電化學防腐

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

電化學防腐技術主要用于由氯離子侵蝕導致鋼筋銹蝕的結構中，氯離子來自于混凝土本身、海水或除冰鹽。這種技術也在鋼筋框架砌體結構中得到應用，以防鋼筋框架的銹蝕膨脹使砌體結構開裂。

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作為鋼筋銹蝕的預防措施。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，這是陰極保護應用領域的一個研究熱點。

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施陰極保護的犧牲陽極材料有3大類:鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極。

1.鎂陽極

鎂具有較高的化學活性、電位負，其標準電極電位為-2.37V(相對于標準氫電極,下同)。同時，鎂表面難以形成有效的保護膜。因此，在水介質中，鎂表面的微觀腐蝕電池驅動力大，保護膜易于溶解，鎂的自腐蝕很強烈，在陰極上發(fā)生析氫反應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。鋅的標準電極電位為-0.762V。在腐蝕性介質中，鋅陽極與鐵的有效電位差不大,如在海水介質中,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當量，單位質量的鋁陽極可產生更多的電流。鋁陽極在20世紀60年代以后得到了迅速發(fā)展。鋁的標準電極電位為-1.66V，比鋅的負很多。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成熟，最重要的一點是，鋅無論在強酸或者強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構中的原因。在鋅陽極外層包裹一層強堿性的混凝土，就可以讓他從生產開始到完全養(yǎng)護都能源源不斷的代替鋼筋腐蝕。

要進行防腐工作，就必須來認真分析各種電化學腐蝕現象，了解發(fā)生的機理，從而擬定合適的防腐措施。電化學腐蝕的特點是有電流產生。電化學腐蝕中的電流也正是由于金屬在電解質溶液中形成了結構與原電池相似的"腐蝕電池"而產生的。通常在電化學腐蝕的金屬中，腐蝕電池極小，但數量極多。金屬接觸到電解質溶液，發(fā)生原電池效應，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生，叫電化學腐蝕或電化腐蝕。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，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。結果在鋼鐵表面形成了一層電解質溶液薄膜，它跟鋼鐵的鐵和少量的碳(或其它雜質)恰好構成了原電池。因此，鋼鐵制品的表面就形成了無數微小的原電池。在這些原電池里，鐵是負極，碳是正極，這時作為負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，整個電化學腐蝕過程是由腐蝕電池的陽極反應，電子和離子的移動這三個環(huán)節(jié)組成，缺一不可。

電化學防腐技術三種方法的原理是很相似的:在置于混凝土構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共同構成回路，對鋼筋進行陰極極化，并發(fā)生電化學反應。在電場的作用下，混凝土內部的陰極反應產物OH-及混凝土中原有的Cl-由鋼筋穿過保護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，堿性電解質會快速滲透到混凝土內部，加上OH-的產生和遷移，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)境實現鋼筋混凝土結構的修復。

電化學防腐技術分為陰極保護、電化學再堿化(ERA)、電化學除氯(ECR)。

一、陰極保護

通過降低金屬電位而達到保護目的的，稱為陰極保護，根據保護電流的來源，陰極保護分為犧牲陽極和外加電流保護。

①犧牲陽極

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

②外加電流保護

外加電流保護是由外部直流電源提供保護電流，電源的負極連接保護對象，正極連接輔助陽極，通過電解質環(huán)境構成電流回路。

二、電化學再堿化(ERA)

堿性化是一種恢復受碳化混凝土堿度的電化學處理方法，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來實現。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生一個高pH值環(huán)境，使鋼筋表面鈍化。

三、電化學除氯(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、使加強鋼筋恢復到鈍化的、非腐蝕狀態(tài)。

中國水運建設行業(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《鋼筋混凝土結構物修復電化學關鍵技術研究》科技成果鑒定會。

該項目系統(tǒng)研究了鋼筋混凝土結構修復的外加電流陰極保護和電化學脫鹽技術，開發(fā)了陰極保護實時監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化了外加電流陰極保護和電化學脫鹽的設計參數及施工技術參數。首次開發(fā)了電化學沉積的MnO2參比電極，并建立了混凝土外加電流陰極保護實時監(jiān)測與調控系統(tǒng)，為陰極保護的有效運行提供進一步保證;首次提出混凝土陰極保護MMO陽極的電化學性能指標及實驗方法;首次在國內采用噴涂纖維保水材料為主的電化學脫鹽陽極系統(tǒng)，確定了安全的電化學脫鹽技術控制參數;揭示了外加陰極保護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電流密度的影響，為陰極保護實際工程設計提供理論指導和技術支撐。

該項研究成果已在國內外工程中得到應用，對提高我國海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結構修復及防護技術水平、提高鋼筋混凝土結構的耐久性具有重要的意義。社會效益和經濟效益顯著，成果的推廣應用前景廣闊。

經專家鑒定，該研究成果總體上達到了國際先進水平。

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

在熱水器中，鎂棒安裝在金屬內膽的中部。金屬內膽表面的搪瓷涂層完整情況下，搪瓷將金屬內膽屏蔽，鎂棒與金屬內膽之間絕緣電阻可達2MΩ以上，鎂(棒)陽極輸出電流幾乎為零。但當搪瓷內膽局部出現裂紋時，鎂陽極與金屬內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膽處產生一種極化膜，修補破損的搪瓷，使金域內膽絕緣防止腐蝕。因鎂陽極在輸出電流時自身有消耗，故稱為犧牲陽極法。