钢筋混泥土阴极保护系统失效问题分析

一、钢筋混凝土阴保系统设计注意事项

1、防止选用耐久性不好的阴极保护材料阳极是阴极保护系统中最重要和最贵的部分，并可能有几种选用方案。阳极类型的选择取决于以下的因素：  

①建筑物的剩余使用寿命  

②防止混凝土里钢筋腐蚀的阴极保护电流需求  

③阳极和相关零部件的耐久性  

2.建筑物的剩余使用寿命举个例子，如果建筑物的剩余使用寿命是15或20年，原则上讲，采用使用寿命75年阳极就会过于浪费。选择时候寿命较短的阳极可以降低阴极保护系统的成本。  

3. 防止混凝土里钢筋腐蚀的阴极保护电流需求大量氯污染的混凝土中钢需要较多的阴极保护电流。防止暴露在环境温度较高的建筑物的腐蚀，也需要较多的阴极保护电流。根据欧洲标准，为防止以后的腐蚀，含氯混凝土建筑物中钢的阴极保护电流需求量是2-20 mA/m2，无氯混凝土中钢的阴极保护电流需求量是0.2-2mA/m2。与含氯混凝土相比，防止含碳混凝土中钢腐蚀需要的阴极保护电流相当小。在阴极保护电流施加一段时间之后，由于钢/混凝土界面发生阴极反应，钢/混凝土界面的pH值明显增加，因此形成新的钝化膜。一旦钝化膜形成，需要很小的阴极保护电流就可以维持这一高pH值了。设计者选择阳极材料或阳极尺寸时，这些因素都必须考虑到，以降低阴极保护系统的成本。  

4. 阳极和相关组件的耐久性阳极的耐久性是最重要的成本因素。即使阴极保护系统一开始有效，过早失效的阳极（如果出现的话）将会使业主花费额外的资金来维修建筑物。过早失效的锌阳极的一个例子。另外，与阳极相关的材料的选择也是很重要的。例如，植入钛阳极中使用的粘结材料必须是经久耐用的。使用贵金属氧化物涂层阳极的时候，必须保证粘结材料与活性钛阳极不发生反应。缺乏记录或粘结材料的检测，有时候会导致超过整流器的最高电压，阳极也不能再维持适当的阴极保护电流。目前有许多混凝土阴极保护标准，但是，没有一个标准指出了这一重要因素，因为许多阴极保护设计者并不知道这一事实。因此，这时候尽管阳极仍然可用，但阴极保护系统在很短的时间内就失效了。  

5. 没有针对特定的结构组成和环境选取合适的阴极保护系统假设所有其它参数都已经确定，理论上，阳极是用来发出阴极保护电流到混凝土电极和内部钢筋获得阴极保护的主要电极。然而，事实上，不同的阳极系统更适合特定环境下的应用。必须指出，一个阳极不能在所有的环境或建筑物中使用。目前，混凝土结构中使用的阳极有几种不同几何形状：带网状，扩展网状，分散阳极和表面应用阳极。每种类型的阳极各有优缺点，对阴极保护设计者来说，最重要的就是了解哪种阳极系统最经济、最有效。6. 阴极保护安装不当以及缺乏正确的测试在已发生腐蚀的混凝土结构中，阴极保护的应用日益增多，许多新承包商开始进入阴极保护的施工行业。然而，经验缺乏的阴极保护承包商并不熟悉阴极保护系统施工和所需测试的详细操作。因此，系统可能运行不当，或者系统的耐久性达不到要求。为了克服这一难题，一些承包商包含了其工人的培训计划。承包商为没有经验的工人划分各种阴极保护组成部分，以减少失误。安装有效的阴极保护系统，有以下几个重要的因素：  

①钢筋或其它构件的电连续

②安装的阳极系统电流分布均匀

③阴极保护系统的正确安装

7、电连续混凝土中钢筋的电连续是阴极保护有效保护建筑物的最重要因素之一。如果有钢筋没有电连接到阴极保护系统的中，没有电连接上的钢筋就得不到保护。可是，一些技术人员或工程师没有进行正确的测试以确保电连续。例如，钢表面的铁锈或钝化膜不是电子的导体，然而却是离子的导体，因此，技术人员或工程师必须明白进行电连续测试时的差异。否则，测试结果就会引起误导。另外，一些技术人员或工程师利用一个固定地点进行电连续测试，这一点与绝大多数钢筋都没有电连接上。尽管电连接并不是什么大问题，但如果缺乏经验的承包商得到上述这样的结果，就会增加阴极保护系统的成本。连接到建筑物的脚手架会影响电连续测试结果，这对经验缺乏的承包商来说是另一个误区。多数情况下，脚手架与钢筋之间是短路的。如果是这样，混凝土中没有电连接上的钢结构就会通过脚手架而电连接上。当阴极保护系统安装完成，脚手架拆走之后，许多没有电连接的钢构件就会导致阴极保护系统的无效或妨碍阴极保护电流的流通。  

8. 安装的阳极系统电流分布不均匀阴极保护系统运行正常的另一个重要因素是混凝土中钢筋的电流分布。阳极系统中的高电压降和/或阳极与钢筋之间的搭接短路都会引起不均匀的阴极保护电流分布。许多阴极保护工程师相当熟悉电压降和短路，但其实搭接短路才是阴极保护系统出现电流分布不均的更常见原因。搭接短路的界定较为困难，因为搭接短路引起的问题程度因阳极类型、阳极区电路电阻、搭接回路的位置等的不同而各异。每一个搭接短路的情况不一样，有时会对影响阴极保护系统的功能。在阴极保护系统施工过程中，因为搭接短路的检测很困难，许多阴极保护工程师只有到调试的时候才能发现问题。  

