ICCP katodisk beskyttelse til bygninger

Armerede betonkonstruktioner er med deres høje styrke, holdbarhed og økonomiske egenskaber blevet den mest anvendte bygningsform globalt. De anvendes i vid udstrækning i broer, tunneler, højhuse, havne og dokker. Stålkorrosion er dog en central skjult fare, der truer betonkonstruktioners lange levetid. Imponeret nuværende katodisk beskyttelse (ICCP), med sine fordele ved bredt beskyttelsesområde og anvendelighed i meget korrosive miljøer, er blevet den foretrukne løsning til langsigtet korrosionsbeskyttelse af store og komplekse betonkonstruktioner.

Anoderne i bygningers ICCP-systemer skal opfylde centrale krav såsom fremragende ledningsevne, stærk korrosionsbestandighed, ensartet udgangsstrøm, god kompatibilitet med beton og nem installation. Baseret på forskelle i materiale, strukturel form og installation kan almindelige anoder i øjeblikket opdeles i følgende fire kategorier:

(I) Blandede metaloxid-titananoder (MMO-anoder)

Blandede metaloxid titanium anoder er i øjeblikket den mest anvendte anodetype i bygning af ICCP-systemer. Deres kernestruktur består af et titansubstrat og et overfladebelagt blandet metaloxidaktivt lag. Titansubstratet er kendetegnet ved høj styrke, letvægt og stærk korrosionsbestandighed. Det aktive lag består typisk af et specifikt forhold mellem iridiumoxid (IrO₂), tantaloxid (Ta₂O₅) og niobiumoxid (Nb₂O₅). Disse materialer udviser ekstremt lave iltudviklingsoverpotentialer og fremragende elektrokemisk stabilitet.

Baseret på deres morfologi kan MMO-anoder yderligere opdeles i:
* Lineære anoder: Typisk 3-8 mm i diameter, med længder, der kan tilpasses tekniske behov (1-6 m/stk). De er ensartet belagt med et aktivt lag og indkapslet i en alkaliresistent vævet netkappe, hvilket letter placering i eller på overfladen af ​​beton. De tilbyder god strømfordelingsensartethed og er velegnede til strukturel beskyttelse af store områder (f.eks. brodæk, tunnelforinger).

* Netanoder: Lavet af titantråd vævet ind i et net (50-100 mm åbning), belagt med et aktivt lag. De er tynde (1-2 mm) og kan lægges direkte på betonoverflader eller mellem armeringsstållag, velegnede til komplekse strukturer (f.eks. uregelmæssigt formede komponenter, bjælke-søjlesamlinger) og lokal armeringsbeskyttelse.

* Rørformede anoder: Titanrør med en ydre diameter på 10-20 mm. Den indre eller ydre væg er belagt med et aktivt lag, og det indre kan fyldes med ledende fyldstof. Velegnet til nedgravede betonkonstruktioner (f.eks. diafragmavægge, pælefundamenter) eller undervandskonstruktioner (f.eks. portsænkekister).

De vigtigste fordele ved MMO-anoder ligger i deres lange levetid (20-30 år under normale driftsforhold), høje strømeffektivitet (≥95%), ingen frigivelse af skadelige stoffer og fremragende kompatibilitet med beton. De udløser ikke alkali-aggregatreaktioner eller accelererer betonkarbonisering, hvilket gør dem til den foretrukne anodetype til korrosionsbeskyttelse af bygningskonstruktioner med høje krav.

(II) Fleksible anoder

Fleksible anoder er en ny type kompositanode, der hovedsageligt består af en ledende polymerkerne, ledende metaltråde (kobber- eller titantråd), en aktiv belægning og en ydre kappe. Deres kerneegenskaber er høj fleksibilitet, der muliggør vilkårlig bøjning og skæring for at tilpasse sig komplekse betonoverflader. De er også lette (ca. 0.5-1.0 kg/m²), nemme at installere og særligt velegnede til armerings- og renoveringsprojekter af eksisterende bygninger.

Baseret på kernematerialet kan fleksible anoder opdeles i fleksible polymeranoder og fleksible kulfiberanoder: førstnævnte bruger ledende plast som kernemateriale, har en lavere pris og er egnet til generelt korrosive miljøer; sidstnævnte bruger kulfiberbundter som kernemateriale, har stærkere ledningsevne (resistivitet ≤0.01Ω・m) og høj trækstyrke (≥3000 MPa) og er egnet til høje strømkrav eller scenarier med trækspænding (såsom beskyttelse af kabelkapper på skråstagsbroer).

Fleksible anoder er slidstærke og slagfaste og har stærk tilpasningsevne på fugtige og støvede byggepladser. De anvendes i øjeblikket i vid udstrækning i korrosionsbeskyttelsesprojekter til strukturer som tunneler, metrostationer og industrianlæg.

