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!钢筋混凝土阴极保护体系中的电流分布


第 37 卷第 8 期 2009 年 8 月

同 济 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)
JOURNAL OF T ONGJI UNIVERSITY( NATURAL SCIENCE)

Vol. 37 No. 8 Aug. 2009

文章编号 : 0253 - 374 X( 2009) 08 -101

4 - 05

DOI: 10. 3969 / j. issn. 0253 - 374x. 2009 . 08. 005

钢筋混凝土阴极保护体系中的电流分布
姚 武, 徐 晶
钢筋混凝土作为当代土木工程中应用最为广泛 的大宗材料 , 其耐久性问题一直是国内外学术界和 工程界关注的焦点. 由钢筋腐蚀所引起的混凝土结 构的 过早 破 坏 已 公认 为 是 全 世 界突 出 的 一 大 灾 害[ 1] . 在海工结构以及撒盐除冰的道桥结构中, 混凝 土内部钢筋钝态破坏的主要诱因是氯离子以及混凝 土孔溶液 pH 的下降, 或者是二者的结合 . 由于混凝土内钢筋的腐蚀是一个电化学过程 , 阴极保护因而被认为是阻止钢筋腐蚀的一个最有效 的手段之一 . 与环境水或土壤中钢结构的阴极保护 类似, 阴极保护的主要方式也有牺牲阳极和外加电 Current Distribution in Reinforced Concrete Cathodic Protection System
YAO Wu , XU Jin g
( Key Labor ator y of Adv anced Civil Engineer ing Mater ials of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)
[ 2]

( 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 , 上海 200092)

摘要 : 在采用碳纤维水泥基 材料作 为铺覆 式阳极 的条件 下 , 用实验的方法 , 研究了对三层排布的钢 筋混凝 土结构 进行阴 极保护时的保护 电流分 布问 题 . 讨论 了钢 筋初 始腐 蚀状 态、 混凝土电阻率以 及不同 外加 电流 密度对 电流 分布 均匀 性的 影响 . 结果表明 , 钢 筋初始 腐蚀 速率 和混 凝土 电阻 率均 对保 护电流分布有较大影响 , 而不同的电流 密度仅 对腐蚀 较严重 的钢筋内的电流分布造成影响 . 该研究 对于现 场条件 下的钢 筋混凝土结构的阴极保护提供了有价值的 信息 . 关键词 : 混凝土 ; 钢筋腐蚀 ; 阴极保护 ; 电流分布 中图分类号 : T U 503; T U 528. 571 文献标识码 : A

流两种, 但因为后者能够提供足够的保护电流而逐 渐受到人们的青睐[ 3] . 外加电流阴极保护可 采用的 阳极系统有三类, 分别是分散型、 埋入型和全面覆盖 型. 全面覆盖型的阳极能够对大面积钢筋网上的任 何地方均匀地提供自由电子 , 并且不需要凿除部分 混凝土, 因而不会损坏原结构. 另外 , 由于覆 盖型阳 极本身可采用价格较为低廉的导电材料 ( 如导电树 脂或导电砂浆等 ) , 配以埋入的耐蚀主阳极材料 , 可 以使得这种导电阳极体系更为经济合理 . 最早的 全面覆盖型阳极应用者是 1974 年美国的 St rat full, 他使用一种铺覆式阳极系统, 成功地对 300 m 的混 凝土桥面板进行了阴极保护 [ 5] . 但由于钢筋混凝土结构体系自身的复杂性和多 变性, 会造成在具体实施阴极保护过程中电流分布 不均, 即某些部位保护不够而另一些部位却过度保 护. 在前人的研究中, 对于因阴极保护造成的电流分 布问题研究 较少. Ber to lini[ 6] 和 Sag ues 等[ 7] 研 究了 钢筋自身腐蚀状态对电流分布的影响 ; Po lder 探讨 分布式阳极对电流分布的作用 ; H assanein 等 [ 9] 采用 有限元法和有限差分法, 分析了理想的钢筋混凝土 结构中各个因素对电流分布的影响, 但只限于理论 研究范围 .
[ 8] 2 [ 4]

