電化學(xué)除氯過(guò)程鋼筋網(wǎng)周?chē)妶?chǎng)與氯離子分布特征試驗(yàn)研究

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074;2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波315100; 3.大榭大橋有限公司，浙江 寧波 315812)

鋼筋銹蝕是危害混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因之一，氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的最主要原因[1-2]。氯離子進(jìn)入混凝土的方式主要有外部環(huán)境氯離子的滲透、擴(kuò)散等。相關(guān)資料[3-6]表明，近年來(lái)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題越來(lái)越突出。如何對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性修復(fù)，已成為迫切需要解決的問(wèn)題。

電化學(xué)除氯技術(shù)[7-8]是目前應(yīng)用較為廣泛的一種混凝土耐久性提升技術(shù)。該技術(shù)采用電化學(xué)原理將混凝土內(nèi)部氯離子排除，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升。相關(guān)研究表明，既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升過(guò)程中存在氯離子非均勻遷出現(xiàn)象。Toumi等[9]的試驗(yàn)結(jié)果表明，電化學(xué)除氯后混凝土中氯離子的分布曲線為上凸彎曲曲線，呈現(xiàn)非均勻現(xiàn)象。祝頻等[10]、鄭靚等[11]的理論模型和實(shí)測(cè)結(jié)果都證實(shí)混凝土內(nèi)部的殘余氯離子存在非均勻分布現(xiàn)象。Mao[12]研究表明，殘余氯離子存在非均勻分布現(xiàn)象，氯離子會(huì)由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。有學(xué)者提出,氯離子非均勻分布跟通電過(guò)程中混凝土內(nèi)部電場(chǎng)有關(guān)。郭育霞[13]認(rèn)為電化學(xué)除氯過(guò)程中氯離子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，所受的力大，除氯效率越高。Li等[14]建立了氯離子入侵混凝土模型，研究電勢(shì)梯度等因素對(duì)電化學(xué)除氯的影響。張嘉新等[15]研究外電場(chǎng)作用下離子的遷移規(guī)律，認(rèn)為距鋼筋越近，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，殘余氯離子濃度越低。Caón等[16]認(rèn)為，距鋼筋近的區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度大，除氯效率高。

已有研究表明，電化學(xué)除氯過(guò)程混凝土內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)除氯有重要影響。對(duì)鋼筋周?chē)妶?chǎng)與氯離子分布特征以及內(nèi)部電場(chǎng)與氯離子電遷移之間的關(guān)系目前還沒(méi)有進(jìn)行深入研究。筆者將一種屏蔽式預(yù)埋電極陣列運(yùn)用于內(nèi)蘊(yùn)氯鹽的鋼筋網(wǎng)布置試件中，進(jìn)行電化學(xué)除氯試驗(yàn)，探索電化學(xué)除氯過(guò)程鋼筋周?chē)碾妶?chǎng)與氯離子分布特征及電場(chǎng)對(duì)除氯效果的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

1.1 混凝土試件配合比及尺寸

設(shè)計(jì)鋼筋混凝土試件保護(hù)層厚度為40 mm，尺寸為90 mm×150 mm×300 mm(高×寬×長(zhǎng))。試件中埋置兩根鋼筋直徑為10 mm的HPB300圓鋼，鋼筋中間用兩根箍筋連接，形成鋼筋網(wǎng)布置?；炷量箟簭?qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，采用P.O.42.5水泥，水灰比取0.52。澆筑試件時(shí)摻入占水泥質(zhì)量3%的分析純氯化鈉，石子采用粒徑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 電化學(xué)除氯過(guò)程及電場(chǎng)檢測(cè)

混凝土試件養(yǎng)護(hù)2 d后拆模，并在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后通電進(jìn)行電化學(xué)除氯試驗(yàn)。試件中鋼筋作為陰極連接直流電源的負(fù)極，試件底部包裹不銹鋼網(wǎng)作為陽(yáng)極連接直流電源的正極，電解液采用飽和氫氧化鈣溶液，試件另外5個(gè)表面進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂密封作為絕緣面，電流密度為3 A/m2，通電時(shí)間為15 d。

采用一種預(yù)埋在鋼筋混凝土試件內(nèi)的屏蔽式電極陣列，用于檢測(cè)鋼筋混凝土試件通電除氯時(shí)內(nèi)部的電場(chǎng)分布。試驗(yàn)中設(shè)置7排電極構(gòu)成電極陣列，每排電極有多枚電極探針傳感器，以保證能較準(zhǔn)確地檢測(cè)試件中電場(chǎng)分布情況。對(duì)每排電極進(jìn)行編號(hào)，位置編號(hào)如圖1所示。

