电化学修复过程氢致钢筋塑性降低的影响与控制试验研究

金伟良，伍茜西，毛江鸿，许 晨，陈佳芸，夏 晋

(1.浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 310058; 2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

电化学修复过程氢致钢筋塑性降低的影响与控制试验研究

金伟良1,2，伍茜西1，毛江鸿2，许 晨1，陈佳芸1，夏 晋1

(1.浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 310058; 2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

电化学修复技术是提升既有钢筋混凝土结构耐久性重要方法，能有效除去有害氯离子，延长结构使用寿命。采用电化学修复技术对钢筋混凝土结构进行耐久性修复时，作为阴极的钢筋会发生析氢反应，当钢筋表面的氢浓度达到临界值时，钢筋的塑性会降低，并发展成裂纹，导致钢筋出现氢脆现象。开展了不同电化学参数的电化学修复试验，并采用物理方法和力学方法进行了氢致塑性降低的影响分析。结果表明氢致塑性降低与电流密度、应力水平均相关；当清楚工程构件的受力状态时，可采用合适的电流密度对构件进行电化学修复，控制塑性损失程度在工程的可接受范围内，以达到钢筋氢脆控制的目的。

钢筋混凝土；耐久性；电化学修复；氢脆；氢脆评估

处于海水或海洋气候环境中的钢筋混凝土结构，在氯离子侵蚀作用下钢筋会发生锈蚀，最终导致钢筋混凝土结构的破坏与失效，从而造成巨大的经济损失[1]。电化学修复技术是提升既有钢筋混凝土结构耐久性重要方法，能有效地除去有害氯离子，延长结构的使用寿命。目前，电化学修复技术主要有电化学除氯技术、电渗阻锈技术和双向电迁技术、混凝土再碱化等。然而，诸多研究表明，运用电化学修复技术对钢筋混凝土结构进行耐久性修复，在消除有害氯离子的同时，会对钢筋混凝土结构产生不利的影响，如降低钢筋-混凝土之间的黏结强度[2-3]和钢筋氢脆[4-6]。《海港工程钢筋混凝土结构电化学防腐技术规范》(JTS153-2-2012)[7]中也指出若保护电流密度过大，对于预应力筋，会发生析氢反应。

Mehta[8]认为由于高强预应力钢筋具有捕获电化学反应产生的氢原子的能力，因此对氢脆敏感性更高，故该类构件应用电化学修复技术过程中出现氢脆现象的可能性更高。Siegwart[9]对预应力梁电化学处理后，发现高强预应力钢筋对氢脆现象十分敏感，并且氢脆现象不随电化学通电参数(如电流密度、通电时间和形式)改变而发生变化，也不受钢筋表面是否发生腐蚀的影响。朱鹏[10]的研究结果则表明钢筋一旦停止产生氢原子，高强钢筋周围的氢原子会迅速扩散到钢筋以外，钢筋会恢复其原有的塑性。Klinowki等[11]研究发现对不含铬的预应力钢筋进行电化学修复，当其施加的电势高于-900 mV时，预应力钢筋氢脆风险较低。干伟忠等[12]研究发现通过正确选择电化学参数可以避免电化学修复的副作用，跟踪试验表明在没有金属护套的先张预应力混凝土结构中也没有发生氢脆的迹象，但并未指明不产生副作用的电化学参数范围。

目前，钢筋氢脆现象的存在是限制电化学修复技术在工程中推广应用的主要原因，因此研究电化学修复过程中钢筋的氢脆现象以及氢脆现象的存在造成钢筋塑性损失的程度显得尤为重要。通过试验改变电化学修复的通电参数(不同的电流密度)，结构状态(不同应力状态)，对钢筋进行电化学修复，采用氢致钢筋塑性降低评估方法来研究电流密度和应力状态对钢筋氢脆的影响程度，从而进行电化学修复控制参数优化。

