混凝土结构耐久性电化学除氯效率与提升

2022-04-13金立兵王培胜毛江鸿何建明

河南城建学院学报 2022年1期

金立兵，王培胜,，毛江鸿，何建明

(1.河南工业大学土木工程学院，河南郑州 450001；2.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院，浙江宁波 315100；3.浙江广天构件集团股份有限公司，浙江宁波 315000)

混凝土结构具有耐久性好、可塑性强、抗压强度高等优点，在各种工程结构中被广泛应用，是各种房屋、道桥工程采用的主要形式[1-2]。然而，混凝土结构在正常使用期间易遭受碳化、氯盐侵蚀等问题，造成耐久性下降。尤其在东南沿海地区，氯离子侵蚀现象更加严重，钢筋锈蚀现象较为常见[3]。针对氯盐侵蚀问题，国内外学者提出了各种修复方法，包括传统凿除修补及电化学修复技术等。传统凿除修复方法针对出现病害的结构能够进行快速修复，但工序复杂且无法进行耐久性病害的根除[4]。电化学修复方法长期效果稳定，在桥梁及房屋修复中已逐渐被应用[5-7]。

混凝土结构耐久性的电化学修复效率是关系该技术工程应用的关键因素之一。为提高电化学除氯效率，高小建等[8]设置3种不同电流密度进行除氯试验，结果显示电流密度越大既有混凝土结构的除氯效率越高；李明明[9]、吴凯[10]等人通过在混凝土阻抗较小的养护期介入电化学方法，发现除氯效率可进一步提升，且钢筋腐蚀电位升高，腐蚀概率降低。由此可见，混凝土阻抗及电流密度是影响电化学效率的关键因素。国内外学者也开展了相关理论分析，Friedmann H等[11]建立了氯离子扩散模型并通过离子迁移试验进行了验证；Li等[12]使用数值模拟研究了氯离子在混凝土中渗透的快速迁移效果。离子快速迁移受电场作用，且在通电前期迁移能效比较高，该结论已在相关研究中被证实[13-14]。通过以上分析可知，电化学修复效率是该领域重要的科学技术问题，综述电化学修复效率提升研究成果，提出电化学修复提效方法具有较好的研究价值。

本文综述了混凝土结构耐久性电化学修复的除氯阻锈效率研究成果，对影响耐久性电化学提升效率的因素进行了分析，开展了在混凝土养护期介入大电流密度电化学方法的提升效率试验。

1 研究现状

混凝土电化学修复技术主要指正极连接外部阳极材料，负极连通内部钢筋，通过直流电源组成电场，在电场作用下钢筋处氯离子外迁，生成的氢氧根离子使钢筋表面碱性升高，恢复钝化的技术。电化学除氯试验通常以饱和氢氧化钙溶液作为电解液，参数选择3 A/m2并持续通电14 d，通电完成后能达到80%左右的除氯效果[15]。电渗阻锈[16]是指在电化学除氯的基础上，将试件放入含有一定阻锈剂浓度的碱性溶液中，外置阳极可采用不锈钢板及抗锈能力较强的钛板，试验结束后将阻锈剂基团迁入钢筋表面，达到更好的阻锈效果。金伟良等[17]于2011年提出双向电迁移技术，通过在电解液中加入阻锈剂，双向电迁移之后，混凝土保护层内氯离子下降，钢筋周围介质碱性提高且表面迁入阻锈剂。有关混凝土结构电化学修复的文献中，大多关注不同电流密度下的除氯阻锈效率，主要从试验研究和数值模拟两方面开展效率方面的研究。

1.1 试验研究

杨超等[18]使用电流密度3 A/m2通电15 d，研究了电场对除氯效果的影响。何浪等[19]使用1 A/m2、2 A/m2通电35 d，研究了电化学电流密度与除氯效率的关系。Tissier等[20]使用1 A/m2电化学处理8周，发现除氯效率接近90%，且腐蚀速率降低，pH增加。夏佳军等[21]研究发现通电12 d，2A/m2电流密度下的氯离子排出量约是1 A/m2的1.4倍。Swamy[22]等采用1 A/m2通电8周，在电化学处理之前、期间和之后对梁中的混凝土进行氯化物分析，结果表明，电化学处理效果较好，可去除混凝土梁保护层内氯化物。电化学修复效率除受电流密度影响外，也会受到水灰比等影响，Luan等[23]使用1 A/m2通电31 d测试氯化物含量、孔隙率，结果表明，水灰比适当增高，电化学除氯后混凝土孔隙率增加，氯化物减少。

此外，提高温度也是提升效率的一种有效方法。Ueda等[24]进行不同电解液温度试验，通过化学分析来研究电解液温度对电化学除氯效率的影响，结果发现，温度在20～40 ℃范围内升高，氯离子的氯化物去除百分比和转移数增加了约10%，40 ℃处理后钢筋附近残留氯离子明显减少。Xia等[25]在研究温度对除氯效率的影响中发现随着温度从0 ℃增加到50 ℃，总的效率显著增加。

1.2 数值模拟

胡少伟等[26]计算了在不同电场下特定区域的氯离子浓度，研究了低电压下的电场、氯离子浓度之间的相关性。夏晋等[27]使用24 V通电14 d，对钢筋混凝土结构电化学修复过程的氯离子浓度进行了数值模拟，结果表明，钢筋处氯离子电迁移通量随时间增加而减小，整体除氯效率随时间增加而降低。金世杰等[28]研究离子传输模型，模拟了3 A/m2通电30 d的电化学除氯，与试验对比发现考虑孔隙率改变对电化学修复数值模拟结果影响显著。祝频等[29]根据数值模型计算了电流密度从1 A/m2增加到3 A/m2在42 d时的氯离子迁移情况，发现在相同作用时间下，电流密度增加，氯离子的排除速率也逐渐增加，理论计算和实际测试的2 A/m2下的离子分布特征基本相符。Xu等[30]通过数值模拟研究了时间、电流密度、保护层厚度对除氯效率的影响，提出了各因素与电化学脱盐总效率之间的定量关系模型。Chen等[31]提出多相细观数值模型并计算了2 A/m2经过8周处理后的氯离子含量，发现氯化物浓度逐渐减小，试验结束总除氯效率达到75%左右。

