电化学防腐

根据电化学原理在金属设备上采取措施使之成为腐蚀电池中的阴极防止或减轻金属腐蚀的方法

电化学防腐（又称电化学修复）是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。

原理

要进行防腐工作，就必须来认真分析各种电化学腐蚀现象，了解发生的机理，从而拟定合适的防腐措施。电化学腐蚀的特点是有电流产生。电化学腐蚀中的电流也正是由于金属在电解质溶液中形成了结构与原电池相似的“腐蚀电池”而产生的。通常在电化学腐蚀的金属中，腐蚀电池极小，但数量极多。金属接触到电解质溶液，发生原电池效应，比较活泼的金属原子失去电子而被氧化，腐蚀过程中有电流产生，叫电化学腐蚀或电化腐蚀。例如：钢铁在潮湿空气中，表面吸附一层薄薄的水膜，纯水是弱电解质，它能电离出少量的H+和OH-，同时由于空气里的CO2的溶解，使水里的H+增多。结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液薄膜，它跟钢铁的铁和少量的碳(或其它杂质)恰好构成了原电池。因此，钢铁制品的表面就形成了无数微小的原电池。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极，这时作为负极的铁就失去电子而被氧化： Fe-2e=Fe2+；在正极，溶液里的H+得到电子而被还原，最后产生氢气在碳的表面放出：2H++2e=H2↑，这种腐蚀通常叫析氢腐蚀。如果钢铁表面的水膜酸性很弱或呈中性，在负极上也是铁失去电子而被氧化成Fe2+，而在正极上主要是溶解于水膜里的氧气得到电子而被还原：Fe-2e=Fe2+，2H2O+O2+4e=4OH-，这种腐蚀叫吸氧腐蚀。电化学腐蚀的原理与原电池`工作的原理是类似的，总之，整个电化学腐蚀过程是由腐蚀电池的阳极反应，电子和离子的移动这三个环节组成，缺一不可。

电化学防腐技术三种方法的原理是很相似的：在置于混凝土构件表面上的外部辅助电极和钢筋之间通以直流电，钢筋作为阴极，外部电极作为阳极与其间的碱性电解质共同构成回路，对钢筋进行阴极极化，并发生电化学反应。在电场的作用下，混凝土内部的阴极反应产物OH-及混凝土中原有的Cl-由钢筋穿过保护层向混凝土表面迁移，外部的阳离子Na+、K+、以及 Ca2+等向阴极迁移。同时，由于电渗作用，碱性电解质会快速渗透到混凝土内部，加上OH-的产生和迁移，使混凝土的pH值升高，氯离子含量降低，通过改善钢筋的特定环境实现钢筋混凝土结构的修复。

方法分类

电化学防腐技术分为阴极保护、电化学再碱化（ERA）、电化学除氯（ECR）。

一、阴极保护

通过降低金属电位而达到保护目的的，称为阴极保护，根据保护电流的来源，阴极保护分为牺牲阳极和外加电流保护。

①牺牲阳极

牺牲阳极法是依靠电位负于保护对象的金属（牺牲阳极）自身消耗来提供保护电流，保护对象直接与牺牲阳极连接，在电解质环境中构成保护电流回路。阴极保护主要用于防止土壤、海水等中性介质中的金属腐蚀。

②外加电流保护

外加电流保护是由外部直流电源提供保护电流，电源的负极连接保护对象，正极连接辅助阳极，通过电解质环境构成电流回路。

二、电化学再碱化（ERA）

碱性化是一种恢复受碳化混凝土碱度的电化学处理方法，碱性化是通过暂时在钢筋混凝土之间施加电场和在外部安装的一个阳极网来实现。在此过程中碱性电解液,如碳酸钠或碳酸钾溶液,被渗透到混凝土,增加其覆盖区的碱度。同时,电解液在钢筋周围产生一个高pH值环境，使钢筋表面钝化。

三、电化学除氯（ECR）

通过在混凝土外部施加电场及安装一个外部的阳极网格，对提取混凝土中的氯离子，称为长期与短期电蚀钝化处理，显著降低氯化物含量、增加钢筋周围PH值、使加强钢筋恢复到钝化的、非腐蚀状态。