Abstract :

The

protection

current

distribution

was

investigated in a three -layer reinforced concrete cathodic protection system, with carbon fiber reinforced cement - based material as the conductive coating anode. The influence of steel bars initial current state, concrete resistivity and density on the current magnit ude of applied current

distribution was discussed, respectively. The results show that both the initial corrosion rate of rebars and concrete resistivity have a great effect on the protection current distribution. However, the magnitude of impressed current density only affects the uniformity of current distribution to some extent when the rebars are corroding severely. This study contributes to the cathodic protection of reinforced concrete struct ures in field condition. Key words: concrete; rebar corrosion; cathodic protection; current distribution

收稿日期 : 2008- 04- 16 基金项目 : 教育部博士点基金资助项目 ( 200070247063) 作者简介 : 姚 武 ( 1966 ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 工学博士 , 主要研究方向为水泥基材料 . E - mail : yaow uk@ t ongji. edu. cn

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武 , 等 : 钢筋混凝土阴极保护体系中的电流分布

1015 98 ( 水运工程混凝土 试验规

笔者在总结前人研究思路的基础上 , 采用实验 的方法, 对某一具体排布方式的钢筋混凝土试样进 行电流分布的研究, 并且采用碳纤维水泥基材料作 为铺覆式阳极材料 , 目的在于讨论钢筋腐蚀状态、 混 凝土电阻率以及保护电流密度等各因素对电流分布 的影响, 以期对实际工程中的电流阴极保护提供有 价值的信息.

试样则参照 JTJ 270

程 ) 关于在海水环境下混凝土中钢筋快速腐蚀的办 法加速腐蚀, 以 14d 为一个浸烘循环周期 , 总共进行 了 4 个周期. 在通电进行阴极保护之前, 对所有试样 的钢筋 测量腐蚀电位 E cor r 和腐蚀速率 i corr , 测试均在试样近 于饱水状态下进行 , 并且钢筋始终由导线相连, 可以 认为是一个连续体 . E corr 测量采用半电池电位法 , 饱 和甘汞电极( SCE) 通过一个盐桥与混凝土试样表面 接触, 采用一只具有高输入阻抗的伏特计读取其与 钢筋的电位差. i corr 测量则采用三电极系统, 即饱和 甘汞电极 SCE 为参比电极, 以预先埋设在试样中间 部位的一小段不锈钢为辅助电极 , 连续的钢筋网络 为工作电极. 电化学测量仪器为 EG & G PARC 公司 的 273A 型恒电位仪器, 随附 M352 分析软件 , 扫描 范围为腐蚀 电位
- 1

1 试验方案
1. 1 原材料及试样制备 试样如图 1 所示, 总共成型 4 块. 试验水泥为安 徽海螺 P. O 42. 5 级 普通硅酸盐水泥, 细集 料为中 砂 , 粗集料为石灰岩碎石, 颗粒级配 5~ 25 mm . 混凝 土配 合 比 为 水 泥 量 1 0. 5 1. 7 水量 砂量 碎 石量 = 150 mm 3. 4. 试样规格为 150 mm

20 mV, 扫描速 率为 0. 1 mV

150 mm, 试样中埋入 9 根 8 mm 钢筋 . 浇注混凝 土前, 用 砂纸除去钢筋 表面钝化膜 , 用丙酮去 除油 污 . 钢筋分 3 层平行排列 , 埋入深度为 10 mm, 混凝 土保护层厚度为 10 mm, 钢筋间距 60 mm. 裸露出的 钢筋以及相应的混凝土面均用环氧树脂包封, 并且 在每根钢筋端部引出铜导线 , 通过导线将所有的钢 筋连接起来以形成连续的钢筋网 .