1 电化学修复过程中氢致钢筋塑性降低试验

1.1电化学修复过程中的析氢反应机理

钢筋混凝土结构电化学除氯的原理如图1所示。除氯过程中有关的化学反应如式(1)～(3)所示。

由图1可知，钢筋表面会发生阴极还原反应，当负电位达到一定值时则会发生析氢反应，而反应产生的氢原子会被钢筋吸附并出现氢脆现象。金属的氢脆[13]是指当氢进入金属内部，其浓度达到饱和后，会降低金属的塑性，诱发金属产生裂纹，导致金属突然发生脆性破坏或滞后破坏。目前，国内外对金属氢脆机理主要分为四类，即氢减小键合力理论[14]；氢致局部塑性变形理论[15]；氢降低表面能理论[16]与氢压理论。这四类氢脆机理从材料的微观角度出发，阐述氢脆发生的原因及对金属材料造成的影响，但尚无氢脆机理可以解释所有的氢脆现象。氢脆现象最大的危害是会导致钢筋塑性降低，而钢筋的塑性与结构的抗震、疲劳等服役性能密切相关。

图1 电化学除氯原理Fig.1 Principle of electrochemical chloride extraction

阳极：

阴极：

1.2氢致钢筋塑性降低评估方法

氢致钢筋塑性降低评估方法，主要可分为力学方法与物理方法，其中力学方法通过断面收缩率与断裂能比分析钢筋的塑性损失；物理方法通过扫描电镜(SEM)对拉伸试验结束后的钢筋断口进行观察，观察断裂晶体学特征分析钢筋的氢脆情况。物理方法不能直接反映电化学修复后钢筋氢脆影响其塑性损失的程度，但可以与力学方法结合，验证氢脆现象。

1.2.1 力学方法

钢筋在拉伸变形的过程主要可分为四个阶段，即弹性变形阶段、不均匀屈服塑性变形阶段、均匀塑性变形阶段和颈缩变形阶段。目前检测氢脆现象的力学方法主要有恒荷载法、恒应变速率拉伸法(Constant Extension Rate Test,CERT)与慢应变速率拉伸法(Slow Strain Rate Test,SSRT)。

慢应变速率拉伸试验是对处于极化电位下的金属试件进行拉伸试验，通过观察金属试件在弹性阶段、屈服阶段、塑性变形阶段及破坏阶段的全过程，反映金属在恒电位极化过程中的氢脆敏感性及其之后断裂性能。恒应变速率拉伸试验是对电化学修复后的金属进行拉伸试验，其拉伸的应变速度恒定，可以反映采用不同的电化学参数修复后对金属塑性性能的影响，从而分析金属试件的氢脆情况。

通常用塑性损失，即断面收缩率Ψ与断裂能比Z来反映钢筋电化学修复后钢筋的氢脆敏感性[17-19]。其中，断裂能为金属材料在拉伸断裂时释放的总能量，其值等于应力-应变曲线下包围的面积。定义如下：

式中：Ψ0、Ψ表示未经过电化学修复与经过电化学修复的钢筋拉伸试验的断面收缩率，Z为断裂能比，W0为未进行电化学修复的原始钢筋断裂能，W为电化学修复后的受力钢筋断裂能。取F(Ψ)作为塑性损失。

1.2.2 物理方法

除了对电化学修复后的钢筋进行拉伸试验，直接得到钢筋的塑性损失程度外，还可以采用扫描电镜(SEM)对钢筋断口进行观察，观察断裂晶体学特征。目前常用测试氢脆的仪器有透射电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、俄歇电子能谱仪、电子探针等。通常认为，氢脆的断口主要分为：准理解断口和沿晶断口。氢脆敏感性较高的钢筋断口主要为解理(准解理)断口，氢脆敏感性较低的钢筋断口为韧窝状断口[20]。

2 电化学修复过程中钢筋氢脆影响评估与控制

根据氢脆的发生时间，可将氢脆分为第一类氢脆与第二类氢脆。第一类氢脆的氢脆源产生于材料加工时，如氢蚀、氢鼓泡、氢化物型氢脆。第二类氢脆的氢脆源于材料的应力状态与氢共同作用时产生。根据出现氢脆现象后的金属材料是否可以恢复塑性，可分为可逆氢脆与不可逆氢脆。可逆氢脆可通过室温放置等方法将固溶于金属中氢去除，最终恢复金属塑性。而不可逆氢脆无法通过除氢处理来恢复金属塑性。

由于在正常服役期间的钢筋混凝土结构中，钢筋的应力状态不会超过其屈服强度，且变形速率较小，因此电化学修复对其产生的氢脆现象主要由氢扩散控制，属于可逆氢脆，同时钢筋混凝土结构处于应力状态下，为第二类氢脆现象。根据电化学修复过程中钢筋氢脆的分类，本文设计了基于氢脆影响的电化学修复控制参数优化试验，由于可逆氢脆能通过室温放置等方法将固溶于金属中的氢去除，本试验在电化学修复结束后，将钢筋室温放置72 h后再进行恒应变速率拉伸试验。

