混凝土钢筋牺牲阳极包覆层关键性的探究

刘本立 张 朋 成 峰 陈子璇 任晓坤

（山东省公路桥梁建设集团有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

钢筋混凝土结构的过早失效大多是由于其中的钢筋腐蚀所致，对于混凝土中钢结构的保护研究已经成为一项紧迫且具有实际意义的课题[1]。对于金属构筑物来说，阴极保护作为一项行之有效的保护技术，有着施工简单，不受金属构筑物表面施工工艺影响等优点。常用的阴极保护技术分为外加电流阴极保护法和牺牲阳极法两种方法，牺牲阳极法具有安装方便，运行成本低，无须后期专业维护等优势[2]，相较需要日常维护的外加电流阴极保护法更适合在难以进行维护的钢筋混凝土结构中。

牺牲阳极法是由活泼金属与钢结构组成原电池，通过失去电子达到保护钢筋的效果。而在混凝土结构中，常规牺牲阳极会因其生成的腐蚀产物无法有效扩散，导致阳极表面钝化而失效。因此，混凝土中牺牲阳极的应用的关键是需要特殊的阳极包覆层以辅助阳极产物的扩散。本研究旨在研究不同包覆环境下牺牲阳极系统的工作状态及其有效性，对混凝土中钢筋阴极保护技术的发展与应用有重要意义。

1 理论实验条件与方法

1.1 实验材料的选择

通常情况下，牺牲阳极常常选用锌合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极及镁合金牺牲阳极；在工作条件下，铝合金牺牲阳极的膨胀率较高，且铝阳极表面易结壳；镁阳极的电动势较高，工作电压较高，在混凝土环境下易产生氢脆，反而不利于混凝土结构的完整性；锌合金牺牲阳极相对而言电动势及工作电压最低，腐蚀产物松散且工作时膨胀率较低。因此，混凝土内钢筋的保护选择锌合金牺牲阳极。

锌合金牺牲阳极采用符合GB/T 4950-2021《锌合金牺牲阳极》中I型成分的锌合金牺牲阳极，具体成分如表1所示，每块锌合金牺牲阳极净重约1kg。

表1 锌合金牺牲阳极化学成分

在混凝土环境中锌合金牺牲阳极必须被远高于混凝土环境的高GB碱性的环境所包覆，以防止钝化，pH值应至少为14。强碱性物质如LiOH、NaOH或KOH可用于活化锌合金[3-7]。锂离子具有很好的亲水性与保水作用，有助于阳极的活化及电流的发散，所以锌合金外包覆层中的碱性活化剂首选为LiOH。NaOH或KOH也可用作锌合金外包覆层的活化剂，但是在使用的过程中，需要添加少量LiOH。

由于混凝土体系十分复杂 ,要综合考虑多种因素的影响[8]混凝土模型实验材料选用HRB400钢筋，间距150mm，混凝土为C55，混凝土中钢筋焊接两处钢片作为测试点及阳极连接点引出，混凝土中留有尺寸为600×300×350mm阳极放置空位，并留有参比电极测试孔，尺寸φ60mm，将制作好的混凝土模型式样在室温下（20℃）采用湿式养护法养护28天。混凝土尺寸为1000×1000×400mm，混凝土实验模型共设置两个。

1.2 试验方法

本次实验中，设置两组共四块阳极作为对比，组1锌合金牺牲阳极包覆特殊包覆层后，再包覆于与钢筋混凝土相同的混凝土中预制成可拆分的阳极模块，在模块外留有2mVV1×10mm2电缆以便后期进行电连接，阳极模块尺寸为600×300×350mm，共准备两块。

组2同炉锌阳极不包覆特殊包覆层直接预制成600×300×350mm的立方体阳极模块，同样留有2mVV1×10mm2电缆，共准备两块。

在湿养护期间对混凝土式样及阳极模块进行长期测试，获得混凝土的自然电位分布与阳极的开路电位。

待养护期结束后，将阳极模块放入预留空位中（如图1所示），电缆焊接至提前预留好的裸露钢筋处，分别工作60天，期间维持湿润以保证其电连接性，持续以Ag/Cl参比电极检测混凝土式样块的电位分布情况。同时在每组第一块阳极实验结束后，进行72h的去极化后，将每组第二块阳极模块交换混凝土进行布设，以避免阴极区带来的误差。

图1 混凝土模拟实验模型图

2 结果与讨论

2.1 包覆层对阳极开路电位的影响

图2分别显示了在湿养护期间带阳极包覆层的阳极（即组1）以及不带阳极包覆层的阳极（即组2）的养护期间的平均开路电位。由图可知，组1阳极的开路电位的绝对值较负，且活化速度较快。

图2 混凝土保护电位

图2 阳极开路电位对照

2.2 混凝土的自然电位及被保护电位分布情况

养护期结束后，混凝土的自然电位分布如图3所示，由图可见两混凝土实验模型电位分布接近，不存在较大的偏差。

图3 混凝土养护期电位（自然电位）

2.3 包覆层对阳极工作电位的影响

图4、图5分别显示了混凝土内钢筋在布设阳极模块后15天及50天后的电位分布情况。由图可知，组1阳极的保护范围更大，电位负向极化的能力也更强。

图4 混凝土保护电位分布图（15D）

图5 混凝土保护电位分布图（50D）

图2分别显示了在湿养护期间带阳极包覆层的阳极（即组1）以及不带阳极包覆层的阳极（即组2）分别与混凝土内钢筋连接后的混凝土钢筋保护电位。由表可知，组1极化的速度较组2慢，但是在稳定后的极化电位较组2更负，保护的效果更好。

在试验期结束后，组1电位依旧保持稳定。在约40天后，组2第一次实验的阳极试块的保护电位大幅度正向偏移，直至约55天左右失效，这是因为组2锌合金阳极外部没有特殊包覆层，锌合金牺牲阳极的腐蚀产物无法有效扩散，导致阳极表面钝化，组2第二次实验的阳极试块也在约50天后性能大幅度降低；随后将失效后的组2锌阳极从试块中取出，放置于淡水中浸泡并持续监测其电位20d，发现其电位一直保持在-0.5V左右，证明其彻底失效，且这种失效是不可逆的。

在每轮试验后将阳极模块取出，观察阳极槽内介质，可以发现组1阳极模块放置的阳极槽内的介质均干净无杂质，组2阳极模块放置的阳极槽内介质均有部分腐蚀产物堆积，侧面证明外包覆层的加入有利于腐蚀产物的扩散，缓解了混凝土环境中阳极的钝化。

3 结论

（1）混凝土环境中的锌合金牺牲阳极无法正常使用。实验证明，在未进行外包覆的情况下，牺牲阳极会在较短时间内发生大幅度的劣化，直至失效，导致整个阴极保护系统失效；

（2）在混凝土环境中，锌合金阳极的外包覆层能有效提升阳极的工作效率，扩大保护范围，能够满足使阴极达到GB/T 21448-2017中4.4.4节100mV阴极电位负向偏移准则，而未增加包覆层的锌合金牺牲阳极则无法满足该准则；

（3）在混凝土环境中的牺牲阳极需要增加外包覆层才能正常的工作，辅助腐蚀产物的扩散，缓解混凝土环境中锌合金牺牲阳极的钝化。