s . i corr 由如下的 Stern -Geary 公式 计算得出 , 其中 Stern - Geary 常数 B 取值为 26 mV: i corr = B / R p ( 1) 在进行阴极保护通电的过程当中, 为了能够准 确测得每根钢筋上 的电流且 不影响钢 筋的电连 续 性, 采用图 2 所示的测量方案. 所有的钢筋均通过各 自的引线接入一个自行开发设计的自动采集多通道 装置 , 在外接一个安培计的情况下 , 此装置能够在设 定的时间间隔下, 轮流采集测量每一条通道的电流 , 同时在测量的过程中不会影响到其他的通路 . 实验 的测量间隔为 200 s, 每个试样连续监测 24 h, 最后 计算出各根钢筋电流的平均值.

图1

试样示意图 (单位 : mm)

Fig. 1 The schematic of specimen (unit: mm)

所有试样在室温下标准养护 28 d. 在养护末期, 将试样暴露于室外 , 然后在试样表面铺覆一层厚 8~ 10 mm 的碳纤维水泥基导电砂浆作为辅助阳 极材 料 . 导电砂浆的具体制备工艺参见文献[ 10] , 其中碳 纤维掺量为水泥质量的 1. 0% . 同时 , 在导电砂浆材 料内埋入一根宽 10mm 的活化钛条作为主阳极 . 所 有试样在室温环境下再标准养护 7 d 之后待测 . 1. 2 试验方法与步骤 4 块试样分两批, 第一批的 1 号、 2 号试样始终 浸没在 5% 的 NaCl 溶液当中 , 而第二批的 3 号、 4号
Fig. 2 图 2 阴极保护测试装置示意图 Testing apparatus configuration for CP test

为获得不同混凝土电阻率情况下阴极保护电流 的分布状况, 分别对 2 号和 4 号试样在饱水、 常温常 湿及近似烘干三种情况下测试电流分布. 对于饱水

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情况, 试样除钢筋裸露面外 , 均用聚乙烯薄膜包封以 保证相对湿度接近 100% ; 对于常温常湿情况, 试样 在室温以及相对湿度在 ( 60 则首先在 105 5 ) % 的一般室内条件 下 , 放置 1 个月后试验; 而对于近似烘干状况 , 试样 烘箱中烘 24 h, 而后取出, 放在一个 大的干燥器内冷却至室温, 最后再测试. 测试之 前, 采用图 3 所示的四极法 测量混凝土电阻率 , 即将 4 个电极通过蘸水的海绵接触混凝土表面, 4 个电极排 成一行 , 彼此间距为 a . 在试样外表面测量多个点以 减小误差. 混凝土表观电阻率 可用下式计算: ( 2) = 2 aU / I 此处, a = 50 mm, U 和 I 分别为电压和电流 .

面富集自由电子, 电位变负. Feliu 等

指出, E corr 的

测量值很大程度上依赖于混凝土的潮湿程度 , 如果 单纯采用半电池电位法判断则很容易误判 . 在这种 情况下补充测量办法就显得很重要, 如补测该区域 的混凝土电阻率以及腐蚀速率.
表 1 试样初始腐蚀电位及腐蚀速率测 试结果 Tab. 1 Measurement results of initial potential and corrosion rate for all specimens
试样编号 1 2 3 4 E corr, SCE /

mV

i co rr / ( A 0. 33 0. 61 1. 95 2. 06

cm- 2 )