(III) Grafitanoder

Grafitanoder er en traditionel type ICCP-anode. De er fremstillet af grafit med høj renhed (fast kulstofindhold ≥99%) som basismateriale, gennem presning og kalcinering, og findes almindeligvis i stav-, blok- eller pladeformer. Deres fordele omfatter lav pris, god ledningsevne (resistivitet ≤10Ω・m) og høj styrke, hvilket gør dem velegnede til nedgravede betonkonstruktioner (såsom pælefundamenter og kælderplader) eller scenarier med lave strømkrav.

Grafitanoder har imidlertid betydelige ulemper: for det første har de dårlig korrosionsbestandighed og oxiderer og afskalner let i stærkt oxiderende miljøer, hvilket resulterer i en kort levetid (typisk 5-10 år); for det andet er strømfordelingen ujævn, hvilket let fører til lokale strømkoncentrationer; og for det tredje frigiver de produkter som kuldioxid og sulfater, hvilket potentielt kan forårsage et fald i betonens lokale pH-værdi og dermed påvirke den strukturelle holdbarhed. Derfor anvendes grafitanoder i øjeblikket kun i almindelige byggeprojekter med lavere krav til korrosionsbestandighed og omkostningsfølsomhed.

(IV) Anoder af støbejern med højt siliciumindhold

Anoder af støbejern med højt siliciumindhold (også kendt som støbejernsanoder med højt siliciumindhold) er legeringsanoder. Deres hovedkomponenter omfatter jern (Fe≥85%), silicium (Si 10%-14%) og små mængder krom og molybdæn, fremstillet ved støbning og udglødning. Deres fordele omfatter høj styrke (trækstyrke ≥350 MPa), høj temperaturbestandighed (kan bruges under forhold under 200℃) og moderate omkostninger, hvilket gør dem velegnede til underjordiske betonkonstruktioner eller scenarier, der er udsat for mekanisk påvirkning (såsom veje, broer og minegange).

Ulemperne ved ferrosiliciumanoder er dårlig ledningsevne (resistivitet på ca. 50-100 Ω·m), hvilket kræver en forøgelse af overfladearealet (f.eks. ved at lave dem til rørformede eller netformede former) for at forbedre strømkapaciteten; og de korroderer let i sure miljøer, så de er ikke egnede til strukturer, der kommer i kontakt med sur regn i områder eller surt industrielt spildevand.

Working Princip

Kerneprincippet i ICCP-systemet er at påføre en katodisk strøm til det beskyttede armeringsstål via en ekstern jævnstrømsforsyning. Dette forårsager katodisk polarisering på stålets overflade, hvorved den elektrokemiske korrosionsreaktion hæmmes.

Korrosion af armeringsstål i beton er i bund og grund en spontan elektrokemisk galvanisk cellereaktion: I det anodiske område forekommer jernoxidation (Fe – 2e⁻ → Fe²⁺). Fe²⁺ kombineres med OH⁻ i betonens porevæske og danner jernhydroxid (Fe(OH)₂), som yderligere oxideres til jernhydroxid (Fe(OH)₃), hvilket til sidst danner rust (Fe₂O₃・nH₂O); i det katodiske område forekommer iltreduktion (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻), hvilket tilvejebringer elektroner til den anodiske reaktion og accelererer korrosionen.

Når ICCP-systemet startes, forbindes den positive terminal på den eksterne DC-strømforsyning til anoden, og den negative terminal forbindes til armeringsstålet (det beskyttede materiale), hvilket danner et lukket kredsløb. På dette tidspunkt gennemgår anoden, der fungerer som anode i den elektrolytiske celle, en oxidationsreaktion (primært iltudviklingsreaktionen: 2H₂O – 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺), der leverer elektroner til kredsløbet. Stålstangen, der fungerer som katode i den elektrolytiske celle, modtager ekstern strøm, og dens overfladepolarisationspotentiale skifter i negativ retning. Når potentialet falder til under -0.85 V (i forhold til den mættede kalomelelektrode, SCE), undertrykkes jernoxidationsreaktionen i anodeområdet, mens hydrogenudviklingsreaktionen i katodeområdet (2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻) erstatter iltabsorptionsreaktionen og danner en stabil passiveringsfilm på stålstangens overflade, hvorved der opnås korrosionsbeskyttelse.

Som en central funktionel komponent i det påtrykte strøm katodiske beskyttelsessystem (ICCP) bestemmer anodens ydeevne direkte korrosionsbeskyttelseseffekten og livscyklusomkostningerne for armerede betonkonstruktioner. Titanbaserede blandede metaloxidanoder (MMO) er blevet det foretrukne valg for de fleste bygningskonstruktioner på grund af deres fordele ved lang levetid, høj stabilitet og god kompatibilitet; fleksible anoder er velegnede til komplekse strukturer og renovering af eksisterende bygninger; grafitanoder og ferrosiliciumanoder anvendes stadig i omkostningsfølsomme scenarier og scenarier med lavt behov.