9、正确安装阴极保护组件正确选择阴极保护材料固然重要，但是其安装方法同样重要。阴极保护组件的典型安装包括以下几个部分:

①参比电极(RE)及其接地

②系统负极/阴极连接  

③ 辅助阳极系统

④ 馈电连接

⑤ 涂层或灌浆

⑥ 导线管和接线箱  

⑦ 测试、阴极、零位、参比、阳极电缆

⑧ 变压整流器每个组件的安装和正确测试对阴极保护系统的有效运行都是很重要的。由于本文不是介绍安装的手册，这里只简单论述一些例子。参比电极(RE)在多数行业标准中，对已有建筑物而言，在不暴露钢结构的情况下，参比电极应该安装在代表腐蚀最严重的区域。但是，当建筑物或建筑物构件含密集钢筋的时候，挖掘混凝土不可能不暴露钢筋。当参比电极和不含氯的混凝土块材料一起安装的时候，暴露的钢筋就会钝化，这回导致参比电极监测的是不发生腐蚀的钢筋。前面已经提到，不发生腐蚀的钢筋其阴极保护电流密度是会发生腐蚀钢筋的阴极保护电流密度的10％。因为阴极保护工程师将根据参比电极布置区域的钢筋极化来确定阻止腐蚀发生所需的阴极保护电流，参比电极监测的是没有发生腐蚀的钢筋，这必然会引起错误的结论。如果是这样的话，工程师根据不发生腐蚀的钢筋来选择的阴极保护电流，将不会终止其它腐蚀活跃区域的钢筋腐蚀。粘结灌浆设计安装开槽的阴极保护系统的时候，槽必须填充粘结水泥基材料。由于槽深而窄，填充水泥的方法十分重要。在灌浆实施完成之后，混凝土心必须进行检测。灌浆不当的情况。当大约一半的带状网钛阳极没有植入粘结材料的时候，这会导致从阳极发出相当高的阳极电流密度，并有可能在阳极/混凝土界面导致酸的产生。  

10、业主或承建专业人员缺乏维护能力通过最少的维护就可以实现阴极保护系统的长期有效。这可以通过设计安装一个简单的耐久阴极保护系统来实现。因为阴极保护是一个活性系统，需要在系统的使用年限内对其硬件进行维护。一些阴极保护设计者在不理解其后果和使用目的情况下，列出了阴极保护系统不必要的附件和零件。设计者从其它项目中照搬设计规范的时候很有可能发生这样的情况。这不仅会增加阴极保护系统的成本，也会增加大量的精力来维护这些附件或零件。为了降低维护成本，阴极保护设计者必须设计出耐用的阴极保护系统，并使不重要的附件或变压整流器不必要的功能减少到最低。  

11、建筑物暴露在海洋环境或除冰盐环境中与暴露在除冰盐中的建筑物相比，暴露在海洋环境中的建筑物通常需要较高的阴极保护电流来防止腐蚀。因此，必须选择额定输出电流高的阳极。如果阳极过早失效或者消耗速度比预期的快，更换阳极的成本就会比较高。另一方面，如果建筑物不需要高的阴极保护电流和/或短期的保护，阴极保护设计者应使用便宜的阳极或牺牲阳极。特别指出，牺牲阳极阴极保护系统实际上不需要维护费用，因此在阳极的使用年限内维护成本是最低的。此外，对暴露在除冰盐中的建筑物安装外加电流阴极保护系统，恒压控制或手动的变压整流器足以控制腐蚀，因为与海洋环境相比其暴露环境基本不变。因为恒压控制变压整流器简单耐用，其维修成本很低。但是对于海洋环境中的建筑物而言，应优先选择恒流控制变压整流器，以避免在高潮期间和暴风雨的时候阳极发出高的电流。如果阴极保护系统安装在潮差区，变压整流器需要恒流控制，限制电压以避免高电流发出而破坏阳极/混凝土。12. 位于当地或偏远地区的建筑物一些阴极保护设计者喜欢为建筑物选择使用远程监控系统(RMS)。看起来，远程监控系统是划算的，因为不需要跑到较远的现场就可以获取变压整流器的运行状况。但是，只有在远程监控系统运行起来的时候这才是划算的。如果远程监控系统不够耐用，其维修成本和故障检修费用会不少。因此，选择耐用的远程监控系统非常重要。远程监控系统需要计算机软件和通讯系统。当新的电脑运行软件出台的时候，软件和通讯系统可能需要更新。因此，如果建筑物位于当地，不推荐使用远程监控系统，以降低维护成本。  

二、总结1. 阴极保护的目的是提供一个对建筑物工艺可以接受，对业主划算的长期有效的腐蚀控制系统。为了达到这一点，过去的经验极为重要。否则，经验欠缺的阴极保护工程师和承包商可能会重复同样的错误。  

2. 导致阴极保护系统无效和/或不耐用的因素可以归结为以下几点：

①阴极保护专业人员工程管理能力缺乏以及知识和经验的欠缺。

②选用了非耐久性的阴极保护材料。

③没有针对特定的结构组成和环境选取合适的阴极保护系统。

④阴极保护安装不当以及缺乏正确的测试。

⑤当复杂的阴极保护系统建成，业主缺乏维护能力或者专业承包商缺乏工程管理能力，都可能导致系统在运行维护中出现问题。忽略上述任何一个因素，建筑物业主的兴趣、阴极保护系统的有效性和耐久性都可能会大打折扣。