混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极

1、浅析混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极摘要钢筋混凝土结构因取材广、性能优越发展迅猛，被广泛用于工业和民用建筑、桥梁、隧道、 水利、海港等领域。近几年混凝土结构的破坏时常发生，每年国家花费大量的人力、物力来恢复 钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏。 这影响到我国乃至全世界的经济发展和基础设施的安全性。 就 此法赫研发了一系列混凝土预防性工程防腐材料。其中 FH CC 钻孔植入式牺牲阳极是预防和 控制混凝土内钢筋防腐蚀产品，该产品可广泛用于：阳台、柱子和梁、桥面板、停车场、桥墩和 码头、预应力混凝土、后张拉锚固等钢筋混凝土工程，与绑扎式牺牲阳极相比：该产品不需区域 性破除混凝土结构， 只需用机械设备在标记

2、区域钻入适当大小的圆孔即可。 FHCC 即可离散性 防腐，也可分布式串联区域性防腐。关键词： 钢筋混凝土防腐、植入式牺牲阳极、分布式牺牲阳极防腐、桥梁养护1 引言腐蚀在世界范围已成为工程师面临的严峻问题。 根据美国、 英国和日本腐蚀成本的统计： 全 面腐蚀直接和间接占国民成产总值的 34%。2002年相关报告指出，美国花费 10亿到 30亿美 金用来恢复钢筋腐蚀引起的混凝土结构破坏。 图 1和图 2 是混凝土钢筋锈蚀对桥架支撑和停车场 拱腹造成的损害。图 1.(a)桥梁的腐蚀； ( b)停车场面板钢筋腐蚀混凝土中钢筋腐蚀所造成的巨大经济损失已成为美、 英等发达国家在基础设施建设中面临的最大问题

3、之一。 但在许多发展中国家， 由于大量钢筋混凝土结构建设较晚， 钢筋腐蚀所带来严重 后果未充分暴露出来，所以这一问题尚未引起这些国家相关部门的高度重视。我国在 20世纪 50年代就开始将钢筋混凝土用于工业建设之中， 但大规模的基础设施建设开 始于 80 年代后期，我国的基础设施建设，如海港码头，高速公路，城市立交桥，高楼大厦相继 拔地而起。 钢筋混凝土结构施工量与日俱增。 由于钢筋腐蚀引起混凝土结构的破坏是一潜伏期较 长的隐患性病害， 一些地方部门及施工单位的短期经济效益行为， 致使这一问题的严重性一直未 能引起足够的重视。 随着我国早期建造的部分海港码头、 水利设施及城市建筑遭受钢筋腐蚀破坏

4、 以及近期修建的一些钢筋混凝土结构，如北京、天津等立交桥，使用时间不长，腐蚀环境也不像 欧美恶劣，暴露出严重的钢筋腐蚀破坏现象。目前，美、英等发达国家对混凝土中钢筋腐蚀问题的研究相对成熟。 我国针对混凝土中钢筋 的腐蚀发生的破坏的修复材料、 修复措施还落后于欧美等发达国家。 近年来， 上海法赫进过数十 年的经验沉积， 积极的吸收国内外先进的混凝土养护机具设备、 材料技术并加以研究， 研发出很 多钢筋混凝土养护用设备、 材料等。其中，FHCC 是一种混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极， 可用于混凝土中钢筋防腐，具有防腐效果好、寿命长、节省成本、应用简单方便等特点。 1.1混凝土中钢筋的锈蚀过程一般

5、情况下，金属发生腐蚀需要下面几个条件：1、阳极； 2、阴极； 3、氧气； 4、水分； 5、传递电子的介质混凝土内部孔洞为环境中的氧气、 水分提供了通道，而阴极和阳极即可以是不同中金属材料， 如钢和铝。 也可以是同一种金属材料， 金属内部不均匀性形成了许多阴极点和阳极点。 而混凝土 内部孔洞中水份和混凝土骨料本身充当传递电子的电解质。以上的 5个条件都容易满足。 但是混凝土中钢筋的腐蚀有别于大气或水中情况。 钢筋在硅酸 盐水泥中表面会形成保护性钝化膜。 这层保护膜的存在保护钢筋不发生锈蚀。 但是如果混凝土受 到氯离子污染，或是与空气中 CO2 气体反应发生中性化，这层保护膜发生去钝化反应，引起混

