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接地降阻劑用量對(duì)輸電桿塔接地電阻影響試驗(yàn)報(bào)告
發(fā)布時(shí)間：2020-07-02 瀏覽次數(shù)：2713次
接地降阻劑用量對(duì)輸電桿塔接地電阻影響試驗(yàn)報(bào)告
接地降阻劑在變電所及輸電線路的接地網(wǎng)上已應(yīng)有多年，并取得了良好的接地降阻效果。但是該型接地降阻劑開發(fā)初期使用的線路，例如湖北省咸寧和十堰供電局所屬的若干基輸電鐵塔接地網(wǎng)在四年運(yùn)行后經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)，接地網(wǎng)鋼材出現(xiàn)銹蝕和接地電阻升高的現(xiàn)象。為分析此現(xiàn)象的原因，并進(jìn)一步采用相應(yīng)的改進(jìn)措施，我們進(jìn)行了專門的試驗(yàn)研究，現(xiàn)綜述如下：
一、腐蝕原因的分析及有關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果
1、裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片的埋地腐蝕試驗(yàn)
在惡劣的土壤條件下（土壤電阻率＜0.1Ω·m，土壤處于潮濕狀態(tài)），將裸鋼試片（4×16×49 mm）和包覆接地降阻劑鋼試片埋于地下（埋入深度約0.6 m，埋入時(shí)間724小時(shí)），所得結(jié)果如表1所示。兩種鋼試片的銹蝕情況可由照片1和2看出（照片見后面的彩頁(yè)）。
表1 裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片的埋地腐蝕試驗(yàn)
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編 號(hào)
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裸 鋼 試 片
|
包 覆 降 阻 劑 鋼 試 片
|
||
|
g/m2·hr
|
mm/a
|
g/m2·hr
|
mm/a
|
|
|
1
|
0.997
|
1.120
|
0.0017
|
0.0019
|
|
2
|
0.775
|
0.848
|
0.0017
|
0.0019
|
|
平均
|
0.876
|
0.984
|
0.0017
|
0.0019
|
由上述結(jié)果可清楚地看出，該接地降阻劑對(duì)包覆在其內(nèi)的鋼材具有良好的防蝕性能。
2、鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片埋入土壤中的電化學(xué)特性
接地網(wǎng)鋼材在土壤中的腐蝕屬電化學(xué)腐蝕，因而測(cè)量鋼試片在土壤中電極電位隨時(shí)間的變化值可判斷鋼材在土壤中是處在活化（銹蝕）或鈍化（防蝕）狀態(tài)。測(cè)量是用銅／硫酸銅參比電極和萬(wàn)用表進(jìn)行的。當(dāng)土壤中鋼試片的自然腐蝕電位向正值方向（即向負(fù)值減小的方向）變化時(shí)，說明鋼試片正在發(fā)生鈍化過程；相反，當(dāng)鋼試片的自然腐蝕電位向負(fù)值方向（即向更負(fù)的方向）變化時(shí)，即說明土壤中的鋼試片是處在活化狀態(tài)，即正在發(fā)生銹蝕過程。裸鋼試片和包覆接地降阻劑的鋼試片在土壤中的電位隨自然腐蝕時(shí)間的變化情況如表2所示。由表2可看出，接地降阻劑對(duì)埋入其中的鋼試片有自然鈍化作用。
表2 裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片在土壤中的電極電位變化
|
測(cè)量時(shí)間
|
包覆降阻劑鋼試片電位（mV）
|
裸鋼試片電位（mV）
|
|
99.04.26
|
-206.4
|
-609.5
|
|
99.04.30
|
-203.5
|
-632.1
|
|
99.05.04
|
-199.6
|
-636.8
|
|
99.05.07
|
-192.8
|
-640.0
|
|
99.05.10
|
-155.1
|
-643.4
|
|
99.05.15
|
-144.6
|
-645.4
|
|
99.05.18
|
-137.2
|
-651.0
|
|
99.05.20
|
-129.7
|
-658.8
|
|
99.05.23
|
-100.1
|
-661.0
|
|
99.05.27
|
—
|
-661.3
|
