ICCP katodisk beskyttelse for bygninger

Armerte betongkonstruksjoner, med sin høye styrke, holdbarhet og økonomiske egenskaper, har blitt den mest brukte byggeformen globalt. De er mye brukt i broer, tunneler, høyhus, havner og dokker. Stålkorrosjon er imidlertid en skjult sentral fare som truer den lange levetiden til betongkonstruksjoner. Imponert nåværende katodisk beskyttelse (ICCP), med sine fordeler med bredt beskyttelsesområde og anvendelighet i svært korrosive miljøer, har blitt den foretrukne løsningen for langsiktig korrosjonsbeskyttelse av store og komplekse betongkonstruksjoner.

Anodene i bygnings-ICCP-systemer må oppfylle kjernekrav som utmerket konduktivitet, sterk korrosjonsbestandighet, jevn utgangsstrøm, god kompatibilitet med betong og enkel installasjon. Basert på forskjeller i materiale, strukturell form og installasjon, kan vanlige anoder for tiden deles inn i følgende fire kategorier:

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

Blandede metalloksid titananoder er for tiden den mest brukte anodetypen i bygging av ICCP-systemer. Kjernestrukturen deres består av et titansubstrat og et overflatebelagt blandet metalloksidaktivt lag. Titansubstratet kjennetegnes av høy styrke, lettvekt og sterk korrosjonsbestandighet. Det aktive laget består vanligvis av et spesifikt forhold mellom iridiumoksid (IrO₂), tantaloksid (Ta₂O₅) og nioboksid (Nb₂O₅). Disse materialene viser ekstremt lave oksygenutviklingsoverpotensialer og utmerket elektrokjemisk stabilitet.

Basert på morfologien deres kan MMO-anoder deles videre inn i:
* Lineære anoder: Typisk 3–8 mm i diameter, med lengder som kan tilpasses tekniske behov (1–6 m/stykke). De er jevnt belagt med et aktivt lag og innkapslet i en alkaliresistent vevd nettingmantel, noe som forenkler plassering i eller på overflaten av betong. De gir god strømfordeling og er egnet for beskyttelse av store strukturelle områder (f.eks. brodekker, tunnelforinger).

* Nettanoder: Laget av titantråd vevd inn i et nett (50–100 mm åpning), belagt med et aktivt lag. De er tynne (1–2 mm) og kan legges direkte på betongoverflater eller mellom armeringslag, egnet for komplekse konstruksjoner (f.eks. uregelmessig formede komponenter, bjelke-søyle-fuger) og lokalisert armeringsbeskyttelse.

* Rørformede anoder: Titanrør med en ytre diameter på 10–20 mm. Inner- eller ytterveggen er belagt med et aktivt lag, og innsiden kan fylles med ledende fyllstoff. Egnet for nedgravde betongkonstruksjoner (f.eks. diafragmavegger, pelefundamenter) eller undervannskonstruksjoner (f.eks. portkasser).

Kjernefordelene med MMO-anoder ligger i deres lange levetid (20–30 år under normale driftsforhold), høye strømeffektivitet (≥95 %), ingen utslipp av skadelige stoffer og utmerket kompatibilitet med betong. De utløser ikke alkali-aggregatreaksjoner eller akselererer betongkarbonering, noe som gjør dem til den foretrukne anodetypen for korrosjonsbeskyttelse av bygningskonstruksjoner med høye krav.

(II) Fleksible anoder

Fleksible anoder er en ny type komposittanode, hovedsakelig sammensatt av en ledende polymerkjerne, metallledende tråder (kobber- eller titantråd), et aktivt belegg og en ytre kappe. Kjerneegenskapene deres er høy fleksibilitet, noe som muliggjør vilkårlig bøying og kutting for å passe tett til komplekse betongoverflater. De er også lette (omtrent 0.5–1.0 kg/m²), enkle å installere og spesielt egnet for armerings- og renoveringsprosjekter av eksisterende bygninger.

Basert på kjernematerialet kan fleksible anoder deles inn i fleksible polymeranoder og fleksible karbonfiberanoder: førstnevnte bruker ledende plast som kjernemateriale, har lavere kostnad og er egnet for generelt korrosive miljøer; sistnevnte bruker karbonfiberbunter som kjernemateriale, har sterkere konduktivitet (resistivitet ≤0.01Ω・m) og høy strekkfasthet (≥3000 MPa), og er egnet for høye strømkrav eller scenarier med strekkspenning (for eksempel beskyttelse av kabelmantel på skråstagbroer).

Fleksible anoder er slitesterke og slagfaste, og har sterk tilpasningsevne på fuktige og støvete byggeplasser. De er for tiden mye brukt i antikorrosjonsprosjekter for konstruksjoner som tunneler, T-banestasjoner og industrianlegg.