圖1 電極位置編號(hào)Fig.1 Electrode position

圖1中A為水平軸電極，B、C、D、E為豎向布置的電極，各軸均分鋼筋之間的長(zhǎng)度，F(xiàn)-G為左邊斜向電極，H-I為右邊斜向電極。A電極探針編號(hào)從左到右依次為-7至7，B、C、D、E電極探針編號(hào)從下到上依次為-4至4，F(xiàn)-G、H-I電極探針編號(hào)從下到上依次為-5至5。

通過(guò)測(cè)量電極陣列上的每個(gè)電極電勢(shì)，描繪電極所在位置的電勢(shì)分布圖，探究電場(chǎng)分布特征。電勢(shì)梯度可表示電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算式為

E=U/d

(1)

式中：E為電勢(shì)梯度；U為兩探針間的電勢(shì)差，V；d為兩探針間的距離，m。

1.3 電化學(xué)除氯后氯離子濃度檢測(cè)

通電結(jié)束后，檢測(cè)鋼筋網(wǎng)配置的混凝土試件的殘余氯離子含量。采用直徑12 mm的鉆頭取粉，每隔5.0 mm逐層鉆取粉末，取至鋼筋表面處。為了避免不同深度范圍的粉末試樣相互影響，在鉆取下一個(gè)試樣前將鉆頭清理干凈，并用吹灰球?qū)⒖妆谏系姆勰┐蹈蓛?。取粉區(qū)共分為5個(gè)區(qū)域，位置及編號(hào)如圖2所示。取粉完成后準(zhǔn)確稱取2.0 g粉末，加以20.0 g去離子水于瓶振蕩，浸泡24 h后用Chloride-Meter DY-2501型精密離子計(jì)測(cè)量水溶液中的氯離子濃度值。

圖2 試件鉆孔取粉位置示意圖Fig.2 Drilling position of

圖2中Ⅰ為試件鋼筋之間空白區(qū)域，Ⅱ和Ⅲ分別為試件鋼筋正下方區(qū)域，Ⅳ和Ⅴ分別為試件邊緣區(qū)域。每個(gè)取粉區(qū)域各取3個(gè)孔。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土內(nèi)部電場(chǎng)分布特征

在通電期間內(nèi)每天用萬(wàn)能表檢測(cè)試件的電極電勢(shì)變化，取通電期間每個(gè)電極的電勢(shì)平均值繪制電勢(shì)變化圖，如圖3所示。

圖3 試件內(nèi)各電極的電勢(shì)分布Fig.3 Electron distribution of

鋼筋布置于A電極-3坐標(biāo)及3坐標(biāo)處。從圖3(a)可以看出，A電極的電勢(shì)以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，兩邊呈對(duì)稱分布。從電勢(shì)變化可以看出，鋼筋左右側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度相似；電場(chǎng)方向相反，均指向鋼筋。圖3(b)為豎向電極的電勢(shì)檢測(cè)結(jié)果，從圖3(b)可以看出，豎向電極下半部分電勢(shì)變化明顯，即試件下半部分鋼筋以下位置電場(chǎng)強(qiáng)度明顯，且電場(chǎng)強(qiáng)度方向指向鋼筋處；而豎向電極上半部分電勢(shì)變化都趨于水平分布，表明試件上半部分即鋼筋以上位置電場(chǎng)分布很弱。圖3(c)為斜向電極的電勢(shì)檢測(cè)結(jié)果，同樣可以看出，試件下半部分鋼筋以下位置電場(chǎng)強(qiáng)度明顯，試件上半部分鋼筋以上位置電場(chǎng)分布很弱，電場(chǎng)方向均指向鋼筋處。

2.2 混凝土內(nèi)部殘余氯離子分布特征

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，該批試件的混凝土內(nèi)部初始氯離子濃度占膠凝材料質(zhì)量的0.272%。電化學(xué)除氯后不同區(qū)域的殘余氯離子濃度分布如圖4所示。