应用

电化学防腐技术可适用于各种钢筋混凝土结构构筑物，包括住宅、办公楼、医院和学校建筑，桥梁，隧道，码头和防波堤，水塔，工业厂房，停车场等。

电化学防腐技术主要用于由氯离子侵蚀导致钢筋锈蚀的结构中，氯离子来自于混凝土本身、海水或除冰盐。这种技术也在钢筋框架砌体结构中得到应用，以防钢筋框架的锈蚀膨胀使砌体结构开裂。

在国外一些可能遭受氯离子侵蚀的新建重要建筑中，也采用的是阴极保护作为钢筋锈蚀的预防措施。处在地下水、涌浪区和浪溅区之间的界面区对阳极的选用、安装和控制带来了很多问题，这是阴极保护应用领域的一个研究热点。

发展历史

一、埋入地下的混凝土保护

自1824年以来一直对海水中的钢实行阴极保护，在过去的50多年来，它被广泛地且非常成功地用于保护水和土壤中的钢。最早应用阴极保护技术到钢筋混凝土中是在1955年前，从已汇报的用于被埋钢筋水箱、核反应堆容器的钢筋和衬里以及混凝土打桩的应用技术到加预应力的混凝土输水管道中。早期应用中的大多数都严格在报告范围之外，因为它们与被埋在土壤中的钢筋混凝土有关。这样的应用程序允许使用常规的被埋在管道阴极保护设计原则和阳极系统。

二、地上保护——导电性覆盖物

在地面上，钢筋混凝土的阴极保护最早发生在20世纪50年代后期的桥面保护上。这些系统使用简单的高硅铸铁阳极到沥青覆盖层，使其通过加入焦炭而具有导电性。在1973-1980年期间，这些系统约有35个被安装，许多已经被报告，它们在1983-1985年期间仍然在良好地运作。这些导电覆盖系统的一个变化与被增加的沙子和石头一起聚集来提高机械性能。该变化已成为加拿大安大略省的一个标准的修复选项，该选项已经安装了大约40个系统。

导电性覆盖系统被广泛用于无防水膜状物的桥面。该系统增加了80毫米的板厚度，并规定了实质性的自重加载处罚。特别重要的是，如果系统被用于停车库板上，该导电覆盖系统是不适用于垂直或拱腹的表面。

通过使用被安装在混凝土切槽中的阳极系统，尽量尝试避免导电覆盖层的厚度和重量的危害。装载导电聚合物灌浆中的包铂铌丝和石墨纤维的阳极被应用到30个桥面中。由于邻近阳极的混凝土的酸打击，早期的系统失败了。这已引起各方关注现有系统的预期寿命。由于酸生成和高阳极/混凝土电流的密度，这些系统没有用混凝土覆盖。

三、导电性涂层阳极系统

大约在1980年左右，导电涂层阳极系统的出现第一次向钢筋混凝土的垂直和拱腹的表面提供了一个实用的阳极系统，除了桥面应用之外，其允许结构和建筑物的阴极保护。导电涂层阳极系统，使用包铂的铌或钛作为主要的阳极，见证其应用到停车库板拱腹、公路桥梁和支持结构中，并已用于保护约30000平方米的地上钢筋混凝土。他们的成功应用要求高标准的表面处理和检查。这些导电性涂层的阳极系统对水分非常敏感，尤其对嵌入钢表面附近和任何类型表面上的磨损区域。某些系统中，由于这些因素，在该领域会过早发生故障，

四、电线和网状阳极

在1983年，导电聚合物丝，有时预先组装成网状阵列，被作为阳极引入到钢筋混凝土中，以此成为其作为土壤和水中的阳极在先前使用中的一个发展。该阳极被广泛应用于公路桥梁和停车场车库甲板的阴极保护中，其中约10万平方米的应用面积已被报告。在板应用中，它用传统的混凝土路面覆盖，该路面有与早期的系统所需要的导电沥青罩面有关的力度和使用寿命优势。该系统经历在该领域的技术/性能问题，并且不再用于这个应用程序中。

聚合物线系统也与桥梁支座和其他结构的垂直和拱面用喷射混凝土覆盖物一起使用。成功的应用要求按最高标准准备混凝土表面和喷浆操作。

1985年，由不同制造商们涂有各种金属氧化物钛扩展网阳极，被同时引入到英国和美国来用在钢筋中。它们被用于保护桥梁和停车场甲板，被混凝土铺路覆盖，并且在垂直或拱应用中用喷浆、或喷洒、或涂抹型水泥砂浆覆盖。至于导电性高分子的电线阳极系统，成功的应用要求按最高标准准备和操作。