2.1基于氢脆影响的电化学修复控制参数优化试验

2.1.1 试验设计

实际钢筋混凝土结构进行电化学修复时，可控因素包括通电参数和应力水平。因此，本文改变电化学修复的通电参数(不同的电流密度)，不同的结构状态(不同应力状态)，对钢筋进行电化学修复，采用氢致钢筋塑性降低评估方法来研究电流密度和应力状态对钢筋氢脆的影响程度，从而进行电化学修复控制参数优化。试验用材料为直径14 mm的HRB400热轧带肋钢筋。为了消除混凝土介质的影响，对钢筋进行混凝土模拟孔隙溶液的电化学修复试验。应力水平分别为10%、30%、60%。应力通过张拉千斤顶施加，张拉应力水平由光纤光栅锚索测力计测得，数值通过MOI 125光纤解调仪读取。试验装置如图2。电流密度分别为0.3、0.6、0.7及0.8 A/m2。拉伸速率为0.1 mm/min。

采用济南联工CMT-300电子式万能试验机，取应变速率为0.1 mm/min对钢筋进行恒应变速率拉伸试验。钢筋试件断裂后，从靠近断口约5～10 mm处锯开，并磨平切口。用无水乙醇进行超声清洗5 min，待到其干燥后，用密封袋保存。采用FEI Quanta 650 FEG扫描电镜，观察断面形貌特征，分别观察断口的纤维区、放射区、剪切唇，分析断裂类型。

图2 试验装置示意Fig.2 Test device

2.1.2 试验结果

当钢筋的应力水平恒定时，电流密度对受力钢筋塑性性能的影响如图3所示。在弹性阶段，各钢筋的应力-应变曲线基本重合，即弹性模量几乎一致，说明电化学修复过程对钢筋弹性阶段的影响可以忽略不计。当钢筋进入强化阶段后，各钢筋的应力-应变曲线偏离增大，说明电流密度对钢筋拉伸性能的主要影响体现在不均匀变形阶段。随着电流密度的增大，钢筋的断后变形均有所减小，即钢筋塑性性能随着电流密度的增大而降低。

图3 不同电流密度下受力钢筋试件的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of reinforcement with different current densities

表1为不同电流密度下受力钢筋试件的力学性能指标。由表1可知，钢筋的极限强度、上屈服强度与下屈服强度并不随电流密度增大而变化。说明氢脆现象仅对钢筋的塑性变形性能有所影响，对其屈服强度、抗拉强度没有影响或影响很小。

根据式(4)用断面收缩率计算电化学修复后受力钢筋的塑性损失，如图4所示。结果表明在同一电流密度下，随着应力水平的提高，受力钢筋的塑性损失均不断增大。当电流密度为0.3 A/m2时，随着应力水平的提高，钢筋塑性损失增大，当应力水平为60%时，塑性损失超过15%。显著大于10%与30%应力水平时的塑性损失。当电流密度大于0.3 A/m2时，相同应力水平下，钢筋的塑性损失变化不大，但均超过15%。当应力水平不小于30%，电流密度大于0.3 A/m2时，钢筋的塑性损失均超过20%。

表1 不同电流密度下受力钢筋试件的抗拉强度指标Tab.1 Tensile strength indicator of reinforcement with different current densities

图4 电化学修复后受力钢筋的塑性损失Fig.4 Reinforcement plasticity decrease after electrochemical repair

图5 电化学修复后受力钢筋的断裂能比Fig.5 Reinforcement fracture energy ratio after electrochemical repair

分别对没有进行过电化学修复的原始钢筋及电化学修复后的受力钢筋应力-应变曲线进行积分，计算得到应力-应变曲线包围下的面积，根据式(5)得到各钢筋试件断裂能与原始钢筋断裂能之比，结果如图5所示。结果表明，同一电流密度下，随着应力水平的提高，受力钢筋的断裂能先下降后趋于平缓。电流密度为0.3 A/m2时，随着应力水平的提高，钢筋的断裂能比减小，当应力水平为60%时，其断裂能比显著小于10%与30%应力水平时的断裂能比，断裂能比小于85%。当电流密度大于0.3 A/m2时，相同应力水平下，钢筋的断裂能比变化不大，但均小于85%。当应力水平为60%，电流密度大于0.3 A/m2时，钢筋的断裂能比均小于75%。上述现象和断面收缩率评价受力钢筋的塑性损失的结果一致。