圖4 試件內(nèi)不同區(qū)域氯離子空間分布Fig.4 Spatial distribution of residual

試件殘余氯離子濃度在不同區(qū)域沿混凝土底面深度方向都有氯離子堆積現(xiàn)象，殘余氯離子在沿混凝土底面深度方向呈非均勻分布。從圖4可以看出，試件各區(qū)域氯離子濃度峰值出現(xiàn)在距混凝土表面深度約20 mm處，峰值處距鋼筋距離約20 mm，處于電遷路徑中間位置。圖4(a)和圖4(c)中整體氯離子濃度高于圖4(b)，即邊緣區(qū)域及鋼筋之間空白區(qū)域整體氯離子濃度高于鋼筋正下方區(qū)域，說(shuō)明在邊緣區(qū)域及鋼筋之間空白區(qū)域存在氯離子堆積現(xiàn)象，殘余氯離子沿混凝土底面寬度方向呈非均勻分布。由此可見(jiàn)，電化學(xué)除氯后混凝土內(nèi)殘余氯離子空間分布呈現(xiàn)非均勻現(xiàn)象。

2.3 電場(chǎng)分布與氯離子分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系

混凝土試件保護(hù)層內(nèi)鋼筋下方每排電極有4個(gè)電極探針，鋼筋與下方第一個(gè)探針距離10 mm，且每?jī)蓚€(gè)探針間距離為10 mm。由于試件內(nèi)電極左右對(duì)稱布置，取粉區(qū)域I與C下半部分電極空間位置一致，取粉區(qū)域Ⅱ與B下半部分電極空間位置一致，因此，取這兩個(gè)位置進(jìn)行分析。根據(jù)式(1)，繪制電場(chǎng)強(qiáng)度與氯離子分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 電場(chǎng)分布與氯離子分布對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Electric field intensity corresponds to

圖5中:1為距混凝土表面深度10 mm范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度；2為距混凝土表面深度10～20 mm范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度；3為距混凝土表面深度20～30 mm范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度；4為距混凝土表面深度30～40 mm范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。從圖5可以看出，混凝土內(nèi)殘余氯離子分布大致與電場(chǎng)分布呈相反趨勢(shì)。電場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，殘余氯離子濃度低；電場(chǎng)強(qiáng)度小的區(qū)域，殘余氯離子濃度高，電場(chǎng)分布影響混凝土內(nèi)氯離子分布。靠近鋼筋和靠近輔助陽(yáng)極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度較大，混凝土保護(hù)層內(nèi)中間位置電場(chǎng)強(qiáng)度較小，所以，電遷路徑中間位置出現(xiàn)氯離子堆積現(xiàn)象。圖5(a)中Ⅱ區(qū)域整體電場(chǎng)強(qiáng)度較圖5(b)中Ⅰ區(qū)域大，其殘余氯離子濃度也相對(duì)較小，表明電場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，殘余氯離子濃度低。因此，試件鋼筋正下方區(qū)域殘余氯離子濃度整體較試件中間空白區(qū)域和邊緣區(qū)域低，混凝土內(nèi)氯離子在試件底面寬度方向呈現(xiàn)非均勻分布。

3 結(jié)論

采用一種屏蔽式預(yù)埋電極陣列，進(jìn)行了內(nèi)蘊(yùn)氯鹽的鋼筋網(wǎng)布置試件電化學(xué)除氯過(guò)程內(nèi)部電場(chǎng)與氯離子分布特征的探索性試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1)通過(guò)預(yù)埋電極陣列檢測(cè)鋼筋混凝土試件通電過(guò)程中的電勢(shì)空間分布，可穩(wěn)定得到電極陣列預(yù)埋位置處的電勢(shì)梯度，在混凝土保護(hù)層內(nèi)靠近鋼筋和外部輔助陽(yáng)極區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度大，保護(hù)層中間位置電場(chǎng)強(qiáng)度小。

2)混凝土內(nèi)殘余氯離子呈現(xiàn)非均勻分布，證實(shí)了氯離子的非均勻電遷現(xiàn)象,同時(shí)，混凝土內(nèi)電場(chǎng)分布影響內(nèi)部氯離子分布。電場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，氯離子遷出速率高，殘余氯離子濃度小；電場(chǎng)強(qiáng)度小的區(qū)域，氯離子遷出速率低，氯離子存在堆積現(xiàn)象。后續(xù)研究中可利用電場(chǎng)分布特征評(píng)估混凝土內(nèi)部殘余氯離子的分布特征。

3)證實(shí)了氯離子的非均勻電遷現(xiàn)象，研究了混凝土內(nèi)電場(chǎng)與氯離子分布特征以及電場(chǎng)分布對(duì)電化學(xué)除氯的影響，但如何解決氯離子非均勻電遷現(xiàn)象還有待進(jìn)一步深入研究。

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