(III) Grafittanoder

Grafittanoder er en tradisjonell type ICCP-anode. De er laget av høyrens grafitt (fast karboninnhold ≥99 %) som basismateriale, gjennom pressing og kalsinering, og finnes ofte i stav-, blokk- eller plateformer. Fordelene deres inkluderer lav kostnad, god konduktivitet (resistivitet ≤10Ω・m) og høy styrke, noe som gjør dem egnet for nedgravde betongkonstruksjoner (som pelefundamenter og kjellerplater) eller scenarier med lave strømkrav.

Grafitanoder har imidlertid betydelige ulemper: for det første har de dårlig korrosjonsbestandighet, og de oksiderer og avskaller lett i sterkt oksiderende miljøer, noe som resulterer i kort levetid (vanligvis 5–10 år); for det andre er strømfordelingen ujevn, noe som lett fører til lokale strømkonsentrasjoner; og for det tredje frigjør de produkter som karbondioksid og sulfater, som potensielt kan forårsake en reduksjon i betongens lokale pH-verdi, noe som påvirker den strukturelle holdbarheten. Derfor brukes grafitanoder for tiden bare i vanlige byggeprosjekter med lavere krav til korrosjonsbestandighet og kostnadsfølsomhet.

(IV) Anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold

Anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold (også kjent som støpejernsanoder med høyt silisiuminnhold) er legeringsanoder. Hovedkomponentene deres inkluderer jern (Fe≥85 %), silisium (Si 10 %–14 %) og små mengder krom og molybden, produsert gjennom støping og gløding. Fordelene deres inkluderer høy styrke (strekkfasthet ≥350 MPa), høy temperaturbestandighet (kan brukes under forhold under 200 ℃) og moderat kostnad, noe som gjør dem egnet for underjordiske betongkonstruksjoner eller scenarier utsatt for mekanisk påvirkning (som veier, broer og gruvetunneler).

Ulempene med ferrosilisiumanoder er dårlig konduktivitet (resistivitet på omtrent 50–100 Ω·m), noe som krever økning av overflatearealet (for eksempel å lage rørformede eller nettformede anoder) for å forbedre strømutgangskapasiteten; og de korroderer lett i sure miljøer, så de er ikke egnet for konstruksjoner som kommer i kontakt med sur nedbør i områder eller surt industrielt avløpsvann.

Working Prinsipp

Kjerneprinsippet i ICCP-systemet er å påføre en katodisk strøm til det beskyttede armeringsstålet gjennom en ekstern likestrømsforsyning. Dette forårsaker katodisk polarisering på overflaten av stålet, og hemmer dermed den elektrokjemiske korrosjonsreaksjonen.

Korrosjon av armeringsstål i betong er i hovedsak en spontan elektrokjemisk galvanisk cellereaksjon: I det anodiske området skjer jernoksidasjon (Fe – 2e⁻ → Fe²⁺). Fe²⁺ kombineres med OH⁻ i betongens porevæske for å danne jernhydroksid (Fe(OH)₂), som videre oksideres til jernhydroksid (Fe(OH)₃), og til slutt danner rust (Fe₂O₃・nH₂O); i det katodiske området skjer oksygenreduksjon (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻), som gir elektroner til den anodiske reaksjonen og akselererer korrosjonen.

Når ICCP-systemet startes, kobles den positive terminalen på den eksterne likestrømsforsyningen til anoden, og den negative terminalen kobles til armeringsstålet (det beskyttede materialet), og danner en lukket krets. På dette tidspunktet gjennomgår anoden, som fungerer som anode i elektrolysecellen, en oksidasjonsreaksjon (hovedsakelig oksygenutviklingsreaksjonen: 2H₂O – 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺), som forsyner kretsen med elektroner. Stålstangen, som fungerer som katode i elektrolysecellen, mottar ekstern strøm, og dens overflatepolarisasjonspotensial forskyves i negativ retning. Når potensialet faller under -0.85 V (i forhold til den mettede kalomelelektroden, SCE), undertrykkes jernoksidasjonsreaksjonen i anodeområdet, mens hydrogenutviklingsreaksjonen i katodeområdet (2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻) erstatter oksygenabsorpsjonsreaksjonen og danner en stabil passiveringsfilm på overflaten av stålstangen, og dermed oppnår korrosjonsbeskyttelse.

Som en sentral funksjonell komponent i det påtrykte strømkatodebeskyttelsessystemet (ICCP), bestemmer anodens ytelse direkte korrosjonsbeskyttelseseffekten og livssykluskostnadene for armerte betongkonstruksjoner. Titanbaserte blandede metalloksid (MMO)-anoder har blitt det foretrukne valget for de fleste bygningskonstruksjoner på grunn av fordelene med lang levetid, høy stabilitet og god kompatibilitet; fleksible anoder er egnet for komplekse konstruksjoner og renovering av eksisterende bygninger; grafittanoder og ferrosilisiumanoder brukes fortsatt i kostnadssensitive scenarier og scenarier med lavt behov.