頔塘碑亭碳化腐蝕再堿化修復(fù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究

童蕓蕓,馬 超，葉 良，呂偉加

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

頔塘碑亭碳化腐蝕再堿化修復(fù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究

童蕓蕓1,馬 超1，葉 良1，呂偉加2

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，杭州 310023；2.杭州聚代科技有限公司，杭州 310011)

為了對再堿化技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，選取浙江省湖州市頔塘碑亭碳化鋼筋混凝土欄桿構(gòu)件作為實(shí)驗(yàn)對象，依據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范對該欄桿進(jìn)行外加電源式再堿化修復(fù)處理，并在修復(fù)后1個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月對再堿化處理的效果進(jìn)行跟蹤測試與分析評估。結(jié)果表明，再堿化處理可以有效地提高混凝土保護(hù)層的堿性，降低鋼筋的腐蝕概率，并且在1年的時(shí)間內(nèi)有較好的耐久性，同時(shí)沒有引起明顯的副作用。該研究為再堿化技術(shù)在鋼筋混凝土歷史文物建筑修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。

再堿化技術(shù)；碳化鋼筋混凝土；堿性；腐蝕電位；耐久性

浙江省湖州市頔塘與蘇杭古運(yùn)河相通，為“黃金水道”——長湖申航道中心。北岸為318國道，聯(lián)結(jié)上海、蘇州、嘉興等城市。塘堤兩側(cè)蕩漾棋布，桑田遍野，盛產(chǎn)蠶絲和水稻。因此，頔塘是湖州市重要的水利設(shè)施之一，也是水陸交通要道。頔塘碑亭建于1929年，是中國最早的鋼筋混凝土建筑之一。經(jīng)過87年的歷史，該碑亭的鋼筋出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，部分混凝土保護(hù)層也嚴(yán)重剝落。現(xiàn)場勘探檢測結(jié)果顯示，混凝土保護(hù)層的碳化是導(dǎo)致該碑亭鋼筋混凝土腐蝕破壞的最主要原因，這個(gè)現(xiàn)象在近百年的歷史文物建筑中并不少見。

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的碳化腐蝕破壞情況，傳統(tǒng)挖補(bǔ)技術(shù)是剔除已碳化的混凝土和修補(bǔ)混凝土等[1-2]，此法適用于非大面積混凝土保護(hù)層嚴(yán)重剝落的建筑結(jié)構(gòu)。對于類似于湖州市頔塘碑亭這樣的文物保護(hù)建筑，上述這些方法會對建筑物本身產(chǎn)生較大破壞或者改變其作為文物本身的價(jià)值，因而不適用。在這樣的前提下，20世紀(jì)70年代末興起的電化學(xué)再堿化修復(fù)技術(shù)便凸顯其適用于文物保護(hù)建筑的無損修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)了。

再堿化技術(shù)通過無損傷的電化學(xué)處理達(dá)到提高再堿化碳化混凝土的堿性，降低鋼筋腐蝕活性甚至再鈍化鋼筋的目的。具體實(shí)施方法是：鋼筋連接電源負(fù)極作為電化學(xué)系統(tǒng)中的陰極，輔助陽極網(wǎng)連接電源正極，混凝土表面覆蓋堿性電解質(zhì)液。在這個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)中，電源施加一定的直流電，經(jīng)過一周左右的時(shí)間，達(dá)到需要的總電量后，切斷電源。

從理論上分析，由于鋼筋周圍水的電解和堿性電解質(zhì)液滲入混凝土保護(hù)層等原因，經(jīng)過再堿化處理后的混凝土堿性會有所上升[2-5]。再堿化技術(shù)的有效性已經(jīng)得到國內(nèi)外廣大研究人員的認(rèn)可[2-9]，并且已經(jīng)在美國和歐洲得到越來越廣泛的工程應(yīng)用。但是作為一項(xiàng)新興技術(shù)，再堿化處理在中國還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[1，10-24]。

再堿化技術(shù)能夠從根本上修復(fù)鋼筋的腐蝕，改善混凝土保護(hù)層的堿性環(huán)境，顯著提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而且操作方便，環(huán)境友好，特別適用于大面積碳化混凝土結(jié)構(gòu)或需要保護(hù)的歷史文物的修復(fù)。為了進(jìn)一步開展再堿化技術(shù)的工程應(yīng)用研究，本課題選取了湖州市頔塘碑亭的局部欄桿構(gòu)件作為研究對象，開展再堿化技術(shù)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并對修復(fù)效果進(jìn)行了維持1年的測試跟蹤。