581. 1 514. 9 601. 9 562. 8

在确定试样的初始腐蚀状态之后, 依次 对每个 试样施加 20 mA m- 2 的阴极保护电流, 并测试各个 钢筋的电流分布, 所得分布结果如图 4 所示 . 图中钢 筋的编号 , 前一位代表距阳极层的位置, 后一位代表 自左至右的顺序, 如 2 - 2 号钢筋, 代表距阳极层为第 2 层, 自左至右第 2 号的钢筋, 即位于正中位置的钢 筋. 由于混凝土的多相性以及内部孔结构的复杂性 , 且内部湿度难以达到处处均匀一致, 各个钢筋的测 试结果有较大差异 . 然而, 由试件自身腐蚀状态的不 同对电流分布的影响则更为显著. 由图可见 , 低腐蚀 速率下的试样 1 和 2, 保护电流分布相对较均匀; 而 处于高腐蚀速率下的试样 3 和 4, 均出现某处钢筋电 流极大而另一处电流十分微弱的状况. 如试样 4 , 2 -1 号钢筋的电流达到近 0 . 12 mA, 而距离阳极 层较近 的1 - 3 号钢筋, 电流只有 0. 003 7 mA, 换算成电流密 度分别为 58. 2 mA m 和 1. 8 mA
- 2

图 3 混凝土电阻率测 试示意图 Fig. 3 Sketch of concrete resistivity testing using four -probe method

为获知在不同外加阴极保护电流密度情况下的 电流分布状况 , 于常温常湿环境中, 分别对 1 号和 3 号试样在外加电流密度为 40, 20 和 10 mA 情况下 , 测其电流分布状况 . m
- 2



2 结果与讨论
2. 1 钢筋腐蚀状况对电流分布的影响 表 1 为所有试样的初始自腐蚀电位以及腐蚀速 率测试结果, 可以看到 , 在 4 次浸烘循环周期后 , 试 样 3 和 4 的腐蚀速率均在 2 A cm- 2 左右 , 说明在 经过加速腐蚀之后, 其腐蚀速率均较大 . 相比之 下, 始终浸没在 NaCl 溶液中的 1 号和 2 号的腐蚀速率 也均大于 0. 2 A cm- 2 , 可以认为也正处于腐蚀状 态 , 但腐蚀速率较低 . 然而 , 所有试样的 自腐蚀电位 却均低于 - 500 mV( 相对于 SCE). 根据 ASTM C876 ( 美国标准代号) 关于根据电位判断钢筋腐蚀状况概 率的准则, 这已远远低于腐蚀临界值 - 250 mV( 相对 于 SCE). 这是因为所测试样为近于饱水状态下的混 凝土, 充气差 , 氧难以透过混凝土到达钢筋表面 , 使 钢筋表面难以进行阴极反应, 致使钢筋与混凝土界

m . 显然, 前
- 2

- 2

者过度保护而后者保护不够. 试样 3 也出现类似状 况, 最大与最小电流密度相差 46. 6 mA m .

图4 Fig. 4

不同初始腐蚀状态下各个试样钢筋电流分布图 Protection current distribution on rebars of each specimen with different initial corrosion state

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为进一步考察腐蚀状态和保护电流分布之间的 关系, 计算每个试样的钢筋电流分布标准偏差 S, 并 将 S 与各试样的腐蚀速率 i corr 关系示于图 5. 由图可 知 , 随着 i cor r 增大 , S 也增大, 意味着电流分布的分散 性越差. 并且 , 在腐蚀速率为 2 A cm 附近, 出现
- 2

了一个拐点 , S 陡然增大 . 这从某种意义上证明 , 初 始腐蚀速率存在一个临界值, 超过此临界值后, 保护 电流分布不均的现象将变得异常严重. 这种现象主 要是因为钢筋自身的腐蚀作用以及宏观电偶腐蚀的 存在. 研究表明, 若不考虑钢筋与混凝土界面极化电 阻 , 则电流分布仅仅取决于结构的尺寸以及介质的 电阻率 . Bertolini[ 6] 通过对钢筋阴极保护边界条件建 模分析 , 发现相比处在钝化状态下的钢筋而言, 对正 在腐蚀之中的钢筋进行阴极极化, 难度要大得多, 因 而保护电流也 更难以均匀 化. Sagues 和 Kranc[ 7] 通 过模拟分析, 发现宏观电偶腐蚀电流对局部极化的 影响更为显著. 这是由于在活化区和钝化区存在不 同的电压降. 另外 , 由于宏观电偶腐蚀造成的杂散电 流会对阴极保护电 流的均匀 化产生很 大的负 面效 应 , 因此 , 在保护阴极之前 , 有必要确定 该区域钢筋 的确切腐蚀状况, 以便采取正确而有效的措施.
图6 Fig. 6 混凝土电阻率与保护电流分布标准偏差关系图 Relationship between concrete resistivity and standard deviation of protection current distribution values