6、 凝土钢筋的腐蚀。1.2混凝土中钢筋的腐蚀速率混凝土中钢筋腐蚀破坏的过程分为三个阶段。图 2.混凝土中钢筋腐蚀破坏的三个过程1、 钢筋腐蚀的诱发阶段：混凝土中的 CO2 或氯化物逐步扩散至钢筋表面，使钢筋表面发生失 去钝化反应，钝化膜被破坏。计算时，此阶段被称为钢筋腐蚀的起始时间，以To 表示。2、钢筋腐蚀扩展阶段：钢筋骨架发生腐蚀，钢筋表面产生锈蚀。3、钢筋混凝土结构破坏阶段：由于钢筋腐蚀生锈，致使钢筋截面尺寸减少，或钢筋混凝土保护 层产生顺筋裂纹和腐蚀层裂；裂纹、层裂连通后，混凝土发生开裂、剥落现象；最后混凝土 结构的功能性使用寿命结束。第 2、3 两阶段被称为钢筋腐蚀的破坏时间，以 T1

7、 表示。 1.2.1碳酸化诱发钢筋腐蚀的启始时间 To 的计算混凝土的碳酸化是 CO2 气体向其内部扩散造成的，碳酸化速率可用碳酸化前沿推进方程表 示：X=At n式中 x 碳酸化深度（ mm）；A-CO2 在混凝土中的扩散系数； t-时间（ a）； n-指数，通常为 1/2。 通过上式计算出碳酸化前沿达到钢筋的时间，即 To。 1.2.2氯化物诱发钢筋腐蚀的起始时间 To 的确定对于暴露于大气中、 周围环境含有不同浓度氯化物的钢筋混凝土结构而言， 由于氯化物入侵 不像碳酸化那样， 我们可以根据在断面各处氯离子浓度随深度、 时间变化的一条曲线， 因而问题 的处理比碳酸化复杂。根据 Fick 扩

8、散第二定律， Cl-扩散方程的一般形式为：这样根据标准方程式可计算出起始时间 To 1.2.3钢筋腐蚀破坏时间 T1 的确定Clear/Stratfull 经验公式： Stratfull 提出了一个经验公式，用以预测在具有某一恒定氯化物含 量的海水中，钢筋混凝土保护层第一次出现裂纹的时间。1.3钢筋混凝土阴极保护1.3.1地下混凝土的保护从 1824 年就开始了海水环境中钢筋的阴极保护， 在过去的 50 年中，其应用延伸至水和土壤 中钢筋的保护。 1955 年之前，报道过钢筋混凝土阴极保护最早应用于预应力混凝土管道，后来 是地下钢筋混凝土水箱等。 早期大部分应用涉及地下钢筋混凝土。 这些应用使

9、用传统的阴极系统。 1.3.2地上保护导电覆盖层低上钢筋混凝土阴极保护的最早发展是 20世纪 50年代晚期的桥面板保护。这些系统在沥青 覆盖层使用简单 的高硅铸铁阳极，添加焦炭具有导电性。导电覆盖层系统广泛用于无防水膜的 桥面板保护中，这种方法将面板厚度增加至 80mm.，并且大幅度提高了结构的重量。 1.3.3导电涂层阳极系统直到 1980 年左右出现的导电涂层阳极系统，才使阳极系统真正应用到桥面板以外的垂直和 拱腹表面， 对结构和建筑物提供阴极保护。 导电涂层阳极系统以铂包铌或钛为主要阳极， 应用于 停车场拱腹、 公路桥梁和支撑结构中。 由于导电涂层阳极系统对水分、 靠近表层内置钢筋和其他