1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及過程

1.1 電化學(xué)再堿化處理現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取浙江省湖州市頔塘碑亭的一個(gè)鋼筋混凝土欄桿構(gòu)件(圖1)，采用外加電源方式對構(gòu)件進(jìn)行再堿化處理。該再堿化處理的電化學(xué)用鋼絲網(wǎng)作為電化學(xué)系統(tǒng)的陽極，兩根平行的直徑為10 mm的螺紋鋼作為陰極，碳酸鉀質(zhì)量濃度為40 g/L，pH值10.4的K2CO3溶液作為電解質(zhì)，再外加一個(gè)直流電源。首先將構(gòu)件內(nèi)的兩根鋼筋通過電線串聯(lián)，并接入電源負(fù)極，然后在構(gòu)件表面貼敷飽含電解質(zhì)液的紙纖維，并將作為陽極的鋼絲網(wǎng)綁扎在構(gòu)件四周且包裹于紙纖維內(nèi)。最后，連接鋼絲網(wǎng)與電源正極。

圖1 頔塘碑亭欄桿構(gòu)件的外加電源式再堿化處理現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)Fig.1 Field of realkalization treatment by impressed current on railing of Ditang pavilion

電解質(zhì)紙纖維所覆蓋的鋼筋長度為48 cm，因此，作為陰極的鋼筋實(shí)際有效面積為2×(π×1×48)≈301 cm2。根據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范建議的電流密度和總電量[25]：鋼筋表面單位面積(m2)上通過的電流應(yīng)為1 A，總電量應(yīng)為200 A·h，因此，外加電源(強(qiáng)加)的電流大小應(yīng)為1 A/m2×301 cm2≈30 mA，處理的時(shí)間相為200 A·h/1A=200 h，即8天半左右(2014-08-19T18:00至2014-08-28T8:00)。實(shí)驗(yàn)過程中，現(xiàn)場工作人員每天早晚各1次定時(shí)噴灑飽和電解質(zhì)液，以保持電解質(zhì)紙纖維的濕潤。同時(shí)，工作人員每天記錄直流電源顯示的電流和電壓數(shù)據(jù)，外加電源輸送的直流電為30 mA，初始電壓為2.9 V。之后外加電流大小穩(wěn)定在30 mA，電壓值隨著混凝土保護(hù)層電阻的變化而浮動(表1)，直至2014-08-28T8:00斷電。從通電開始到第5天，電壓逐漸增大，這應(yīng)該是由于夏天天氣炎熱，即使每天早晚各澆1次水，混凝土保護(hù)層也逐漸干燥，電阻慢慢變大。第5天后電壓又逐漸減小，這應(yīng)該是由于再堿化處理后電解質(zhì)液進(jìn)入混凝土保護(hù)層的原因。

表1 再堿化處理過程中電流和電壓的變化Table 1 Variation of current and voltage during realkalization treatment

1.2 實(shí)驗(yàn)效果跟蹤

本實(shí)驗(yàn)采用了3種測試分析方法對再堿化處理的效果進(jìn)行跟蹤：酚酞顏色指示劑方法測試混凝土的堿性，鋼筋自然腐蝕電位法評估鋼筋的腐蝕概率，以及掃描電鏡法分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.1 酚酞顏色指示劑法

混凝土保護(hù)層再堿化的效果跟蹤采用酚酞顏色指示劑(1 g酚酞溶于100 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇)測試法。將酚酞試劑噴灑在經(jīng)水濕潤后的混凝土表面，如果呈無色，說明混凝土的pH值小于9；如果呈粉紅色，說明混凝土的pH值大于9。

1.2.2 鋼筋自然腐蝕電位法

本實(shí)驗(yàn)利用瑞士Proceq公司的Canin+鋼筋銹蝕儀(圖2)跟蹤再堿化處理前后鋼筋的自然腐蝕電位的變化。Canin+鋼筋銹蝕儀采用半電池銹蝕電位法測量鋼筋的電場電位，參比電極為棒式飽和硫酸銅參比電極，其相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的開路電位是316 mV。根據(jù)ASTM C876-91[26]經(jīng)驗(yàn)值，由鋼筋的自然腐蝕電位可初步判定鋼筋的腐蝕概率(表2)。鋼筋的自然腐蝕電位負(fù)值越大，鋼筋的腐蝕概率越大，腐蝕活性也越高。