混凝土电阻率对电流分布的另一个显著影响是 当钢筋距阳极距离不同时 , 所接受的保护电流差别 很大 . 表 2 为不同状态下试样中各层钢筋电流分布 平均值之比. 从表中可以发现, 在混凝土具有一定饱 水率时, 距离阳极最近的第一层钢筋接受的保护电 流与后两层较接近, 甚至小于后一层. 然而 , 当试样 烘干而混凝土呈高电阻率状态后 , 首层钢筋接受的 电流为后两层的若干倍. 尤其是腐蚀较严重的试样 4, 其首层钢筋接受的电流占总电流量的 70% . 这与 Hassanein[ 9] 通过有限元 计算得到 的理论 值十分 接 近. 他同时指出, 当离阳极最远端的钢筋处于腐蚀状 态时 , 能接受的保护电流不到总电流量的 5% , 从而 根本无法受到有效保护 . 因此, 在气候干燥且有氯污 染的地区对钢筋混凝土结构实施阴极保护时 , 需要 综合考虑阴极保护系统设计 , 如采用其他辅助式的 分布阳极等.

图5

腐蚀速率与保护电流分布标准偏差关系图

表 2 不同混凝土电阻率下试样中各层钢筋电 流平均值之比 Tab. 2 Ratio of the average value of current within each layer of rebars for specimens with different concrete resistivity
试样编号
c

Fig. 5 Relationship between corrosion rate and standard deviation of pr otection current distribution values

2. 2 混凝土电阻率对电流分布的影响 硬化混凝土的导电是水泥浆体孔溶液中离子流 动时的电解 , 其电阻率随潮湿程度不同变化范围很 大 . L opez 等 10
7 [ 12]

2 I 1/ I 2 0. 45 0. 84 2. 54 I 1/ I 3 0. 56 1. 61 3. 13 I 1/ I 2 0. 80 0. 62 4. 32

4 I 1/ I 3 0. 79 1. 34 5. 06

认为, 自然环境 中混凝土 饱水率 从 10 ~ 5
3

低 中 高

20% ~ 100% 都是可能的, 其电阻率在 5

cm. 采用四极法测试不同饱水状况下的试样

2 和 4, 结果表明 , 烘干状态下的混凝土电阻率约为 11 M cm, 常温常湿状态下约为 670 k cm, 而 在完全饱水时约为 130 k cm. 同样, 对试样 2 和 4 在不同状况下的保护电流分布值计算标准偏差 S , 其与混凝土电阻率
c

注 : I 1 , I 2 , I 3 分别为第 1, 2, 3 层钢筋电流的平均值 , 后同 .

2. 3 不同外加保护电流密度对电流分布的影响 图 7 为对试样 1 和 3 分别施加电流密度为 10, 20 和 40 mA m
- 2

时 , 电流的分布标准偏差与电流

的关系示于图 6. 可以发现, 在

密度关系 . 由图可以看到 , 随电流密度的加大 , 保护 电流分布均逐渐变差 , 尤以腐蚀状况严重的试样 3, 更为明显 . 表 3 所示为在不同外加电流密度下, 试样

相对湿度较大情况下, 保护电流分布比较均匀, 而随 着混凝土电阻率的增大 , 电流分布状况迅速变差 .

