電化學(xué)除鹽技術(shù)及其相關(guān)問題的研究

氯鹽污染鋼筋混凝土的電化學(xué)修復(fù)技術(shù)及其相關(guān)問題的研究匯報(bào)內(nèi)容研究背景電化學(xué)修復(fù)技術(shù)的原理電化學(xué)修復(fù)的試驗(yàn)過程試驗(yàn)結(jié)果與討論結(jié)論1.研究背景鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕也正成為導(dǎo)致我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要原因之一。1981年調(diào)查的華南地區(qū)18座海港、碼頭中，因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的占89%，根本完好的只有兩座。55％20％10％6％中國，1999年鋼筋銹蝕損失不到3,600億元，2004年增加到5,000億元，占GDP的3％左右，僅鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)的損失達(dá)1000億元。凍融破壞侵蝕介質(zhì)作用混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)〔補(bǔ)〕何謂修補(bǔ)？

何時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)處理？修補(bǔ)的水平？100構(gòu)造物的性能要求性能水平建設(shè)時(shí)修補(bǔ)時(shí)再修補(bǔ)時(shí)時(shí)間鋼筋銹蝕方面的研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)

鋼筋銹蝕機(jī)理的研究(2)鋼筋銹蝕速率及其影響因素的研究(3)關(guān)于混凝土中氯鹽含量的限定(4)鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)平安性與耐久性的影響(5)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞程度及其危害的診斷與界定(6)鋼筋的銹蝕防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)

研究發(fā)展動(dòng)態(tài)混凝土外表涂層鋼筋阻銹劑特種鋼筋陰極保護(hù)混凝土再堿化法電化學(xué)除鹽電化學(xué)除鹽修復(fù)法在國外很多工程已得到應(yīng)用，但對(duì)電流作用下混凝土中的離子遷移，混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋的電化學(xué)性能，以及鋼筋混凝土間的粘結(jié)力等等還缺乏系統(tǒng)的研究；基于上述原因，我們實(shí)驗(yàn)室針對(duì)存在的問題進(jìn)行了研究，力求從原理出發(fā)探討產(chǎn)生副作用的原因以及減少副作用的有效方法，以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)除鹽修復(fù)法的優(yōu)勢(shì)最大化。2.電化學(xué)除鹽修復(fù)法的原理試驗(yàn)室電化學(xué)除鹽模型鋼筋混凝土

電解質(zhì)載體銅網(wǎng)電化學(xué)脫鹽原理示意圖電解質(zhì)溶液電極（鈦合金網(wǎng)）外部電源混凝土鋼筋Na＋OH－H2OCl－H2Cu-2e-=Cu2+4OH--4e-=O2+2H2O2Cl--2e-=Cl2O2+2H2O+4e-=4OH-2H2O+4e-=2OH-+H2OClClClClClCle-ClClClClClGravele-e-Replay電源金屬網(wǎng)(陽極)混凝土鋼筋(陰極)電解質(zhì)載體〔土工布〕電流方向除鹽過程中試件內(nèi)部的反響過程e-3.本研究的主要內(nèi)容〔1〕電化學(xué)除鹽的效率〔2〕除鹽后各種離子的分布〔3〕除鹽后混凝土孔徑的變化〔4〕除鹽后鋼筋電化學(xué)性能的變化〔5〕除鹽后鋼筋混凝土間粘結(jié)力的變化原材料攪拌成型離子濃度測(cè)試MIPCl-每?jī)商旄鼡Q一次電解質(zhì)溶液，更換時(shí)取樣分析其中的氯離子濃度Cl-通電除鹽22天ClClClClCl試驗(yàn)過程鋼筋與混凝土間粘結(jié)力測(cè)試鋼筋電化學(xué)性能的測(cè)試養(yǎng)護(hù)28天混凝土配合比〔kg/m3〕編號(hào)水灰比砂率水泥水砂石FDNNaCl10.520.38360187.26601086.8—7.220.520.38360187.26601086.8—10.830.520.38360187.26601086.8—14.440.450.3639017666711871.957.250.450.3639017666711871.9510.860.450.3639017666711871.9514.470.350.3642014766711863.367.280.350.3642014766711863.3610.890.350.3642014766711863.3614.4電化學(xué)除鹽參數(shù)電化學(xué)除鹽試驗(yàn)參數(shù)試件編號(hào)123456789電流密度（A/m2）312123231電解質(zhì)溶液IIIIIIIIIIIIIIIIIII：蒸餾水Ⅱ：飽和Ca(OH)2溶液III：混合溶液：飽和Ca(OH)2溶液＋0.001mol/LLi2B4O7溶液35.5mm7.1mm21.3mm內(nèi)層鋼筋孔外層離子濃度分析的樣品制備鋼筋銹蝕的電化學(xué)測(cè)試方法半電池電位和鋼筋腐蝕電流的測(cè)試上層