10、 任何表层磨损极其敏感，所以表层的处理和检测标准高。1.3.4金属丝和网状阳极1983 年出现了一种导电聚合物金属丝阳极，有时人们将这种阳极预先安装在网孔阵列中， 广泛用于公路桥梁和停车场面板的阴极保护中， 而之前使用的阳极都是用在土壤和水中。 这种新 出现的钢筋混凝土阳极是一种进步。 1985 年美国和英国出现了涂有各种金属氧化物涂层的钛网 阳极，生厂商不同，金属氧化物种类也不同。保护桥梁和停车场面板的保护用混凝土面层覆盖： 垂直和拱腹结构保护采用压力喷浆、 喷射砂浆或者水泥砂浆人工作业。 导电聚合物金属丝阳极系统的成功应用要求高标准的表层处理和覆盖层1.3.5牺牲阳极地上钢筋混凝土阴极保护

11、的另一种系统是牺牲阳极的应用。 牺牲阳极电位比钢筋低， 当置于 电阻高的混凝土中， 其提供的电流肯能不足以进行全面阴极保护。 但是，这种系统广泛应用在地 下和水中钢筋混凝土结构的阴极保护。 上海法赫研发了一种新型应用， 即修补混凝土结构中钢筋 的保护。2、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FHCC 防腐机理牺牲阳极的电位比钢筋电位低， 与被保护的钢筋连通， 牺牲阳极失去电子， 钢筋得到电子被 保护。以氯离子污染的钢筋混凝土修补为例说明牺牲阳极的保护原理。图 3.FH-CC 牺牲阳极防腐机理： （a）混凝土钢筋受氯离子污染腐蚀； （ b）钻孔植入牺牲阳极腐蚀被抑制 左图中所示是上部钢筋受到氯离子污

12、染， 而下部钢筋未受到氯离子污染， 由于上部钢筋与下 面钢筋形成一对阳极和阴极， 上部位于氯离子污染区域的电位较负的是阳极， 而下部是阴极， 结 果导致上部钢筋的加速腐蚀。右图中所示是钻孔植入上海 FH-CC 产品后，钢筋的腐蚀受到抑制而减少， 在牺牲阳极 FH-CC 与钢筋之间产生了阳极电流保护钢筋不发生锈蚀。3、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FHCC 的设计与制备上海法赫研发的混凝土中钢筋防腐蚀用内置牺牲阳极 FHCC 系列，其结构如图所示，产 品有三部分组成：内部牺牲阳极合金块、包裹砂浆、金属导线图 4. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC3.1 FH-CC 牺牲阳极材料3.1.1

13、牺牲阳极内部锌核常用的牺牲阳极合金材料有锌合金、 镁合金和铝合金， FH CC 牺牲阳极选用高性能的锌合 金材料。保证牺牲阳极为混凝土中钢筋提供大电流的同时，具有长的使用寿命。锌合金电位： -1020-1100mv；保护电流稳定；锌的锈蚀膨胀率低，膨胀 0.2-0.3 倍； 3.1.2牺牲阳极包裹砂浆牺牲阳极的包裹砂浆添加了保持锌合金活性的材料， 可以使锌合金长期处于活性状态， 提供 稳定的电流输出。包裹砂浆不含有硫酸盐、氯化物、溴化物等腐蚀钢筋的物质。包裹砂浆同时具有足够强度的同时内部有很多均匀的孔洞， 保证内部锌合金发生的锈蚀产物 不在锌表面堆积，可以通过孔洞扩散出去，保证锌合金表面活性，

14、防止牺牲阳极发生开裂。3.1.3 金属导线金属导线起到传递电子和绑扎固定牺牲阳极的作用。金属导线表面光滑，无镀层。3.2 FH-CC 牺牲阳极的制备方法牺牲阳极 FH-CC 系列制备方法包括以下工艺步骤：（1）把熔融的锌合金液浇筑在无涂层的光亮的金属丝的一端，脱模取出成型的锌合金块。（2）按配比配制牺牲阳极的包裹砂浆。（3）将锌合金块的一端固定在模具中， 向模具中注入牺牲阳极包裹砂浆， 静置 4872h 后脱 模，得到内置牺牲阳极。4、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FHCC 的特点FH-CC 阳极包含了一个牺牲锌阳极核，由专业配方的预制水泥基砂浆包裹。这种圆柱形阳 极，规格多样，可快速安装在