取电流密度为0.3 A/m2时的受力钢筋试件，其电化学修复时的应力状态分别为10%、30%与60%。用扫描电镜(SEM)对其断口进行扫描，受力钢筋试件的微观形貌与宏观形貌如图6所示。由图6可知，当钢筋的应力状态为10%时，可以看到明显颈缩，且可以观察到宏观断口特征三要素——纤维区、放射区、剪切唇，SEM图片显示断口为韧窝状形貌(图6(a))，由此判断10%应力水平钢筋为韧性断裂。当钢筋的应力状态为30%时，受力钢筋试件靠近断口边缘的位置有剪切断裂所特有的锋利楔形，断面总体为韧窝，有部分解理面，说明30%应力水平钢筋部分为韧性断裂，部分为脆性断裂；当钢筋的应力状态为60%时，受力钢筋试件断口与拉伸主轴呈45°，断面光亮平滑，是脆性宏观断口的特征。且随着应力水平的提高，解理部分所占比例逐渐增大，反映了随着应力水平的增大，钢筋的氢脆敏感性增强，更容易发生氢脆。

图6 不同应力水平下钢筋试件微观与宏观断口形貌Fig.6 Micro and macro fracture morphology of reinforcement under different stress levels

3 结 语

1)力学方法通过断面收缩率与断裂能比分析钢筋的塑性损失，试验表明采用塑性损失率与断裂能比评估钢筋氢脆的结果较为一致。物理方法不能直接反映电化学修复后钢筋氢脆影响其塑性损失的程度，但可以与力学方法结合，验证氢脆现象。

2)试验结果表明，电化学修复过程中氢致钢筋塑性降低与电流密度、应力水平均相关。将电化学修复技术应用于实际工程中时需了解工程构件的受力状态，从而采用合适的电流密度对构件进行电化学修复，控制塑性损失程度在工程的可接受范围内，以达到钢筋氢脆控制的目的。

3)本试验为了研究电化学修复过程中氢致钢筋氢脆的现象，消除混凝土介质不均匀的影响，只在混凝土模拟孔隙溶液中对钢筋进行电化学修复试验。然而由于实际工程中离子的传输需通过混凝土保护层，因此还需在钢筋混凝土构件中开展系统的电化学修复试验。

[1] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京: 科学出版社,2014.(JIN W L,ZHAO Y X.Durability of concrete structures[M].Beijing: Science Press,2014.(in Chinese))

[2] BUENFELD N R,BROOMFIELD J P.Influence of electrochemical chloride extraction on the bond between steel and concrete [J].Magazine of Concrete Research,2000,52(2): 79-91.

[3] 郭育霞,贡金鑫,尤志国.电化学除氯后混凝土性能试验研究[J].大连理工大学学报,2008,48(6): 863-868.(GUO Y X,GONG J X,YOU Z G.Experimental study of characteristics of concrete experienced electrochemical extraction of chlorides[J].Journal of Dalian University of Technology,2008,48(6): 863-868.(in Chinese))

[4] FAJARDO G,ESCADEILLAS G,ARLIGUIE G.Electrochemical chloride extraction (ECE) from steel-reinforced concrete specimens contaminated by "artificial" sea-water [J].Corrosion Science,2006,48(1): 110-125.

[5] KIM S J,JANG S K,KIM J I.Electrochemical study of hydrogen embrittlement and optimum cathodic protection potential of welded high strength steel [J].Metals and Materials International,2005,11(1): 63-69.

[6] SIEGWART M,LYNESS J F,MCFARLAND B J,et al.The effect of electrochemical chloride extraction on pre-stressed concrete [J].Construction and Building Materials,2005,19(8): 585-594.

[7] JTS153-2-2012.海港工程钢筋混凝土结构电化学防腐技术规范[S].2012.(JTS153-2-2012.Technical specification for electrochemical corrosion protection of reinforced concrete structures in harbour engineering [S].2012.(in Chinese))

[8] MEHTA P K.Concrete durability-fifty years progress [C]//Proc.of 2nd Inter.Conf.on Concrete Durability.ACI SP126-1,1991: 1-31.

[9] SIEGWART M,LYNESS J F,MCFARLAND B J,et al.The effect of electrochemical chloride extraction on pre-stressed concrete [J].Construction and Building Materials,2005,19(8): 585-594.