圖2 Canin+鋼筋銹蝕儀Fig.2 Canin+ corrosion analysis

表2 鋼筋自然腐蝕電位與腐蝕概率的關(guān)系(ASTM C876-91；飽和硫酸銅參比電極)Table 2 Relationship between rest corrosion potential of steel rebars and corrosion probability (ASTM C876-91；CSE reference electrode)

1.2.3 混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析法

本實(shí)驗(yàn)采用日立TM3000臺式掃描電子顯微鏡(圖3)，觀察倍數(shù)為15～30 000倍，加速電壓為5 kV或15 kV可選。該掃描電子顯微鏡具備高靈敏度四分割背散射探頭，并有普通模式和消除荷電模式兩種拍攝模式。消除荷電模式亦稱為低真空模式，這種觀察模式可以實(shí)現(xiàn)對大多數(shù)樣品的直接觀察，尤其是不導(dǎo)電樣品，比如混凝土樣品。TM3000臺式掃描電子顯微鏡允許觀察的最大樣品直徑為70 mm，最大樣品厚度為50 mm。本實(shí)驗(yàn)混凝土樣品都切割為10 mm×10 mm×10 mm的立方體塊。

圖3 TM3000臺式掃描電子顯微鏡Fig.3 TM3000 tabletop scanning electron microscope

2 工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范對浙江省湖州市頔塘碑亭碳化鋼筋混凝土欄桿構(gòu)件進(jìn)行外加電源式的再堿化修復(fù)處理，并在修復(fù)后1個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行跟蹤測試與分析評估。

2.1 混凝土的堿性

現(xiàn)場應(yīng)用酚酞試劑(1 g酚酞溶于100 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇)噴灑于濕潤的混凝土表面，酚酞測試結(jié)果顯示了再堿化處理前,以及再堿化處理后1個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月混凝土堿性的變化(圖4)。

圖4 酚酞測試Fig.4 Phenolphthalein tests

酚酞測試的結(jié)果表明，再堿化處理前，鋼筋周圍的混凝土呈無色，說明混凝土保護(hù)層已經(jīng)完全被碳化。再堿化處理后1個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月混凝土保護(hù)層在噴灑酚酞試劑后都顯示明顯的粉紅色，證明修復(fù)后混凝土的堿性顯著提高，并且這個(gè)提高的堿性在1年時(shí)間內(nèi)沒有降低，有一定的耐久性。

2.2 鋼筋的自然腐蝕電位

現(xiàn)場在桿件兩根鋼筋上各等間距取3個(gè)點(diǎn)，應(yīng)用Canin+鋼筋銹蝕儀在再堿化處理前及再堿化處理后1個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月檢測鋼筋的自然腐蝕電位。表3中的數(shù)據(jù)取自每根鋼筋上3個(gè)等間距點(diǎn)測試結(jié)果的平均值，它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差(表4)都小于20 mV。表4中所有的數(shù)值均為相對于飽和硫酸銅電極電勢。

測試結(jié)果表明，再堿化處理前，鋼筋1的自然腐蝕電位在-266.7 mV，鋼筋2的自然腐蝕電位在-208.3 mV，兩根鋼筋的腐蝕概率都較大(>90%)。再堿化處理后1個(gè)月，鋼筋1的自然腐蝕電位在-124 mV，比處理前提高了約123 mV，鋼筋2的自然腐蝕電位在-90.7 mV左右，比處理前提高了117 mV左右。兩根鋼筋的腐蝕概率都明顯下降。再堿化處理后7個(gè)月和12個(gè)月，鋼筋1的自然腐蝕電位分別為-130 mV和-132 mV，鋼筋2的自然腐蝕電位分別為-100.3 mV和-110 mV，這說明兩根鋼筋在處理后1年時(shí)間內(nèi)腐蝕概率保持較低水平，耐久性較好。

表3 再堿化處理前后鋼筋自然腐蝕電位Table 3 Rest corrosion potential of steel rebars before and after realkalization treatment mV

表4 再堿化處理前后每根鋼筋上3個(gè)測試點(diǎn)腐蝕電位測試值的標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 4 Standard deviation of corrosion potential values on three points of each steel rebars before and after realkalization treatment mV