15、混凝土中。安装后，锌核就会比周围钢筋先发生锈蚀，从而对周围 钢筋进行电化学腐蚀控制。可根据具体项目需要制作合适大小的阳极。技术成熟 支持独立检测 针对性保护 在高锈蚀电位或者剧烈锈蚀区域安装牺牲阳极进行腐蚀保护。 经济通过对氯离子污染剩余区域保护，节省资金。多效性 对氯离子污染和碳化的混凝土有效。 既可用于常规钢筋保护， 也可用于预应力混凝 土钢筋。用户友好型 安装快捷简单易维护 无需外部电源或者系统监测，如果有需要，阳极性能很容易监测。 持久性 使用寿命 1020年，降低未来维修需求。与所有牺牲阳极保护系统一样，多种原因影响使用寿命，包括钢筋密度、混凝土导电性、氯 离子浓度、湿度和阳极间距5

16、、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FHCC 的应用及工程案例上海法赫研发的 FH CC 分布式牺牲阳极用来控制正在发生的腐蚀以及预防混凝土结构新 腐蚀活动的发生。 可广泛用于： 阳台、柱子和梁、桥面板、停车场、桥墩和码头、 预应力混凝土、 后张拉锚固等。工程案例一： FH-CC 在国外某预应力箱梁里的使用 结构：国外某号航线上方桥梁图 5. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 在箱梁上的应用工程描述： 桥的外部箱梁受到氯离子污染。 氯离子来自混凝土表层融冰盐。 梁内钢绞线的锈 蚀导致混凝土的剥落。 预应力混凝土的维修和保护难度较大， 且担心发生氢脆， 腐蚀缓解方法的 选择受限，排除电化学除

17、氯和外加电流阴极保护。工程方案：修复设计小组决定安装电化学腐蚀控制系统保护箱梁。使用 FH-CC 阳极控制剧 烈腐蚀，防止腐蚀造成进一步破坏，尽量避免箱梁更换。梁的侧部安装两排阳极，底部一排。 工程案例二： FH-CC 在国外某隧道里的使用图 6. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 在隧道里的应用 工程案例三： FH-CC 在历史建筑工程防腐的使用 芝加哥某历史性建筑的保护图 7. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 在历史建筑的应用工程描述 :由于本建筑物年代久远，位置特殊，柱廊上方的井式楼板腐蚀严重。碳化导致钢筋锈蚀，楼 板钢梁和腹板破坏。工程方案 :业主的最大考虑是保留建筑的历

18、史风格， 这会使修补受到限制。 而应用 Galvashiled CC 内置牺牲阳极可以安装在井式楼板的顶部， 在保证结构的历史外观的同时又能控制钢筋锈蚀。 工程案例四： FH-CC 在海滩附件公寓防腐的使用 佛罗里达某个海滩公寓图 8. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 在海滩公寓的应用工程描述： 公寓混凝土阳台和通道受到氯化物腐蚀破坏。氯化物来自大西洋，在风力作用下扩散至此。在重修补后，业主决定采用腐蚀控制系统保护阳台和通道，以减少未来维修需求。 工程方案： 当地一家承包商使用传统方法对阳台和通道的脱层和剥落的进行了修补。采用 FH-CC65 阳 极，格网状安装在未修补的阳台和通道上，

