陽極包覆層的陽極（即組1）以及不帶陽極包覆層的陽極（即組2）的養護期間的平均開路電位。由圖可知，組1陽極的開路電位的絕對值較負，且活化速度較快。

圖2 混凝土保護電位

圖2 陽極開路電位對照

2.2 混凝土的自然電位及被保護電位分布情況

養護期結束后，混凝土的自然電位分布如圖3所示，由圖可見兩混凝土實驗模型電位分布接近，不存在較大的偏差。

圖3 混凝土養護期電位（自然電位）

2.3 包覆層對陽極工作電位的影響

圖4、圖5分別顯示了混凝土內鋼筋在布設陽極模塊后15天及50天后的電位分布情況。由圖可知，組1陽極的保護范圍更大，電位負向極化的能力也更強。

圖4 混凝土保護電位分布圖（15D）

圖5 混凝土保護電位分布圖（50D）

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

在試驗期結束后，組1電位依舊保持穩定。在約40天后，組2第一次實驗的陽極試塊的保護電位大幅度正向偏移，直至約55天左右失效，這是因為組2鋅合金陽極外部沒有特殊包覆層，鋅合金犧牲陽極的腐蝕產物無法有效擴散，導致陽極表面鈍化，組2第二次實驗的陽極試塊也在約50天后性能大幅度降低；隨后將失效后的組2鋅陽極從試塊中取出，放置于淡水中浸泡并持續監測其電位20d，發現其電位一直保持在-0.5V左右，證明其徹底失效，且這種失效是不可逆的。

在每輪試驗后將陽極模塊取出，觀察陽極槽內介質，可以發現組1陽極模塊放置的陽極槽內的介質均干凈無雜質，組2陽極模塊放置的陽極槽內介質均有部分腐蝕產物堆積，側面證明外包覆層的加入有利于腐蝕產物的擴散，緩解了混凝土環境中陽極的鈍化。

3 結論

（1）混凝土環境中的鋅合金犧牲陽極無法正常使用。實驗證明，在未進行外包覆的情況下，犧牲陽極會在較短時間內發生大幅度的劣化，直至失效，導致整個陰極保護系統失效；

（2）在混凝土環境中，鋅合金陽極的外包覆層能有效提升陽極的工作效率，擴大保護范圍，能夠滿足使陰極達到GB/T 21448-2017中4.4.4節100mV陰極電位負向偏移準則，而未增加包覆層的鋅合金犧牲陽極則無法滿足該準則；

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