3、CC系列接地降阻劑屬導(dǎo)電型無機(jī)硅酸鹽類材料（又稱導(dǎo)電混凝土），其某些物理化學(xué)和電化學(xué)特性，例如水浸出液的pH值、加水硬化特性、鋼的自然鈍化特性等都與鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕特性相近似，因此可用研究混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕方法來研究包覆CC系列接地降阻劑的鋼材腐蝕情況。圖1是包覆CC導(dǎo)電混凝土接地降阻劑的鋼試片上有不同寬度的裂縫時(shí)的鋼電位隨時(shí)間的變化。由該圖可看出，當(dāng)導(dǎo)電混凝土上沒有裂紋時(shí)，鋼在其中有自然鈍化作用，不僅電位值較正，而且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而向正值變化（曲線1）。隨著裂縫寬度的增大，電位值更負(fù)（曲線7）。而裸鋼（即未包覆導(dǎo)電混凝土）的電位達(dá)到-600mV（曲線1）。按照鋼筋電位和腐蝕性判斷標(biāo)準(zhǔn)（表3），可知裸鋼埋在土壤內(nèi)必然會(huì)受到腐蝕。在沒有裂縫的導(dǎo)電混凝土內(nèi)通常由于自然鈍化作用而不易受腐蝕；若導(dǎo)電混凝土留有縫隙，就會(huì)造成其內(nèi)部鋼材的腐蝕，裂縫愈寬，腐蝕愈嚴(yán)重。裂縫寬度與鋼材上腐蝕坑的平均深度如圖2所示?？梢钥闯?，混凝土裂縫愈寬，鋼筋上腐蝕孔的平均深度愈深，亦即腐蝕愈嚴(yán)重。
表3 混凝土鋼筋電位和腐蝕性
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項(xiàng) 目
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Ⅰ
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Ⅱ
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Ⅲ
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來源
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混凝土鋼筋電位，mV
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高于-200
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-200～-300
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低于-300
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美國(guó)ASTM876-77
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判 別
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90%不腐蝕
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不確定
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90%腐蝕
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混凝土鋼筋電位，mV
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0～-300
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-300～-400
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-400～-700
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蘇州水泥制品研究院
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判 別
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不腐蝕
|
不確定
|
腐蝕
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4、腐蝕原因分析
（1） CC系列接地降阻劑又稱導(dǎo)電混凝土，具有混凝土的某些理化特性，其水浸出液pH＞12，同時(shí)該接地降阻劑還含有一定量的緩蝕劑。包覆在接地降阻劑內(nèi)的接地網(wǎng)鋼材，在高堿性環(huán)境下將發(fā)生自然鈍化作用。因此，就一般地質(zhì)環(huán)境來說，其腐蝕速度是很低的（如表1所示），不足以對(duì)接地網(wǎng)構(gòu)成威脅。
（2） 根據(jù)圖1和圖2試驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論，由于包覆接地降阻劑時(shí)施工不良造成接地體周邊的接地降阻劑出現(xiàn)裂縫或蜂窩，會(huì)對(duì)接地體的腐蝕產(chǎn)生重要影響。照片3和4是施工良好的接地降阻劑（接地體鋼材的腐蝕速度為0.0019 mm/a）和施工不良的接地降阻劑（已發(fā)現(xiàn)接地體鋼材有銹蝕）的剖開情況（照片見后面的彩頁(yè)）。可以看出，在包覆接地降阻劑的施工過程中若加水比例過少或在包覆過程中對(duì)接地降阻劑振搗不均，陡有可能留下裂縫或蜂窩的隱患，從而造成接地體鋼材的腐蝕。由于鐵銹的電阻率高于純鐵的電阻率，所以一旦接地體發(fā)生銹蝕，必然會(huì)引起接地電阻的升高。
