電化學(xué)再堿化技術(shù)在近現(xiàn)代建筑修復(fù)中的應(yīng)用
——以寧波茅山中學(xué)為例

邢 軍,童蕓蕓,葉 良

(1.浙江華展工程設(shè)計有限公司,浙江 寧波 315100；2.浙江科技學(xué)院,浙江 杭州 310023)

1 電化學(xué)再堿化修復(fù)技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)是材料替換,而電化學(xué)再堿化技術(shù)始于20世紀70年代末,作為一項新興技術(shù),已經(jīng)在美國和歐洲有越來越廣泛的應(yīng)用[1]。國內(nèi)近十幾年來也有一些再堿化技術(shù)的研究,屈文俊和蔣正武等[2-4]都通過實驗證明了電化學(xué)再堿化技術(shù)在修復(fù)碳化混凝土結(jié)構(gòu)上的有效性,并且對該技術(shù)有可能引起的副作用作了進一步的研究。碳化混凝土再堿化是由陰極鋼筋處電化學(xué)反應(yīng)所致?；炷林?在電位的作用下,陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-由鋼筋向混凝土表面遷移,陽離子(Na+,K+和Ca2+)由陽極向陰極遷移。陰極鋼筋處產(chǎn)生的OH-除遷移一部分外,還有一部分OH-滯留在鋼筋周圍的混凝土,使得鋼筋周圍碳化混凝土pH值升高,達到再堿化的目的[5]。

鋼筋腐蝕是一個電化學(xué)過程,電化學(xué)再堿化處理理論上是一種貼切的、有效的修復(fù)方法。同時,再堿化技術(shù)修復(fù)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)濟效益和社會效益,特別適用于大面積碳化混凝土結(jié)構(gòu)或需要保護的歷史文物的修復(fù)。再堿化技術(shù)的工程應(yīng)用研究有助于解決浙江省鋼筋混凝土類歷史建筑文物建筑的碳化腐蝕破壞問題,提高浙江省文化遺產(chǎn)保護水平,推動文化遺產(chǎn)保護和可持續(xù)發(fā)展,具有極其重要的意義。

目前,電化學(xué)再堿化技術(shù)在國外已經(jīng)有大量工程應(yīng)用經(jīng)驗,但國內(nèi)還沒有大面積推廣。因此,開展茅山中學(xué)再堿化修復(fù)工程為累積相應(yīng)的工程經(jīng)驗起著極為重要的作用。

2 工程概況

縣立鄉(xiāng)村簡易師范學(xué)校(現(xiàn)名茅山中學(xué))是寧波市鄞州區(qū)區(qū)級文物保護點(圖 1),位于寧波市鄞州區(qū)姜山鎮(zhèn)茅山村。茅山中學(xué)辦公樓建于20世紀早期,是一座歐式2層小樓,系鄞州現(xiàn)存的最早教育用房,也是創(chuàng)辦于1931年的鄞縣鄉(xiāng)村師范學(xué)校舊址。解放后,于1951年8月建立鄞縣初級師范,1956年創(chuàng)辦初中,定名為鄞縣第六初級中學(xué)。1961年又更名為茅山中學(xué),沿用至今。自創(chuàng)辦后至今的八十幾年間,該辦公樓的房屋建筑結(jié)構(gòu)存在一定的老化現(xiàn)象。2011年7月和2015年8月,上海房屋質(zhì)量檢測站和浙江中浩應(yīng)用工程技術(shù)研究院有限公司先后兩次對上述房屋進行安全檢測。經(jīng)完損檢測,房屋建筑結(jié)構(gòu)老化,主要存在混凝土構(gòu)件碳化、部分混凝土構(gòu)件表面酥松、剝落、鋼筋銹蝕；墻體松散、酥堿、開裂,砂漿流失；樓屋面下垂,板面角部裂縫；屋面欄桿破損、晃動；走廊欄板剝落破損；屋面及外墻嚴重滲漏水；地面起伏不平,走廊經(jīng)根系而局部隆起破壞；內(nèi)粉刷多處霉變脫落；門窗槽朽、損壞等現(xiàn)象。本次實施再堿化的對象為：茅山中學(xué)1層和2層外廊處共16根高4 000 mm和16根高3 600 mm,截面尺寸均為250 mm×300 mm的柱子；28根長4 000 mm和2根長5 050 mm,截面尺寸均為270 mm×480 mm的橫梁。