[10] 朱鹏.钢筋混凝土结构电化学修复技术的研究[D].上海: 同济大学,2006.(ZHU P.Study on electrochemical repair technology of reinforced concrete structure [D].Shanghai: Tongji University,2006.(in Chinese))

[11] KLINOWSKI S,HARTT W H.35 Qualification of cathodic protection for corrosion control of prestressing tendons in concrete [J].Special Publications of the Royal Society of Chemistry,1996,183: 354-368.

[12] 干伟忠,王纪跃,BOES Alois.电化学排除钢筋混凝土结构氯盐污染的试验研究[J].中国公路学报,2003,16(3): 44-47.(GAN W Z,WANG J Y,BOES Alois.Experimental research on electrochemical removal of chloride in reinforced concrete structure [J].China Journal of Highway and Transport,2003,16(3): 44-47.(in Chinese))

[13] 褚武扬，乔利杰，陈奇志.断裂与环境断裂[M].北京: 科学出版社,2000.(CHU W Y,QIAO L J,CHEN Q Z.Fracture and environmental fracture [M].Beijing: Science Publishing House,2000.(in Chinese))

[14] R TROIANO.The role of hydrogen and other interstitials in the mechanical behavior of metals[J].Trans.ASM,1960,52(1): 54-80.

[15] LOUTHAN M R.Strain localization and hydrogen embrittlement[J].Scripta Metallurgica,1983,17(4):451-454.

[16] PETCH N J,STABLES P.Delayed fracture of metals under static load[J].Nature,1952,169: 842-843.

[17] 常娥,闫永贵,李庆芬,等.阴极极化对921A钢海水中氢脆敏感性的影响[J].中国腐蚀与防护学报,2010,30(1): 83-88.(CHANG E,YAN Y G,LI Q F,et al.The effect of cathodic polarization on hydrogen embrittlement susceptibility of 921A steels in sea water [J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection,2010,30(1): 83-88.(in Chinese))

[18] BILLINGHAM M,JOHN G.Determining the compatibility of high strength steels to cathodic protection[C]//CORROSION 2008.NACE International,2008.

[19] BRIOTTET L,MORO I,LEMOINE P.Quantifying the hydrogen embrittlement of pipeline steels for safety considerations [J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(22):17 616-17 623.

[20] 束德林.工程材料力学性能[M].北京: 机械工业出版社,2016.(SHU D L.Mechanical properties of engineering materials [M].Beijing: China Machine Press,2016.(in Chinese))

Experiential study on the effect of hydrogen-induced plasticity decrease and control in the process of electrochemical repair of reinforced concrete

JIN Weiliang1,2,WU Xixi1,MAO Jianghong2,XU Chen1,CHEN Jiayun1,XIA Jin1

(1.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China; 2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,China)

Electrochemical repair technologies are important methods to upgrade the durability for existing reinforced concrete,which can effectively remove harmful chloride ion,extending the life of structures.When applying electrochemical repair technologies to reinforced concrete,hydrogen evolution reaction would occur at the cathode.When reinforcement of the hydrogen concentration reaches a critical value,the reinforced plastic will reduce,and formed,developed into a crack,leading to reinforced hydrogen embrittlement.Carried out different electrochemical parameters of electrochemical repair test,and used physical and mechanical means to analysis hydrogen-induced plasticity decrease.Results showed that hydrogen-induced plasticity decrease was related to current density and stress levels.When the stress state of structures became clear,electrochemical repair can be applied to structures by using proper current density,in order to control plastic damage within the acceptable range of engineering,so that to achieve the goal of controlling hydrogen embrittlement of steel.

reinforced concrete; durability; electrochemical repair; hydrogen embrittlement; hydrogen embrittlement evaluation

TU511.3

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.010

1005-9865(2017)05-0088-07

2017-01-03

国家自然科学基金资助项目(51638013，51578490，51408544，51408534)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAL02B03)；宁波市科技惠民资助项目(2016C51024)；省交通运输厅交通工程建设科研计划资助项目(2015J02)；浙江省质量技术监督系统科研计划资助项目(20160137)；杭州市重大科技创新专项资助项目(20142011A41)

金伟良(1961-)，男，浙江杭州人，教授，博士生导师，博士，研究方向为工程结构可靠性理论和应用、混凝土结构基本性能。E-mail: jinwl@zju.edu.cn