（3） 使用接地降阻劑發(fā)生腐蝕的另一原因，是一些單位為節(jié)省費(fèi)用而減少接地降阻劑的用量，造成包覆接地降阻劑的厚度不夠，使得較薄處或根本沒有包裹處的接地體處在土壤介質(zhì)中，由于介質(zhì)不同而引起電化學(xué)的不均勻性，造成電化學(xué)腐蝕電池。這種腐蝕情況也會(huì)發(fā)生在有的施工單位利用電纜溝內(nèi)預(yù)埋扁鋼作接地連線（易形成電化學(xué)腐蝕電池）。
（4） 使用接地降阻劑發(fā)生腐蝕的第三個(gè)原因，是接地引下線的腐蝕。在地網(wǎng)包覆接地降阻劑的同時(shí)，往往接地引下線并未采取任何防腐措施，致使在接地引下線入地與主地網(wǎng)連接的這一段導(dǎo)體發(fā)生腐蝕（見后面彩頁(yè)照片5）。包覆接地降阻劑的主地網(wǎng)圓鋼表面形成暗灰色鈍化膜如照片6所示，該鈍化膜掃描電鏡檢測(cè)如照片7所示（見后面彩頁(yè)）。
按照通常的防腐原則，為了防止上述兩種情況的發(fā)生，必須將未包接地降阻劑的地網(wǎng)或接地引下線（包括電纜溝預(yù)留扁鋼）外表面做絕緣處理。我們的經(jīng)驗(yàn)表明，采用水泥砂漿包覆裸露的這段鋼導(dǎo)體是有效的（水泥砂漿和接地降阻劑之間不得留有縫隙，具體操作方法詳見接地降阻劑施工說明書）。
（5）腐蝕過程機(jī)理
埋于土壤中的鋼接地體上發(fā)生的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕是由于腐蝕電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。在包覆接地降阻劑的接地體上，裂縫和蜂窩的存在使得空氣中的氧氣和土壤中的水分很容易通過這些縫隙到達(dá)鋼體表面，而接地降阻劑緊密的部分則水分和氧氣難達(dá)到鋼體表面。在這種情況下，鋼體的富氧部分是腐蝕電池的陽(yáng)極，而缺氧部分則是腐蝕電池的陰極。陽(yáng)極發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生Fe2O3或FeOOH腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物比金屬鐵的體積大，會(huì)進(jìn)一步造成已固化降阻劑的崩裂，而使陽(yáng)極區(qū)的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，從而使鋼體的腐蝕更大的擴(kuò)展。
二、接地降阻劑與陰極保護(hù)的配合使用
1、 由于接地降阻劑是導(dǎo)電型無機(jī)硅酸鹽粉末物質(zhì)，具有一定的粒度，所以，即使在包覆工藝最佳的條件下，也不能使接地網(wǎng)鋼體與土壤等外界環(huán)境完全隔離，因此鋼體仍有一定的腐蝕速度，盡管其數(shù)值可能很微小。若遇到土壤環(huán)境較惡劣（鹽堿地或海邊附近氯離子含量較高的地方）或存在雜散電流及接地鋼體存在較大內(nèi)應(yīng)力，以及接地降阻劑包裹不良存在裂縫和蜂窩的情況下，都有可能引起接地網(wǎng)鋼體的腐蝕。此種情況與鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕情況是相似的，在這種情況下，將接地降阻劑與陰極保護(hù)配合使用是防止接地網(wǎng)鋼體腐蝕的有效方法。在混凝土鋼筋的防蝕實(shí)踐中已證明，陰極保護(hù)具有防止電化學(xué)腐蝕，雜散電流腐蝕，應(yīng)力腐蝕的功效。
在國(guó)內(nèi)外的一些著作中已多次提到陰極保護(hù)在電力系統(tǒng)接地裝置防腐保護(hù)中的應(yīng)用，例如《電力系統(tǒng)接地技術(shù)》一書（解廣潤(rùn)編著），《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)，電氣一次部分》（水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院編），"按腐蝕條件選擇鋼接地裝置截面"《電站》（俄）1978.No.7，"電力系統(tǒng)的腐蝕控制"《Electric Machines and Power System》（英）1999，以及"變電所地網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展綜述"《中國(guó)電力》1997. No.7。我國(guó)核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《EJ451-88三十萬(wàn)千瓦壓水堆核電廠地下金屬構(gòu)筑物區(qū)域陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》已將接地網(wǎng)的陰極保護(hù)納入該設(shè)計(jì)規(guī)范。
2、陰極保護(hù)的基本原理
在一般情況下，接地網(wǎng)鋼體的腐蝕系金屬在土壤中進(jìn)行的電化學(xué)腐蝕，腐蝕電池內(nèi)的陽(yáng)極電流來自于鐵的溶解（腐蝕），即Fe=Fe2++2 e，其電流密度可根據(jù)鐵的腐蝕量計(jì)算出來。
式中： ——陽(yáng)極（即金屬的自腐蝕）電流密度，A/m2
——按失重計(jì)算的腐蝕速度，g/m2·hr
——法拉第常數(shù)，96500庫(kù)侖