2.3 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

再堿化處理后7個(gè)月，在現(xiàn)場對再堿化處理過的欄桿構(gòu)件和未經(jīng)再堿化處理過的欄桿構(gòu)件進(jìn)行混凝土取樣，切割為10 mm×10 mm×10 mm的立方體塊，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用掃描電子顯微鏡分析混凝土微觀結(jié)構(gòu)的變化。未經(jīng)再堿化處理的混凝土樣品上呈現(xiàn)出明顯的碳化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)(圖5(a)、(b))。再堿化處理后，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與未經(jīng)處理的碳化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)相比較并沒有明顯的區(qū)別(圖5(c)、(d))。圖5(d)中的裂縫應(yīng)該是由于取樣造成的。另外，也沒有發(fā)現(xiàn)具有膨脹性破壞的堿-硅酸凝膠。再堿化處理過程中鉀離子會在電場作用下進(jìn)入混凝土保護(hù)層，可能會引起對混凝土有危害的堿骨料反應(yīng)，但是在本實(shí)驗(yàn)中并沒有出現(xiàn)這樣的副作用。

上述現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室分析測試結(jié)果表明，再堿化修復(fù)后1年時(shí)間內(nèi)，混凝土保護(hù)層的堿性明顯上升，鋼筋的腐蝕概率顯著下降，并且沒有引起明顯的副作用。

3 結(jié)論與分析

電化學(xué)再堿化技術(shù)在中國還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，本課題組第一次嘗試開展了再堿化技術(shù)的小規(guī)?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)依據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范的外加電源式電化學(xué)再堿化處理，可以在實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件成功實(shí)施，處理過程中電流值保持穩(wěn)定，電壓值隨著混凝土保護(hù)層的干燥、濕潤及電解質(zhì)液的滲入而變化。

2)再堿化處理可以有效地提高碳化混凝土的堿性，并且這個(gè)提高的堿性在1年內(nèi)沒有降低，有一定的耐久性。

3)再堿化處理后，混凝土內(nèi)鋼筋的自然腐蝕電勢提高了120 mV左右，鋼筋的腐蝕概率明顯減小，腐蝕活性降低，并且鋼筋的腐蝕概率在處理后1年內(nèi)保持較低水平，耐久性較好。

4)再堿化處理沒有對混凝土產(chǎn)生明顯的副作用。

4 結(jié) 語

綜上所述，電化學(xué)再堿化技術(shù)在修復(fù)鋼筋混凝土碳化腐蝕的工程中，成本低，施工簡單，對原結(jié)構(gòu)無損傷，耐久性好，環(huán)境友好。較傳統(tǒng)的材料填充技術(shù)，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，特別適用于需要保護(hù)的歷史文物建筑。本課題組會繼續(xù)對浙江省湖州市頔塘碑亭再堿化處理的耐久性進(jìn)行長期的跟蹤，為該技術(shù)在鋼筋混凝土歷史文物建筑修復(fù)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。

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Field experiment study of realkalization rehabilitation for corrosion due to carbonation of Ditang pavilion

TONG Yunyun1, MA Chao1, YE Liang1, LYU Weijia2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, China；2. Hangzhou Judai Technology Co. Ltd., Hangzhou 310011, China )

A realkalization rehabilitation treatment by impressed current is applied on one reinforced concrete railing of Ditang pavilion according to the Europe technology specifications in order to study the field test of realkalization technology. The treatment efficiency is followed and analyzed one month, seven months and twelve months after the treatment. The results show that the realkalization treatment can increase the alkalinity of concrete cover and decrease the corrosion probability of steel rebars. One-year durability of the treatment is also confirmed. Moreover, no side effect on concrete is detected after treatment. The study provides laboratory analysis basis and on site experience for the treatment application and promotion on historical monuments of reinforced concrete structure.

realkalization technology; carbonated reinforced concrete; alkalinity; corrosion potential; durability

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.06.001

2016-12-08

浙江省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(LQ14E080008)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51408546)；浙江省文物保護(hù)科技項(xiàng)目(2015018)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33058)

童蕓蕓(1978— )，女，浙江省杭州人，副教授，博士，主要從事鋼筋混凝土的耐久性研究。

TB302.2；TU-87

A

1671-8798(2016)06-0413-07