图1 国内外电化学参数选择图

将国内外部分文献结果绘制于图1中，由图1可以看出，电化学修复的电流密度多选择为1～3 A/m2，电化学处理后的除氯效率均在60%～90%，且电流密度越大，电化学除氯时间越少，所需时长一般在10～50 d左右。

2 影响耐久性提升效率的因素

理论分析表明电流密度越大，除氯效果越显著，可更好地提高结构的耐久性、延长使用寿命。然而高电流密度可能带来部分负面效应，如钢筋出现氢脆现象以及黏结滑移退化等。

Elsener等[32]认为目前电化学修复的应用效率较低，电流密度增大能够提高除氯效率，但导致发生碱集料反应概率增加，影响结构耐久性。Orellan等[33]进行电化学除氯并测试前后的碱离子分布，结果表明，大约40%的初始氯化物在7周内被去除，但同时在钢筋周围观察到大量的碱离子并发现新胶凝相。郑秀梅等[34]则在电化学除氯试验后进行钢筋拔出试验，发现钢筋与混凝土的黏结力在除氯后期损失达到70%左右。张军等[35]在对混凝土梁电化学修复后的耐久性能及力学特征研究中发现电化学修复后钢筋塑性降低、黏结性能劣化并且钢筋氢脆概率增大。

因此，对于既有混凝土结构，限制电流密度及通电时长以控制其负面效应是普遍被接受的技术措施。随着装配式建筑技术的发展，相当的混凝土结构均可在工厂完成预制生产，上述构件生产过程中钢筋基本处于无应力状态，钢筋氢脆风险较低。同时，混凝土在养生期阻抗较小，介入电化学方法效率更高[9-10]，通以更大的电流密度可能是一种进一步提升效率的有效方法。

3 电化学除氯效率提升的探索试验

为研究短时通电的电化学除氯效果，进行电化学修复效率提升试验。根据相关研究[36]，碘化钠相比氯化钠更易溶于水，且碘离子与氯离子传输特征相似而显色更加明显。因此，选择碘化钠溶液作为电解液。

3.1 试件设计

采用直径150 mm，长度210 mm的钢筋混凝土圆柱试件，保护层厚度设置为30 mm，内部纵筋为4ø8。试件尺寸示意图如图2所示。

图2 试件尺寸示意图

图3 温度变化图

试件混凝土采用C30，材料选用P.O.42.5级水泥，粗骨料为粒径5～20 mm的碎石，使用天然河砂和自来水并按表1配合比拌制浇筑。试件拆模后在标准养护室内标准养护7 d，并预留连接钢筋的导线作为外接电源的电极。

表1 混凝土配合比

3.2 试验方案

分别使用电流密度45 A/m2、30 A/m2、15 A/m2对混凝土进行离子电迁移试验，电解液采取11.89%的碘化钠溶液，通电时钢筋连接电源正极，钛板连接负极。通电时长为30 min，试验分组见表2。在通电结束后取出试件，用自动岩石芯样切割机(HQP-200)沿试件中部位置轴向切开，待试件表面干燥后喷射醋酸溶液酸化，随后喷射碘酸钾溶液和淀粉悬浮液，最后对表面颜色变化进行观察。并在试验过程中使用温度计每间隔5 min测量通电过程中的温度变化情况。

表2 试验分组

3.3 试验结果与分析

随着通电时间的增加，达到30 min时的温度变化情况如图3所示。

由图3可知，Mig-3组、Mig-2组试验温度升高较快，在30 min后均达到77 ℃，其中Mig-3组温度上升最快，考虑主要是电流引起内部离子快速迁移及电阻热原因造成。Mig-1组温度上升较慢，30 min后不到50 ℃，主要原因是电流相对较小，在较短时间内无法形成较大电场产生热量。

试验完成后使用切割机将试块切开，喷洒后的显色情况如图4所示。为了便于准确分析离子迁移情况，将试验照片放入软件auto-CAD2020计算迁移距离并进行显示区域划分及色彩填充。取各组的迁移距离平均数为电迁距离，以保护层厚度为基数计算迁移效率，结果如图5所示。

由图4可知，Mig-3组、Mig-2组在通电30 min后的离子迁移效果最好，Mig-1组效果最差。

由图5可得Mig-3组、Mig-2组均迁移至保护层厚度的80%以上。由图4可看出Mig-3组颜色最深且迁移距离最远，碘离子移动特征明显，迁移大致均匀。但Mig-3组在粗骨料处显色较弱而沿骨料轮廓颜色较深。主要原因是骨料硬度与密度较大，碘离子迁移过程中遇到阻碍沿周围孔隙较大处迁移造成。Mig-2组试验显色相对较浅，且碘离子在部分缝隙处有聚集现象，考虑原因主要是养护时间较短，混凝土内部孔隙结构未完全成形，且由于本试验受内部钢筋影响采用切割方式劈开，可能引起了部分碘离子的非均匀聚集。Mig-1组试验迁移效果最弱，原因主要是电场较小，离子迁移力在短时间内无法穿越混凝土。