——金屬的原子量，F(xiàn)e=56
——金屬溶解為離子的價(jià)數(shù)，F(xiàn)e=2
按表1的數(shù)值可分別計(jì)算出陽(yáng)極（腐蝕）電流密度如表4所示。 表4 裸鋼試片和包覆接地降阻劑鋼試片腐蝕電流密度計(jì)算結(jié)果
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裸 鋼 試 片
|
包 覆 降 阻 劑 鋼 試 片
|
||
|
腐蝕速率g/m2·hr
|
腐蝕電流密度mA/m2
|
腐蝕速率g/m2·hr
|
腐蝕電流密度mA/m2
|
|
0.876
|
832.6
|
0.0017
|
1.63
|
應(yīng)指出的是，依埋地腐蝕環(huán)境的不同，鋼的腐蝕量可能有較大的差別，則陽(yáng)極（腐蝕）電流密度也會(huì)有較大的不同。例如在另外某變電所進(jìn)行的裸鋼試片埋地試驗(yàn)（埋地234天），所得鋼腐蝕速度為0.01916 g/m2·hr，計(jì)算得腐蝕電流密度為18.34 m A/m2。為達(dá)到防護(hù)的目的，向腐蝕電池輸入一陰極電流，使其電流密度等于陽(yáng)極電流密度，從而使腐蝕電池的陰極和陽(yáng)極達(dá)到平衡狀態(tài)而停止工作，此時(shí)金屬的腐蝕速度應(yīng)為最低。
輸入陰極電流的方式有兩種，即外加電流法和犧牲陽(yáng)極法。由于犧牲陽(yáng)極法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用低和不需專門維護(hù)，所以在石油天然氣地下管道，鋼筋混凝土設(shè)施等工程中已獲得廣泛的應(yīng)用。
3、接地降阻劑和陰極保護(hù)配合使用的初步試驗(yàn)結(jié)果
（1）為驗(yàn)證陰極保護(hù)效果，在十堰供電局龍胡13＃輸電鐵塔附近進(jìn)行了埋地鋼試片的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖3所示，其中扁鋼尺寸為25×4，圓鋼為 φ8，單片鋼試片面積約0.002m2。共進(jìn)行裸鋼試片和包覆102型導(dǎo)電混凝土接地降阻劑鋼試片兩組試驗(yàn)。犧牲陽(yáng)極選用武漢環(huán)宇防腐公司的ZAC-5型鋅鋁鎘合金犧牲陽(yáng)極，其規(guī)格成分和性能如表5所示。試驗(yàn)裝置埋地深度0.5～0.6米，為保證犧牲陽(yáng)極有良好的輸出電流，將犧牲陽(yáng)極插入填料包內(nèi)，然后一起埋入地下。填料包配方為石膏75%，膨潤(rùn)土20%，硫酸5%。試驗(yàn)時(shí)間共158天。實(shí)測(cè)犧牲陽(yáng)極輸出電流5.95mA，陽(yáng)極對(duì)地開路電位-1.49V。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表5 鋅鋁鎘合金犧牲陽(yáng)極化學(xué)成分、性能和規(guī)格
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化學(xué)元素
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Al
|
Cd
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最大雜質(zhì)含量，%
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Zn
|
|||
|
Fe
|
Cu
|
Pd
|
Si
|
||||
|
含 量%
|
0.3～0.6
|
0.05～0.1
|
0.005
|
0.005
|
0.005
|
0.125
|
余 量
|
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項(xiàng) 目
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開路電位V(SCE)
|
工作電位V(SCE)
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理論電容量A.h/kg
|
實(shí)際電容量A.h/kg
|
電流效率%
|
||
|
性能參數(shù)
|
-1.05～-1.09
|
-1.00～-1.05
|
820
|
≥760
|
≥95
|
||
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尺寸（mm）：（40+48）×44×600 重量（kg）：8.5
|
|||||||
表6 未加和加陰極保護(hù)的鋼試樣腐蝕速率mm/年
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編 號(hào)
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未加陰極保護(hù)裸鋼片
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加陰極保護(hù)裸鋼片
|
加陰極保護(hù)的包降阻劑鋼試片
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1