圖1 寧波市鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡易師范學(xué)校

3 病害檢測與分析

3.1 混凝土檢測

現(xiàn)場對外廊柱和梁的碳化深度進行抽樣取芯檢測,并用酚酞試劑對其進行顯色反應(yīng),若呈紅色則沒碳化,若不顯色則發(fā)生碳化。碳化深度結(jié)果顯示,碳化深度大于60 mm,已遠超過保護層厚度,混凝土碳化比較嚴重。

混凝土抗壓強度檢測：為確定混凝土的抗壓強度,采用α-5000cn型數(shù)字回彈儀,根據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 23—2011)》進行混凝土強度現(xiàn)場抽樣檢測。檢測結(jié)果表明：混凝土抗壓強度推定值介于19.1～25.6 MPa。

3.2 鋼筋銹蝕程度檢測

本次使用Canin鋼筋腐蝕檢測儀被用于現(xiàn)場外廊柱和梁的鋼筋銹蝕程度抽樣檢測。 Canin鋼筋腐蝕檢測儀采用硫酸銅參比電極,其相對標準氫電極(SHE)的開路電位是316 mV。根據(jù)ASTM C876-91經(jīng)驗值,由鋼筋的電勢電位大小可初步判定鋼筋的腐蝕概率,見表1。測得的鋼筋電位負值越大,鋼筋的腐蝕概率越大,腐蝕程度也越大。經(jīng)檢測,外廊柱和梁內(nèi)鋼筋的腐蝕情況參差不齊,鋼筋腐蝕電位在-100～-700 mV之間,部分混凝土構(gòu)件內(nèi)鋼筋的腐蝕情況不太嚴重,部分非常嚴重,但是大部分鋼筋腐蝕電位在-250～-350 mV,腐蝕情況比較嚴重。

表1 鋼筋自然腐蝕電位與腐蝕概率的關(guān)系

4 電化學(xué)再堿化修復(fù)施工

鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡易師范學(xué)校電化學(xué)再堿化修復(fù)處理于2016年8月8日開始,預(yù)期施工工期為70 d,實際施工過程中,項目組通過新增材料設(shè)備和施工人員的方式,將工期縮短為40 d。施工的對象為1層16根外廊柱,截面尺寸為250 mm×300 mm,高4.0 m；2層16根外廊柱,截面尺寸為250 mm×300 mm,高3.6 m；1層14根長4.0 m外廊梁,1根長5.05 m外廊梁(東區(qū)和西區(qū)連接梁),截面尺寸為270 mm×480 mm。施工的主要過程包括：施工前材料及設(shè)備購買，工地開工準備，構(gòu)件施工前準備處理，鋼絲網(wǎng)剪割，配置堿性電解質(zhì)液和紙漿，包裹再堿化處理裝置，通電，定時記錄數(shù)據(jù)，按需澆淋電解質(zhì)液，拆除再堿化處理裝置和清洗鋼筋混凝土表面。

4.1 構(gòu)件處理

施工前,清理所有鋼筋混凝土構(gòu)件的表面,探測鋼筋位置,每根柱子的下端和梁四分之一跨處利用沖擊鉆鑿開混凝土保護層,直至鋼筋外露,目的是用于鋼筋腐蝕電位測試和再堿化修復(fù)施工連接直流穩(wěn)壓電源。每根柱和梁保證有一根鋼筋外露。見圖2。

4.2 鋼絲網(wǎng)剪割

準備好待修復(fù)的柱和梁構(gòu)件后,根據(jù)柱和梁的實際尺寸(實際上構(gòu)件尺寸與理論標準值可能有輕微的偏差),切割相應(yīng)尺寸的鋼絲網(wǎng),要求鋼絲網(wǎng)能夠緊致地包裹柱或梁構(gòu)件,并留有一定的便于貼敷電解質(zhì)紙漿的空間。見圖3。

4.3 配置堿性電解質(zhì)液和紙漿

配置足夠濃度的堿性碳酸鉀溶液,并利用紙漿充分吸收電解質(zhì)溶液,直至得到厚實均勻的電解質(zhì)紙漿。見圖4。

圖3 鋼絲網(wǎng)剪割 圖4 電解質(zhì)紙漿攪拌

4.4 包裹再堿化處理裝置

電化學(xué)再堿化裝置鋪設(shè)包括三個步驟：首先在柱和梁表面均勻地貼敷20 mm厚度的電解質(zhì)紙漿,然后在柱和梁構(gòu)件表面綁扎鋼絲網(wǎng),最后在鋼絲網(wǎng)表面再貼敷一層20 mm厚度的電解質(zhì)紙漿。柱頭花式部分不包裹電解質(zhì)紙漿。整個過程需要細心檢查電解質(zhì)紙漿及鋼絲網(wǎng)的緊密性,以保證電化學(xué)裝置完全包裹待處理鋼筋混凝土構(gòu)件。見圖5。

