电化学除氯过程钢筋网周围电场与氯离子分布特征试验研究

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074;2.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波315100; 3.大榭大桥有限公司，浙江 宁波 315812)

钢筋锈蚀是危害混凝土结构耐久性的主要原因之一，氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀的最主要原因[1-2]。氯离子进入混凝土的方式主要有外部环境氯离子的渗透、扩散等。相关资料[3-6]表明，近年来，钢筋混凝土结构的耐久性问题越来越突出。如何对钢筋混凝土结构进行耐久性修复，已成为迫切需要解决的问题。

电化学除氯技术[7-8]是目前应用较为广泛的一种混凝土耐久性提升技术。该技术采用电化学原理将混凝土内部氯离子排除，实现混凝土结构耐久性提升。相关研究表明，既有混凝土结构耐久性提升过程中存在氯离子非均匀迁出现象。Toumi等[9]的试验结果表明，电化学除氯后混凝土中氯离子的分布曲线为上凸弯曲曲线，呈现非均匀现象。祝频等[10]、郑靓等[11]的理论模型和实测结果都证实混凝土内部的残余氯离子存在非均匀分布现象。Mao[12]研究表明，残余氯离子存在非均匀分布现象，氯离子会由高浓度区域向低浓度区域扩散。有学者提出,氯离子非均匀分布跟通电过程中混凝土内部电场有关。郭育霞[13]认为电化学除氯过程中氯离子在电场中运动，电场强度大的区域，所受的力大，除氯效率越高。Li等[14]建立了氯离子入侵混凝土模型，研究电势梯度等因素对电化学除氯的影响。张嘉新等[15]研究外电场作用下离子的迁移规律，认为距钢筋越近，电场强度越大，残余氯离子浓度越低。Caón等[16]认为，距钢筋近的区域，电场强度大，除氯效率高。

已有研究表明，电化学除氯过程混凝土内部电场对除氯有重要影响。对钢筋周围电场与氯离子分布特征以及内部电场与氯离子电迁移之间的关系目前还没有进行深入研究。笔者将一种屏蔽式预埋电极阵列运用于内蕴氯盐的钢筋网布置试件中，进行电化学除氯试验，探索电化学除氯过程钢筋周围的电场与氯离子分布特征及电场对除氯效果的影响。

1 试验设计与过程

1.1 混凝土试件配合比及尺寸

设计钢筋混凝土试件保护层厚度为40 mm，尺寸为90 mm×150 mm×300 mm(高×宽×长)。试件中埋置两根钢筋直径为10 mm的HPB300圆钢，钢筋中间用两根箍筋连接，形成钢筋网布置。混凝土抗压强度设计为C30，采用P.O.42.5水泥，水灰比取0.52。浇筑试件时掺入占水泥质量3%的分析纯氯化钠，石子采用粒径10 mm的粗骨料，其配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportions of concrete

1.2 电化学除氯过程及电场检测

混凝土试件养护2 d后拆模，并在养护室标准养护28 d。养护结束后通电进行电化学除氯试验。试件中钢筋作为阴极连接直流电源的负极，试件底部包裹不锈钢网作为阳极连接直流电源的正极，电解液采用饱和氢氧化钙溶液，试件另外5个表面进行环氧树脂密封作为绝缘面，电流密度为3 A/m2，通电时间为15 d。

采用一种预埋在钢筋混凝土试件内的屏蔽式电极阵列，用于检测钢筋混凝土试件通电除氯时内部的电场分布。试验中设置7排电极构成电极阵列，每排电极有多枚电极探针传感器，以保证能较准确地检测试件中电场分布情况。对每排电极进行编号，位置编号如图1所示。

图1 电极位置编号Fig.1 Electrode position

图1中A为水平轴电极，B、C、D、E为竖向布置的电极，各轴均分钢筋之间的长度，F-G为左边斜向电极，H-I为右边斜向电极。A电极探针编号从左到右依次为-7至7，B、C、D、E电极探针编号从下到上依次为-4至4，F-G、H-I电极探针编号从下到上依次为-5至5。

通过测量电极阵列上的每个电极电势，描绘电极所在位置的电势分布图，探究电场分布特征。电势梯度可表示电场强度，计算式为

E=U/d

(1)

式中：E为电势梯度；U为两探针间的电势差，V；d为两探针间的距离，m。

1.3 电化学除氯后氯离子浓度检测

通电结束后，检测钢筋网配置的混凝土试件的残余氯离子含量。采用直径12 mm的钻头取粉，每隔5.0 mm逐层钻取粉末，取至钢筋表面处。为了避免不同深度范围的粉末试样相互影响，在钻取下一个试样前将钻头清理干净，并用吹灰球将孔壁上的粉末吹干净。取粉区共分为5个区域，位置及编号如图2所示。取粉完成后准确称取2.0 g粉末，加以20.0 g去离子水于瓶振荡，浸泡24 h后用Chloride-Meter DY-2501型精密离子计测量水溶液中的氯离子浓度值。