|
0.195
|
0.060
|
8.95×10-5
|
|
2
|
0.189
|
0.041
|
6.22×10-4
|
|
3
|
0.182
|
0.040
|
3.11×10-4
|
|
平 均
|
0.187
|
0.047
|
3.41×10-4
|
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外觀現(xiàn)象
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試片表面有桔黃色銹層，銹層下有腐蝕坑
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試片表面光亮，但邊角有少許腐蝕點(diǎn)
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試片表面光亮
|
為說明電流密度對(duì)腐蝕速率的影響，曾在省電力試驗(yàn)研究院內(nèi)的一塊濕地（洗車場(chǎng)）按同樣的陰極保護(hù)試驗(yàn)裝置進(jìn)行埋地腐蝕試驗(yàn)，但是是用蓄電池外加電流取代鋅合金犧牲陽(yáng)極以便控制電流密度。試驗(yàn)時(shí)間724小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。埋地包覆降阻劑鋼試片對(duì)地電極電位變化如表8所示。埋地裸鋼片的陰極保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。
（2）試驗(yàn)結(jié)果討論
（1）由表8和9可看出，加陰極保護(hù)的埋地裸鋼片，隨陰極電流密度的增加，腐蝕速率降低，而且對(duì)地電極電位更向負(fù)值變化。由于保護(hù)電流密度和保護(hù)電位未達(dá)到要求的數(shù)值（蓄電池容量不足），所以鋼試片的保護(hù)尚未達(dá)到滿意的程度。鋼構(gòu)筑物所需保護(hù)的電流密度和保護(hù)電位如表10和表11所示。
（2）由表7可看出，包導(dǎo)電混凝土接地降阻劑的鋼試片在施加陰極保護(hù)后，不僅腐蝕速率大幅度降低，而且所需的保護(hù)電流密度也很小，其原因是導(dǎo)電混凝土使鋼試片產(chǎn)生自鈍化作用，降低腐蝕速率，從而可使所需的電流密度降低；同時(shí)，由于導(dǎo)電混凝土覆蓋層使保護(hù)電流和電位分布更均勻，因而使鋼表面的保護(hù)更完整，即使得邊角等局部易發(fā)生腐蝕的部位也受到了良好的保護(hù)。
（3）包覆降阻劑和未包覆接地降阻劑的鋼試片施加陰極保護(hù)時(shí)，經(jīng)剖開后發(fā)現(xiàn)，前者試片表面仍光亮如初，而后者表面上覆蓋一層鋼灰色氧化保護(hù)膜，其原因在于陰極電流將會(huì)使氧化保護(hù)膜還原，包覆接地降阻劑施加陰極保護(hù)的鋼試片外觀如照片8所示（照片見后面的彩頁(yè)），未包覆接地降阻劑施加陰極保護(hù)的鋼試片外觀如照片9所示（照片見后面的彩頁(yè)）。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)（《腐蝕》（美）1970.Vol.26.NO.10 ）介紹，在陰極電流作用下，不僅磁性氧化鐵（Fe3O4）可還原為鐵，而且作為銹層主要成分的FeOOH也被還原為Fe3O4。
（4）無論是采用導(dǎo)電混凝土接地降阻劑或?qū)щ姺栏苛?，?dāng)土壤介質(zhì)電阻率較低或浸蝕性離子（例如Cl-及SO4-等）濃度較高，即土壤的浸蝕性較強(qiáng)時(shí)，如施工質(zhì)量不高或接地降阻劑及涂料填料粒度較大，導(dǎo)致在包覆和涂覆的導(dǎo)電涂料有縫隙或孔隙時(shí)，將會(huì)影響鋼體的使用壽命，在這種情況下陰極保護(hù)將會(huì)防止縫隙或孔隙腐蝕。在縫隙或孔隙內(nèi)介質(zhì)歐姆電阻較低的情況下，保護(hù)電流可能深入至縫底，將縫隙內(nèi)的金屬極化到免蝕區(qū)而得到保護(hù)；在縫隙內(nèi)介質(zhì)歐姆電阻較高的情況下，保護(hù)電流雖難以深入縫底，但陰極保護(hù)卻可通過氧耗盡機(jī)理以及pH上升和鈍化機(jī)理來抑制縫隙內(nèi)金屬的腐蝕。因此，將導(dǎo)電混凝土或?qū)щ姺栏苛吓c陰極保護(hù)結(jié)合起來，是比較理想的防腐措施。
表7 不同電流密度陰極保護(hù)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果（mm/年）
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未加陰極保護(hù)裸鋼片
|
包覆接地降阻劑鋼試片
|
||
|
陰極保護(hù)電流密度
Ik=0mA/m2
|
陰極保護(hù)電流密度
Ik=0mA/m2
|
陰極保護(hù)電流密度
Ik=1.5mA/m2
|
陰極保護(hù)電流密度
Ik=2.5mA/m2
|
|
0.984
|
0.0019
|
0.0012
|
0.00065
|
|
試片表面有桔黃色銹層，銹層下有腐蝕坑
|
試片表面有鋼灰色鈍化膜
|
試片表面光亮
|
試片表面光亮
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