五、牺牲阳极

另一个系统是利用牺牲阳极到地上钢筋混凝土的阴极保护中。由于相对较低的驱动电压，牺牲阳极，当其嵌入有相对电阻的混凝土中，可能无法提供足够的电流以完成阴极保护。然而，他们已经被广泛用于被淹没或被埋入钢筋混凝土结构的阴极保护中。牺牲阳极技术在电化学防腐技术的发展中已创造一颇个具有吸引力的方案来保护被修复混凝土结构中的钢筋，这也是研究嵌入式牺牲阳极来修复混凝土结构的重要主题。

材料选择

牺牲阳极材料的选取的途径取决于钢铁行业牺牲阳极，并被广泛用于钢铁设施阴极保护的牺牲阳极材料有3大类:镁阳极、锌阳极和铝阳极。

1.镁阳极

镁具有较高的化学活性、电位负，其标准电极电位为-2.37V(相对于标准氢电极,下同)。同时，镁表面难以形成有效的保护膜。因此，在水介质中，镁表面的微观腐蚀电池驱动力大，保护膜易于溶解，镁的自腐蚀很强烈，在阴极上发生析氢反应2H+2e→H2↑。因而,无论是纯镁阳极，还是Mg-Mn，Mg-Al-Zn-Mn合金阳极，它们的电流效率都不高。

2.锌阳极

锌是使用最早的牺牲阳极材料，已有100多年的历史。锌的标准电极电位为-0.762V。在腐蚀性介质中，锌阳极与铁的有效电位差不大,如在海水介质中,约为0.2V，但是锌阳极具有高的电流效率。

3.铝阳极

与镁阳极、锌阳极相比，铝阳极具有更大的电化学当量，单位质量的铝阳极可产生更多的电流。铝阳极在20世纪60年代以后得到了迅速发展。铝的标准电极电位为-1.66V，比锌的负很多。从理论上讲，铝是一种很好的牺牲阳极材料。但是，纯铝极易钝化，在表面上形成一层保护性能很好的氧化膜,膜的电位很正，因此，纯铝是不能用做牺牲阳极材料的，必须合金化。一般需在铝阳极中添加合金元素锌、铟、汞、镉、锡、硅、镁等，这些元素的原子部分取代铝晶体晶格上的铝原子，使这些地方成为铝氧化膜的缺陷部分，促成铝合金基体的正常溶解。

4.钢筋混凝土使用的牺牲阳极

通过以上3个阳极的特点及优劣，钢筋混凝土牺牲阳极选择了锌阳极，不仅考虑到锌阳极的技术成熟，最重要的一点是，锌无论在强酸或者强碱的情况下都能不停的氧化，并且氧化锌不会膨胀，不会有体积的变化，这才是选择锌阳极用在钢筋混凝土结构中的原因。在锌阳极外层包裹一层强碱性的混凝土，就可以让他从生产开始到完全养护都能源源不断的代替钢筋腐蚀。

技术鉴定

中国水运建设行业协会于2010年12月24日在广州主持召开了由中交四航工程研究院有限公司完成的《钢筋混凝土结构物修复电化学关键技术研究》科技成果鉴定会。

该项目系统研究了钢筋混凝土结构修复的外加电流阴极保护和电化学脱盐技术，开发了阴极保护实时监测系统，优化了外加电流阴极保护和电化学脱盐的设计参数及施工技术参数。首次开发了电化学沉积的MnO2参比电极，并建立了混凝土外加电流阴极保护实时监测与调控系统，为阴极保护的有效运行提供进一步保证；首次提出混凝土阴极保护MMO阳极的电化学性能指标及实验方法；首次在国内采用喷涂纤维保水材料为主的电化学脱盐阳极系统，确定了安全的电化学脱盐技术控制参数；揭示了外加阴极保护电流在多层钢筋之间的电流分配的规律，研究了钢筋腐蚀和混凝土环境状态对外加电流阴极保护电流密度的影响，为阴极保护实际工程设计提供理论指导和技术支撑。

该项研究成果已在国内外工程中得到应用，对提高我国海洋环境下钢筋混凝土结构修复及防护技术水平、提高钢筋混凝土结构的耐久性具有重要的意义。社会效益和经济效益显著，成果的推广应用前景广阔。

经专家鉴定，该研究成果总体上达到了国际先进水平。

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