電化學防腐（又稱電化學修復）是根據電化學原理在金屬設備上採取措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，從而防止或減輕金屬腐蝕的方法。
基本介紹
- 中文名：電化學防腐
- 又稱：電化學修復
- 根據：電化學原理
- 目的：防止或減輕金屬腐蝕
原理,方法分類,套用,發展歷史,材料選擇,技術鑑定,
原理
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於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-，同時由於空氣里的CO2的溶解，使水裡的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，鋼鐵製品的表面就形成了無數微小的原電池。在這些原電池裡，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，最後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於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節組成，缺一不可。
電化學防腐技術三種方法的原理是很相似的：在置於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鹼性電解質共同構成迴路，對鋼筋進行陰極極化，並發生電化學反應。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，由於電滲作用，鹼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境實現鋼筋混凝土結構的修復。
方法分類
電化學防腐技術分為陰極保護、電化學再鹼化（ERA）、電化學除氯（ECR）。
一、陰極保護
①犧牲陽極
犧牲陽極法是依靠電位負於保護對象的金屬（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線，在電解質環境中構成保護電流迴路。陰極保護主要用於防止土壤、海水等中性介質中的金屬腐蝕。
外加電流保護是由外部直流電源提供保護電流，電源的負極連線保護對象，正極連線輔助陽極，通過電解質環境構成電流迴路。
二、電化學再鹼化（ERA）
鹼性化是一種恢復受碳化混凝土鹼度的電化學處理方法，鹼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。在此過程中鹼性電解液,如碳酸鈉或碳酸鉀溶液,被滲透到混凝土,增加其覆蓋區的鹼度。同時,電解液在鋼筋周圍產生一個高pH值環境，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格線，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。
套用
電化學防腐技術可適用於各種鋼筋混凝土結構構築物，包括住宅、辦公樓、醫院和學校建築，橋樑，隧道，碼頭和防波堤，水塔，工業廠房，停車場等。
電化學防腐技術主要用於由氯離子侵蝕導致鋼筋鏽蝕的結構中，氯離子來自於混凝土本身、海水或除冰鹽。這種技術也在鋼筋框架砌體結構中得到套用，以防鋼筋框架的鏽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築中，也採用的是陰極保護作為鋼筋鏽蝕的預防措施。處在地下水、涌浪區和浪濺區之間的界面區對陽極的選用、安裝和控制帶來了很多問題，這是陰極保護套用領域的一個研究熱點。
發展歷史
一、埋入地下的混凝土保護
自1824年以來一直對海水中的鋼實行陰極保護，在過去的50多年來，它被廣泛地且非常成功地用於保護水和土壤中的鋼。最早套用陰極保護技術到鋼筋混凝土中是在1955年前，從已匯報的用於被埋鋼筋水箱、核反應堆容器的鋼筋和襯裡以及混凝土打樁的套用技術到加預應力的混凝土輸水管道中。早期套用中的大多數都嚴格在報告範圍之外，因為它們與被埋在土壤中的鋼筋混凝土有關。這樣的應用程式允許使用常規的被埋在管道陰極保護設計原則和陽極系統。
二、地上保護——導電性覆蓋物
在地面上，鋼筋混凝土的陰極保護最早發生在20世紀50年代後期的橋面保護上。這些系統使用簡單的高矽鑄鐵陽極到瀝青覆蓋層，使其通過加入焦炭而具有導電性。在1973-1980年期間，這些系統約有35個被安裝，許多已經被報告，它們在1983-1985年期間仍然在良好地運作。這些導電覆蓋系統的一個變化與被增加的沙子和石頭一起聚集來提高機械性能。該變化已成為加拿大安大略省的一個標準的修複選項，該選項已經安裝了大約40個系統。
