基于雙向電遷移的混凝土耐久性提升技術

隨著科技的進步和時代的發(fā)展，涉海基礎設施的建設規(guī)模越來越大。我國已建成有港珠澳大橋、杭州灣大橋、東海大橋、青島海灣大橋、浙江舟山跨海大橋等世界著名的跨海大通道，同時擁有寧波舟山港、上海港、天津港、廣州港等一批世界級港口，有效支撐了我國社會經(jīng)濟的發(fā)展。這些世界著名的基礎設施在鋼筋混凝土材料出現(xiàn)以前是無法想象的。

圖1 港珠澳大橋

混凝土結(jié)構中的鋼筋和混凝土充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，相互協(xié)同工作，二者不僅有相近的線膨脹系數(shù)，更重要的是混凝土中的氫氧化鈣提供的堿性環(huán)境，在鋼筋表面形成了一層鈍化膜，使鋼筋在使用中不易腐蝕。但是由于使用環(huán)境的復雜多變，尤其是沿海氯鹽侵蝕環(huán)境和北方除冰鹽環(huán)境中的道路、橋梁、碼頭等工程，受到海水和除冰鹽中的氯離子侵蝕，鋼筋腐蝕從而影響混凝土結(jié)構耐久性的問題已經(jīng)成為“頑疾”，而這一問題也成為世界性的難題。

國外學者曾用“五倍定律”形象地描述混凝土結(jié)構耐久性的重要性，即設計階段對鋼筋防護每省1美元，那么就意味著發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時的維修費將追加5美元，混凝土表面順筋開裂時追加維修費25美元，嚴重破壞時追加維修費125美元。據(jù)英國環(huán)保部門2005年的一份報告估計，英國約有36%的鋼筋混凝土結(jié)構因鋼筋銹蝕需要更換鋼筋或重建，而每年的修補費用則高達5.5億英鎊。據(jù)美國ASCE2016年的基建報告顯示：現(xiàn)有的614387座橋梁中已有56007座橋梁由于鋼筋銹蝕嚴重而出現(xiàn)結(jié)構性失效，近期的橋梁維修耗費已高達1230億美元。由此可見，通過技術創(chuàng)新提高建設、維護水平，降低維修管養(yǎng)費用具有非常顯著的社會、經(jīng)濟效益。

圖2 鋼筋銹蝕與投入成本的關系

混凝土耐久性產(chǎn)生的損失遠遠超出了人們的想象，所以該如何解決呢？物理修復如增設防腐涂料、替換混凝土保護層是最早的耐久性修復方法，但是由于其介入時機較晚，成本較高，應用范圍受限，遠不能滿足實際工程需要。于是電化學除氯法被提出應用于混凝土早期劣化的修復，雖然在短期內(nèi)取得較高的除氯效果，但并不能使脫鈍鋼筋恢復鈍化，難以徹底避免“125美元”的高額維修成本。

如何才能花“1美元”就高效解決耐久性提升的問題呢？國內(nèi)外許多學者對此從機理上開展了大量研究，包括早期介入電化學除氯技術、滲透阻銹技術、電遷阻銹技術、雙向電遷移技術等。其中，浙江大學混凝土結(jié)構耐久性研究團隊從1995年開始致力于此方面研究，2008年從全壽命的角度拓展和豐富了混凝土結(jié)構耐久性理論研究，2011年開展混凝土結(jié)構耐久性能提升研究與工程實踐，2016年形成了“基于雙向電遷移的混凝土耐久性提升技術”，突破了電化學技術在預應力混凝土結(jié)構中的應用禁錮。通過揭示電化學修復物理化學過程對離子傳輸?shù)尿?qū)動效應，建立了多離子協(xié)同工作的耦合傳輸模型，發(fā)明了“除氯-阻銹-裂縫修補-納米增強”的雙向電遷移技術，析氫臨界電流密度提升5倍，氯離子排出效率提高60%，阻銹效果提升2～7倍，混凝土保護層電阻提高2～3倍，實現(xiàn)了一次雙向電遷移作用提升混凝土使用壽命延長約20年。

圖3 雙向電遷移技術原理

雙向電遷移技術被鑒定為“里程碑式的成果，具有開拓性影響，達到國際領先水平”，是我國腐蝕環(huán)境下基礎設施長壽命保障的重要利器。

圖4 雙向電遷移技術的應用現(xiàn)場