電化學(xué)防腐材料選擇

犧牲陽極材料的選取的途徑取決于鋼鐵行業(yè)犧牲陽極，并被廣泛用于鋼鐵設(shè)施陰極保護(hù)的犧牲陽極材料有3大類:鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極。

1.鎂陽極

鎂具有較高的化學(xué)活性、電位負(fù)，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.37V(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極,下同)。同時，鎂表面難以形成有效的保護(hù)膜。因此，在水介質(zhì)中，鎂表面的微觀腐蝕電池驅(qū)動力大，保護(hù)膜易于溶解，鎂的自腐蝕很強(qiáng)烈，在陰極上發(fā)生析氫反應(yīng)2H+2e→H2↑。因而,無論是純鎂陽極，還是Mg-Mn，Mg-Al-Zn-Mn合金陽極，它們的電流效率都不高。

2.鋅陽極

鋅是使用最早的犧牲陽極材料，已有100多年的歷史。鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.762V。在腐蝕性介質(zhì)中，鋅陽極與鐵的有效電位差不大,如在海水介質(zhì)中,約為0.2V，但是鋅陽極具有高的電流效率。

3.鋁陽極

與鎂陽極、鋅陽極相比，鋁陽極具有更大的電化學(xué)當(dāng)量，單位質(zhì)量的鋁陽極可產(chǎn)生更多的電流。鋁陽極在20世紀(jì)60年代以后得到了迅速發(fā)展。鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.66V，比鋅的負(fù)很多。從理論上講，鋁是一種很好的犧牲陽極材料。但是，純鋁極易鈍化，在表面上形成一層保護(hù)性能很好的氧化膜,膜的電位很正，因此，純鋁是不能用做犧牲陽極材料的，必須合金化。一般需在鋁陽極中添加合金元素鋅、銦、汞、鎘、錫、硅、鎂等，這些元素的原子部分取代鋁晶體晶格上的鋁原子，使這些地方成為鋁氧化膜的缺陷部分，促成鋁合金基體的正常溶解。

4.鋼筋混凝土使用的犧牲陽極

通過以上3個陽極的特點(diǎn)及優(yōu)劣，鋼筋混凝土犧牲陽極選擇了鋅陽極，不僅考慮到鋅陽極的技術(shù)成熟，最重要的一點(diǎn)是，鋅無論在強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿的情況下都能不停的氧化，并且氧化鋅不會膨脹，不會有體積的變化，這才是選擇鋅陽極用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的原因。在鋅陽極外層包裹一層強(qiáng)堿性的混凝土，就可以讓他從生產(chǎn)開始到完全養(yǎng)護(hù)都能源源不斷的代替鋼筋腐蝕。

電化學(xué)防腐技術(shù)可適用于各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，包括住宅、辦公樓、醫(yī)院和學(xué)校建筑，橋梁，隧道，碼頭和防波堤，水塔，工業(yè)廠房，停車場等。

電化學(xué)防腐技術(shù)主要用于由氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)中，氯離子來自于混凝土本身、海水或除冰鹽。這種技術(shù)也在鋼筋框架砌體結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，以防鋼筋框架的銹蝕膨脹使砌體結(jié)構(gòu)開裂。

在國外一些可能遭受氯離子侵蝕的新建重要建筑中，也采用的是陰極保護(hù)作為鋼筋銹蝕的預(yù)防措施。處在地下水、涌浪區(qū)和浪濺區(qū)之間的界面區(qū)對陽極的選用、安裝和控制帶來了很多問題，這是陰極保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

電化學(xué)防腐技術(shù)分為陰極保護(hù)、電化學(xué)再堿化(ERA)、電化學(xué)除氯(ECR)。

一、陰極保護(hù)

通過降低金屬電位而達(dá)到保護(hù)目的的，稱為陰極保護(hù)，根據(jù)保護(hù)電流的來源，陰極保護(hù)分為犧牲陽極和外加電流保護(hù)。

①犧牲陽極

牲陽極法是依靠電位負(fù)于保護(hù)對象的金屬(犧牲陽極)自身消耗來提供保護(hù)電流，保護(hù)對象直接與犧牲陽極連接，在電解質(zhì)環(huán)境中構(gòu)成保護(hù)電流回路。陰極保護(hù)主要用于防止土壤、海水等中性介質(zhì)中的金屬腐蝕。

②外加電流保護(hù)

外加電流保護(hù)是由外部直流電源提供保護(hù)電流，電源的負(fù)極連接保護(hù)對象，正極連接輔助陽極，通過電解質(zhì)環(huán)境構(gòu)成電流回路。

二、電化學(xué)再堿化(ERA)

堿性化是一種恢復(fù)受碳化混凝土堿度的電化學(xué)處理方法，堿性化是通過暫時在鋼筋混凝土之間施加電場和在外部安裝的一個陽極網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。在此過程中堿性電解液,如碳酸鈉或碳酸鉀溶液,被滲透到混凝土,增加其覆蓋區(qū)的堿度。同時,電解液在鋼筋周圍產(chǎn)生一個高pH值環(huán)境，使鋼筋表面鈍化。

三、電化學(xué)除氯(ECR)

通過在混凝土外部施加電場及安裝一個外部的陽極網(wǎng)格，對提取混凝土中的氯離子，稱為長期與短期電蝕鈍化處理，顯著降低氯化物含量、增加鋼筋周圍PH值、使加強(qiáng)鋼筋恢復(fù)到鈍化的、非腐蝕狀態(tài)。