19、 对钢筋提供电化学腐蚀保护。 这种仅在未修补的氯离 子污染区域安装腐蚀保护系统的方法，不仅效果良好，而且降低成本。工程案例五： FH-CC 在公寓防腐的使用 阿塔拉亚塔楼公寓楼电化学腐蚀控制图 9. 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 在海滩公寓的应用工程描述：业主确定海边的公寓柱子配筋不足， 需要使用外部碳纤维板加固结构， 提高结构的负载能力。 但是由于结构离大西洋较近， 且出现混凝土剥落， 担心钢筋锈蚀会引起未来老化， 以及影响碳纤 维加固系统与腐蚀柱子粘合后的耐久性。 因此，工程师要求进行腐蚀评估， 以便确定地平面柱子、 梁和支架上腐蚀的位置和程度。直观测量大致能确定混凝土剥落、 开

20、裂和脱层的位置。 氯离子分析显示混凝土出现低到中等 程度的腐蚀。 但是，半电池电位调查发现每根柱子的较低部位相较于上面， 出现大量较高的腐蚀 电位。出现这种现象的原因可能是由于柱子下面的区域收到周期性风暴潮的影响。工程方案 :由于更好的了解未来腐蚀风险，工程师建议在每根柱子下方安装腐蚀控制系统，对钢筋锈蚀引发混凝土破坏的高风险区域进行控制。每根柱子安装3个 FH CC内置牺牲阳极。阳极交错式排列， 垂直间距为 16”。安装阳极后， 预计会对这些区域产生 15-20年的保护性电流， 从而延长柱子和碳纤维加固系统的使用寿命。6、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FHCC 的参数和技术数据6.1牺牲阳

21、极参数表一 .钢筋混凝土钻孔植入式牺牲阳极FH-CC 参数阳极种类描述阳极规格圆柱状 FH-CC65标准阳极，适用于中等钢筋分布密度46X62mm圆柱状 FH-CC100钢筋高分布密度，大号阳极46X100mm圆柱状 FH-CC135钢筋分布拥挤，小号阳极29X135mm6.2牺牲阳极技术数据FH-CC 牺牲阳极的分布距离：FH-CC65 与 FH-CC135 网格最大间距 300750mm；FH-CC100 网格最大间距 300550mm； 牺牲阳极网格间距与钢筋表皮面积 /混凝土表层面积有关，随着钢筋表皮面积比的增大， FH-CC 牺牲阳极布置越来越密。表二 . 钢筋混凝土钻孔植入式牺牲阳

22、极 FH-CC 技术数据保护等级描述FHCC腐蚀预防减缓新腐蚀活动的发生腐蚀控制缓解正在进行的腐蚀活动阴极保护减少正在进行的腐蚀活动7、混凝土钢筋防腐钻孔植入式牺牲阳极FH CC 的安装指导1、安装位置的测量与确定： 设计人员确定格网状阳极安装的具体位置和间距。使用钢筋定位仪 （推荐 FH-GH1002-手持式钢筋定位仪）定位保护区域内所有钢筋的位置，并标记阳极安装洞的 钻孔位置。如果安装情况允许，阳极安装位置至少距离钢筋网100mm。图 10 上海法赫钻孔植入式牺牲阳极 FH-CC 串联连接标准分布图2、安装牺牲阳极 FH-CC串联单个电路最多安装 10个 CC阳极。每行钢筋连接孔最小 12

23、mm。混凝土连续单个开 槽宽约 6mm，深约 12mm，用来连接钢筋连接孔和阳极连接孔。单个连接 在每个阳极安装位置钻一个钢筋连接孔。 钢筋连接孔和阳极连接孔的混凝土开槽 大小为 6mm 宽， 12mm 深。使用 FH 钢筋连接工具包进行钢筋连接。将受力连接器受力端放入钻孔，直到钢线圈接触钢 筋。通过 FH 设置工具将钢筋连接线填入，然后用锤子之类的工具敲进去。3、牺牲阳极的连通性测量： 用提供的连接器将阳极与钢筋连接线连接。如果是成列安装，用接 线器将阳极与连接线连接。 然后用万用表检验阳极点和钢筋连接的电气连接。 测得最高电阻值小 于 1ohm 为合格。根据上文列出的大小进行钻孔，安防阳极。提前将阳极在水中浸泡1020分钟。使用 FH 砂浆将湿