图2 试件钻孔取粉位置示意图Fig.2 Drilling position of

图2中Ⅰ为试件钢筋之间空白区域，Ⅱ和Ⅲ分别为试件钢筋正下方区域，Ⅳ和Ⅴ分别为试件边缘区域。每个取粉区域各取3个孔。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土内部电场分布特征

在通电期间内每天用万能表检测试件的电极电势变化，取通电期间每个电极的电势平均值绘制电势变化图，如图3所示。

图3 试件内各电极的电势分布Fig.3 Electron distribution of

钢筋布置于A电极-3坐标及3坐标处。从图3(a)可以看出，A电极的电势以坐标原点为中心，两边呈对称分布。从电势变化可以看出，钢筋左右侧电场强度相似；电场方向相反，均指向钢筋。图3(b)为竖向电极的电势检测结果，从图3(b)可以看出，竖向电极下半部分电势变化明显，即试件下半部分钢筋以下位置电场强度明显，且电场强度方向指向钢筋处；而竖向电极上半部分电势变化都趋于水平分布，表明试件上半部分即钢筋以上位置电场分布很弱。图3(c)为斜向电极的电势检测结果，同样可以看出，试件下半部分钢筋以下位置电场强度明显，试件上半部分钢筋以上位置电场分布很弱，电场方向均指向钢筋处。

2.2 混凝土内部残余氯离子分布特征

经过检测，该批试件的混凝土内部初始氯离子浓度占胶凝材料质量的0.272%。电化学除氯后不同区域的残余氯离子浓度分布如图4所示。

图4 试件内不同区域氯离子空间分布Fig.4 Spatial distribution of residual

试件残余氯离子浓度在不同区域沿混凝土底面深度方向都有氯离子堆积现象，残余氯离子在沿混凝土底面深度方向呈非均匀分布。从图4可以看出，试件各区域氯离子浓度峰值出现在距混凝土表面深度约20 mm处，峰值处距钢筋距离约20 mm，处于电迁路径中间位置。图4(a)和图4(c)中整体氯离子浓度高于图4(b)，即边缘区域及钢筋之间空白区域整体氯离子浓度高于钢筋正下方区域，说明在边缘区域及钢筋之间空白区域存在氯离子堆积现象，残余氯离子沿混凝土底面宽度方向呈非均匀分布。由此可见，电化学除氯后混凝土内残余氯离子空间分布呈现非均匀现象。

2.3 电场分布与氯离子分布的对应关系

混凝土试件保护层内钢筋下方每排电极有4个电极探针，钢筋与下方第一个探针距离10 mm，且每两个探针间距离为10 mm。由于试件内电极左右对称布置，取粉区域I与C下半部分电极空间位置一致，取粉区域Ⅱ与B下半部分电极空间位置一致，因此，取这两个位置进行分析。根据式(1)，绘制电场强度与氯离子分布的对应关系，如图5所示。

图5 电场分布与氯离子分布对应关系Fig.5 Electric field intensity corresponds to

图5中:1为距混凝土表面深度10 mm范围内的电场强度；2为距混凝土表面深度10～20 mm范围内的电场强度；3为距混凝土表面深度20～30 mm范围内的电场强度；4为距混凝土表面深度30～40 mm范围内的电场强度。从图5可以看出，混凝土内残余氯离子分布大致与电场分布呈相反趋势。电场强度大的区域，残余氯离子浓度低；电场强度小的区域，残余氯离子浓度高，电场分布影响混凝土内氯离子分布。靠近钢筋和靠近辅助阳极区域电场强度较大，混凝土保护层内中间位置电场强度较小，所以，电迁路径中间位置出现氯离子堆积现象。图5(a)中Ⅱ区域整体电场强度较图5(b)中Ⅰ区域大，其残余氯离子浓度也相对较小，表明电场强度大的区域，残余氯离子浓度低。因此，试件钢筋正下方区域残余氯离子浓度整体较试件中间空白区域和边缘区域低，混凝土内氯离子在试件底面宽度方向呈现非均匀分布。

3 结论

采用一种屏蔽式预埋电极阵列，进行了内蕴氯盐的钢筋网布置试件电化学除氯过程内部电场与氯离子分布特征的探索性试验，结果表明：

1)通过预埋电极阵列检测钢筋混凝土试件通电过程中的电势空间分布，可稳定得到电极阵列预埋位置处的电势梯度，在混凝土保护层内靠近钢筋和外部辅助阳极区域电场强度大，保护层中间位置电场强度小。

2)混凝土内残余氯离子呈现非均匀分布，证实了氯离子的非均匀电迁现象,同时，混凝土内电场分布影响内部氯离子分布。电场强度大的区域，氯离子迁出速率高，残余氯离子浓度小；电场强度小的区域，氯离子迁出速率低，氯离子存在堆积现象。后续研究中可利用电场分布特征评估混凝土内部残余氯离子的分布特征。

3)证实了氯离子的非均匀电迁现象，研究了混凝土内电场与氯离子分布特征以及电场分布对电化学除氯的影响，但如何解决氯离子非均匀电迁现象还有待进一步深入研究。

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