要進(jìn)行防腐工作，就必須來認(rèn)真分析各種電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，了解發(fā)生的機(jī)理，從而擬定合適的防腐措施。電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕中的電流也正是由于金屬在電解質(zhì)溶液中形成了結(jié)構(gòu)與原電池相似的"腐蝕電池"而產(chǎn)生的。通常在電化學(xué)腐蝕的金屬中，腐蝕電池極小，但數(shù)量極多。金屬接觸到電解質(zhì)溶液，發(fā)生原電池效應(yīng)，比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生，叫電化學(xué)腐蝕或電化腐蝕。例如:鋼鐵在潮濕空氣中，表面吸附一層薄薄的水膜，純水是弱電解質(zhì)，它能電離出少量的H+和OH-，同時由于空氣里的CO2的溶解，使水里的H+增多。結(jié)果在鋼鐵表面形成了一層電解質(zhì)溶液薄膜，它跟鋼鐵的鐵和少量的碳(或其它雜質(zhì))恰好構(gòu)成了原電池。因此，鋼鐵制品的表面就形成了無數(shù)微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負(fù)極，碳是正極，這時作為負(fù)極的鐵就失去電子而被氧化: Fe-2e=Fe2+;在正極，溶液里的H+得到電子而被還原，最后產(chǎn)生氫氣在碳的表面放出:2H++2e=H2↑，這種腐蝕通常叫析氫腐蝕。如果鋼鐵表面的水膜酸性很弱或呈中性，在負(fù)極上也是鐵失去電子而被氧化成Fe2+，而在正極上主要是溶解于水膜里的氧氣得到電子而被還原:Fe-2e=Fe2+，2H2O+O2+4e=4OH-，這種腐蝕叫吸氧腐蝕。電化學(xué)腐蝕的原理與原電池`工作的原理是類似的，總之，整個電化學(xué)腐蝕過程是由腐蝕電池的陽極反應(yīng)，電子和離子的移動這三個環(huán)節(jié)組成，缺一不可。

電化學(xué)防腐技術(shù)三種方法的原理是很相似的:在置于混凝土構(gòu)件表面上的外部輔助電極和鋼 筋之間通以直流電，鋼筋作為陰極，外部電極作為陽極與其間的堿性電解質(zhì)共同構(gòu)成回路，對鋼筋進(jìn)行陰極極化，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在電場的作用下，混凝土內(nèi)部的陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-及混凝土中原有的Cl-由鋼筋穿過保護(hù)層向混凝土表面遷移，外部的陽離子Na+、K+、以及 Ca2+等向陰極遷移。同時，由于電滲作用，堿性電解質(zhì)會快速滲透到混凝土內(nèi)部，加上OH-的產(chǎn)生和遷移，使混凝土的pH值升高，氯離子含量降低，通過改善鋼筋的特定環(huán)境實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)。

中國水運(yùn)建設(shè)行業(yè)協(xié)會于2010年12月24日在廣州主持召開了由中交四航工程研究院有限公司完成的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物修復(fù)電化學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究》科技成果鑒定會。

該項(xiàng)目系統(tǒng)研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的外加電流陰極保護(hù)和電化學(xué)脫鹽技術(shù)，開發(fā)了陰極保護(hù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化了外加電流陰極保護(hù)和電化學(xué)脫鹽的設(shè)計(jì)參數(shù)及施工技術(shù)參數(shù)。首次開發(fā)了電化學(xué)沉積的MnO2參比電極，并建立了混凝土外加電流陰極保護(hù)實(shí)時監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)，為陰極保護(hù)的有效運(yùn)行提供進(jìn)一步保證;首次提出混凝土陰極保護(hù)MMO陽極的電化學(xué)性能指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)方法;首次在國內(nèi)采用噴涂纖維保水材料為主的電化學(xué)脫鹽陽極系統(tǒng)，確定了安全的電化學(xué)脫鹽技術(shù)控制參數(shù);揭示了外加陰極保護(hù)電流在多層鋼筋之間的電流分配的規(guī)律，研究了鋼筋腐蝕和混凝土環(huán)境狀態(tài)對外加電流陰極保護(hù)電流密度的影響，為陰極保護(hù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

該項(xiàng)研究成果已在國內(nèi)外工程中得到應(yīng)用，對提高我國海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)及防護(hù)技術(shù)水平、提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的意義。社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，成果的推廣應(yīng)用前景廣闊。

經(jīng)專家鑒定，該研究成果總體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

鎂棒是鎂陽極的俗稱，又稱陽極鎂塊，用于防止金屬內(nèi)膽腐蝕和 軟化水質(zhì)。在采用太鋼式或錳鋼金屬內(nèi)膽，利用在水中金屬的電化學(xué)防腐蝕犧牲陽極保護(hù)陰極原理，將鎂棒作陽極，金屬內(nèi)膽做陰極。這樣陰極與陽極之間通過導(dǎo)電的水介質(zhì)形成原電池。電池的陽極--鎂棒，受腐蝕而消耗，而陰極--金屬內(nèi)導(dǎo)體則受到保護(hù)。

在熱水器中，鎂棒安裝在金屬內(nèi)膽的中部。金屬內(nèi)膽表面的搪瓷涂層完整情況下，搪瓷將金屬內(nèi)膽屏蔽，鎂棒與金屬內(nèi)膽之間絕緣電阻可達(dá)2MΩ以上，鎂(棒)陽極輸出電流幾乎為零。但當(dāng)搪瓷內(nèi)膽局部出現(xiàn)裂紋時，鎂陽極與金屬內(nèi)膽之間通過水形成較小的電阻，鎂陽極開始輸出電流，流至暴露在外的金屬內(nèi)膽處產(chǎn)生一種極化膜，修補(bǔ)破損的搪瓷，使金域內(nèi)膽絕緣防止腐蝕。因鎂陽極在輸出電流時自身有消耗，故稱為犧牲陽極法。