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中各层钢筋电流分布平均值之比, 其中, 试样 1 中各 层钢筋的保护电流平均值之比基本不受电流密度变 化的影响, 而试样 3 中离阳极最远端的钢筋层, 所接 受的保护电流随外加电流密度增大而有明显下 降. 这主要还是由于试样 3 自身腐蚀速率大所致. 对给 定的钢筋混凝土结构进行阴极保护, 需谨慎选择合 适的电流密度 , 这不仅要考虑到钢筋的充分保护, 还 要考虑其对阳极材料的极化作用. Bert olinia 等 在 试验的基础上建议, 相对于阳极材料的铺覆面积而 言 , 保护电流密度选择 10~ 15 mA 整个钢筋网需为 10~ 20 mA m .
- 2 [ 13]

后, 电流分布不均匀的状况急剧加重. 因此 , 有必要 在保护阴极之前, 确定钢筋的确切腐蚀状态 , 并以此 为依据来指导阳极系统的布置工作. ( 3) 混凝土电阻率对于多层排布的钢筋网的电 流分配有较大影响, 尤其当混凝土近于全干高电阻 率的状态时 , 远离阳极层的钢筋所能接受到的保护 电流十分微弱, 远不能受到有效保护. 对此 , 可通过 合理设计辅助的分布式阳极来改善电流分布. ( 4) 对钢筋腐蚀程度低的 结构而言, 不同 的外 加电流密度对电流分布影响较小. 然而, 若钢筋腐蚀 速率较大 , 增大保护电流密度会使电流分布不均的 状况加重 . 参考文献 :
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m - 2 较为合适. m ,对
- 2

一般而言 , 电流密度的初始值可为 40 mA

图7 Fig. 7

施加电流密度与保护电流分布标准偏差关系图 Relationship between impressed current density and standard deviation of pr otection current distribution values

表 3 不同外加电流密度下试样中各 层钢筋电流平均值之比 Tab. 3 Ratio of the average value of current within each layer of rebars for specimens with different impressed current density
电流密度 / ( m A m - 2) 10 20 40 I 1/ I 2 0. 59 0. 60 0. 62 试样编号 1 I 1/ I 3 0. 76 0. 73 0. 74 I 1/ I 2 0. 61 0. 46 0. 45 3 I1/ I 3 1. 36 0. 72 0. 56

prot ect ion of s t eel in concret e[ R ] . D elf t : T N O Inst it ut e f or Bu ilding M at erials and St ru ct ures , 1990. [ 9] Hass anein A M , G lass G K , Buenfeld N R. Protect ion current di st ribut ion in reinf orced con cret e cat hodic protect ion syst ems[ J] . Cem Concr C om pos, 2002, 24: 159. [ 10] 姚武 , 徐晶 . 碳纤维水泥基材 料电阻 的非线 性研究 [ J ] . 功能 材料 , 2006( 4) : 632. YA O Wu, X U Jing. N onlinear resistance of carbon fiber reinf orced cement based composites[ J] . J Funct Mater, 2006( 4) : 632. [ 11] Gonz al ez J A , M iranda J M , Feliu S. C on siderat ions on repr odu cibilit y of pot ent ial an d corrosi on rate measurement s in reinf orced concret e[ J] . Corros S ci, 2004, 46: 2467. [ 12] Lopez W, Gonz alez J A . Inf luence of t h e degree of pore satu rat ion on t he resist ivit y of concret e and t h e corrosion rat e of st eel rein forcement [ J] . Cem Concr R es , 1993, 23: 368. [ 13] Bert olinia L , Bolzonia F, Past oreb T, et al. Ef f ect ivenes s of a conduct ive cem ent it ious mort ar anode for cat hodic protect ion of st eel in concret e[ J] . Cem Concr Res, 2004, 34: 681.

3 结论
( 1) 对于一个具有较复杂钢筋网体系的钢筋混 凝土结构 , 直接采用腐蚀电位法判断钢筋腐蚀状况 是不够完善和准确的, 宜结合其他补充测量办法, 如 补测该区域的钢筋腐蚀速率以及混凝土电阻率 . ( 2) 钢筋的初始腐蚀状况对保护电流分布影响 较大. 具体表现为 , 随着腐蚀速率增大 , 电流分布变 差 ; 存在某一临界值 , 当钢筋腐蚀速率超过此临界值


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