導電性覆蓋系統被廣泛用於無防水膜狀物的橋面。該系統增加了80毫米的板厚度，並規定了實質性的自重載入處罰。特別重要的是，如果系統被用於停車庫板上，該導電覆蓋系統是不適用於垂直或拱腹的表面。
通過使用被安裝在混凝土切槽中的陽極系統，儘量嘗試避免導電覆蓋層的厚度和重量的危害。裝載導電聚合物灌漿中的包鉑鈮絲和石墨纖維的陽極被套用到30個橋面中。由於鄰近陽極的混凝土的酸打擊，早期的系統失敗了。這已引起各方關注現有系統的預期壽命。由於酸生成和高陽極/混凝土電流的密度，這些系統沒有用混凝土覆蓋。
三、導電性塗層陽極系統
大約在1980年左右，導電塗層陽極系統的出現第一次向鋼筋混凝土的垂直和拱腹的表面提供了一個實用的陽極系統，除了橋面套用之外，其允許結構和建築物的陰極保護。導電塗層陽極系統，使用包鉑的鈮或鈦作為主要的陽極，見證其套用到停車庫板拱腹、公路橋樑和支持結構中，並已用於保護約30000平方米的地上鋼筋混凝土。他們的成功套用要求高標準的表面處理和檢查。這些導電性塗層的陽極系統對水分非常敏感，尤其對嵌入鋼表面附近和任何類型表面上的磨損區域。某些系統中，由於這些因素，在該領域會過早發生故障，
四、電線和網狀陽極
在1983年，導電聚合物絲，有時預先組裝成網狀陣列，被作為陽極引入到鋼筋混凝土中，以此成為其作為土壤和水中的陽極在先前使用中的一個發展。該陽極被廣泛套用於公路橋樑和停車場車庫甲板的陰極保護中，其中約10萬平方米的套用面積已被報告。在板套用中，它用傳統的混凝土路面覆蓋，該路面有與早期的系統所需要的導電瀝青罩面有關的力度和使用壽命優勢。該系統經歷在該領域的技術/性能問題，並且不再用於這個應用程式中。
聚合物線系統也與橋樑支座和其他結構的垂直和拱面用噴射混凝土覆蓋物一起使用。成功的套用要求按最高標準準備混凝土表面和噴漿操作。
1985年，由不同製造商們塗有各種金屬氧化物鈦擴展網陽極，被同時引入到英國和美國來用在鋼筋中。它們被用於保護橋樑和停車場甲板，被混凝土鋪路覆蓋，並且在垂直或拱套用中用噴漿、或噴灑、或塗抹型水泥砂漿覆蓋。至於導電性高分子的電線陽極系統，成功的套用要求按最高標準準備和操作。
五、犧牲陽極
另一個系統是利用犧牲陽極到地上鋼筋混凝土的陰極保護中。由於相對較低的驅動電壓，犧牲陽極，當其嵌入有相對電阻的混凝土中，可能無法提供足夠的電流以完成陰極保護。然而，他們已經被廣泛用於被淹沒或被埋入鋼筋混凝土結構的陰極保護中。犧牲陽極技術在電化學防腐技術的發展中已創造一頗個具有吸引力的方案來保護被修復混凝土結構中的鋼筋，這也是研究嵌入式犧牲陽極來修復混凝土結構的重要主題。
材料選擇
犧牲陽極材料的選取的途逕取決於鋼鐵行業犧牲陽極，並被廣泛用於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(相對於標準氫電極,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，保護膜易於溶解，鎂的自腐蝕很強烈，在陰極上發生析氫反應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年代以後得到了迅速發展。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、矽、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鹼的情況下都能不停的氧化，並且氧化鋅不會膨脹，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鹼性的混凝土，就可以讓他從生產開始到完全養護都能源源不斷的代替鋼筋腐蝕。
技術鑑定
中國水運建設行業協會於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》科技成果鑑定會。
該項目系統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，開發了陰極保護實時監測系統，最佳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。首次開發了電化學沉積的MnO2參比電極，並建立了混凝土外加電流陰極保護實時監測與調控系統，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；首次在國內採用噴塗纖維保水材料為主的電化學脫鹽陽極系統，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律，研究了鋼筋腐蝕和混凝土環境狀態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套用，對提高我國海洋環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，成果的推廣套用前景廣闊。
經專家鑑定，該研究成果總體上達到了國際先進水平。