圖5 再堿化處理裝置鋪設(shè)

4.5 通電

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：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,處理的時間相為200 A·h/1A= 200 h,即每根柱和梁的修復(fù)時間為8.5 d左右。現(xiàn)場技術(shù)人員依據(jù)實際電化學(xué)裝置覆蓋鋼筋表面積尺寸,計算每根梁和柱的直流電大小,鋼絲網(wǎng)連接電源正極,鋼筋連接電源負極,確保電線的正確連接后,通電。通電后關(guān)注每根柱和梁所通的直流電是否保持設(shè)計值不變,并記錄電壓值。一般來說,混凝土的濕潤性越好,電阻越小,電壓值就越小。

4.6 施工后養(yǎng)護與數(shù)據(jù)采集

整個施工過程中,每天一次記錄各個構(gòu)件的電流值和電壓值,以確保通電正常,整個修復(fù)過程完全遵循施工設(shè)計值。同時,由于夏天溫度高,電解質(zhì)液揮發(fā)快,施工現(xiàn)場安排施工人員按需澆淋電解質(zhì)液,保證再堿化處理電化學(xué)系統(tǒng)的正常運行,電解質(zhì)液充分滲入鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土保護層。

4.7 構(gòu)件表面清理

每根鋼筋混凝土構(gòu)件經(jīng)歷8.5 d的修復(fù)處理后,施工人員拆除電化學(xué)裝置。作為陽極的鋼絲網(wǎng)銹蝕明顯。再堿化裝置拆除后,混凝土表面還有部分白色紙漿,現(xiàn)場施工人員用自來水清洗構(gòu)件混凝土表面,混凝土表面沒有因為再堿化處理而發(fā)生顏色的改變。見圖6。

圖6 構(gòu)件表面清理

5 修復(fù)效果與分析

現(xiàn)場應(yīng)用Canin+鋼筋銹蝕儀在再堿化處理前和處理后5個月隨機抽取部分外廊柱梁構(gòu)件, 在每個上各選取一根鋼筋,每100 mm取一個點,每個點位測5次腐蝕電位,最后取平均值(表2)。再堿化處理前,混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕電位普遍在-250 mV以上,有的甚至達到近-700 mV,腐蝕情況比較嚴重。電化學(xué)再堿化修復(fù)后,鋼筋的腐蝕電位有了明顯的提升,提升的幅度從20 mV到540 mV,修復(fù)前鋼筋的腐蝕情況越嚴重,修復(fù)效果越顯著,比如梁2-1,從修復(fù)前的-694 mV提升到-157 mV,鋼筋的腐蝕概率由很大降為比較小。由此可見,再堿化處理可以有效地提高鋼筋的腐蝕電位,處理前腐蝕情況嚴重的鋼筋,再堿化處理的修復(fù)效果更顯著。

6 結(jié) 語

電化學(xué)再堿化技術(shù)在我國還處于實驗室研究階段,本工程開展了再堿化技術(shù)的局部施工工程應(yīng)用,以寧波市鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡易師范學(xué)校外廊柱和梁為修復(fù)對象,依據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范對該欄桿進行外加電源式的再堿化修復(fù)處理,并在修復(fù)完成5個月后對再堿化效果進行跟蹤測試與分析評估。結(jié)果表明：

表2 外廊柱、梁再堿化修復(fù)前后鋼筋腐蝕電位

1)電化學(xué)再堿化處理可以有效地提高構(gòu)件碳化混凝土的堿性。

2)電化學(xué)再堿化處理后,混凝土內(nèi)的鋼筋的腐蝕電位有明顯的提升,鋼筋的腐蝕概率明顯減小,腐蝕活性降低,并且處理前鋼筋腐蝕情況越嚴重,再堿化處理的修復(fù)效果越顯著。

3)電化學(xué)再堿化處理沒有改變構(gòu)件表面顏色,也沒有對混凝土產(chǎn)生明顯的副作用。

該項目再堿化技術(shù)局部施工的順利進行為該技術(shù)從科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ),該技術(shù)對結(jié)構(gòu)本體無損傷性,環(huán)境友好,較傳統(tǒng)的材料填充技術(shù),有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益,特別適用于需要保護的歷史文物建筑。項目組會將再堿化技術(shù)擴展到整體施工,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)用提供試驗依據(jù)和工程指南。