中層

下層工作電極(鋼筋)混凝土輔助電極CS3000電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)參比電極1.CS3000電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量某個(gè)部位鋼筋的自腐蝕電位和腐蝕電流，其示意圖如下圖2.由于除鹽前的電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)沿鋼筋軸向各個(gè)部位鋼筋電化學(xué)性能差異很大，因此本試驗(yàn)中分3層來測(cè)量不同電流密度下除鹽時(shí)每?jī)商炫懦龅穆入x子量大局部Cl-都是在第一階段〔大約兩個(gè)星期〕被排出第二階段，混凝土中Cl-排出速度主要取決于結(jié)合態(tài)Cl-的分解速度排出氯離子量〔mol〕4.1電流作用下混凝土中離子的遷移4.試驗(yàn)結(jié)果〔2〕通電量對(duì)剩余氯離子濃度的影響通電量對(duì)混凝土中剩余氯離子量的影響1.通電量越大，混凝土中剩余氯離子量越少。鋼筋附近混凝土中的氯離子含量由除鹽前占混凝土質(zhì)量0.27%降至0.03%以下2.混凝土中的氯離子由鋼筋向外濃度逐漸增大，形成明顯的梯度。剩余氯離子量(占混凝土質(zhì)量的百分比)離鋼筋的距離(mm)35.5mm7.1mm21.3mmGB50010–2002規(guī)定：在室內(nèi)潮濕環(huán)境中引起鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度≤0.7‰(占混凝土質(zhì)量比)混凝土中各種離子的含量（占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）離子ECE之前ECE之后0～1.5cm1.5～3cm3～4.5cmFreeCl-0.2570.1300.1620.138SO42-0.3610.2480.2360.274Na+0.1600.2090.1250.073K+0.0840.1220.0730.058Ca2+1.4091.2531.1371.066〔3〕除鹽后各種離子在混凝土中的分布鋼筋附近的當(dāng)量堿含量RNa2O=9.12kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許多國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的堿最高含量3kg/m3。在采用有堿活性骨料或堿活性不明的骨料時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意由電化學(xué)除鹽過程導(dǎo)致的混凝土中局部堿含量偏高而可能產(chǎn)生的堿骨料反響破壞問題。在應(yīng)用電化學(xué)除鹽之前，應(yīng)分析混凝土中的總堿含量及骨料的活性，以減少可能產(chǎn)生的堿骨料反響危害。4.2電流對(duì)混凝土中孔結(jié)構(gòu)的影響內(nèi)層:<30nm的增加；>30nm的減少；總孔隙率增加外層:<30nm的無明顯變化；>60nm的稍稍增加；總孔隙率增加↑以蒸餾水為電解質(zhì)溶液除鹽后混凝土的孔徑分布7-10300-100020-3030-6060-100100-30010-20Porediameter(nm)〔1〕電解質(zhì)為蒸餾水時(shí)以CH溶液為電解質(zhì)時(shí)孔徑(nm)7-10300-100020-3030-6060-100100-30010-20以CH+Li混合溶液為電解質(zhì)時(shí)孔徑(nm)7-10300-100020-3030-6060-100100-30010-20內(nèi)層，<30nm的增加；>30nm的減少；總孔隙率增加外層，<60nm的無明顯變化；>60nm的稍稍減少，總孔隙率減少↓〔2〕電解質(zhì)為CH溶液或混合溶液〔CH+Li〕時(shí)〔3〕電化學(xué)除鹽對(duì)孔隙率的影響外層樣品內(nèi)層樣品基準(zhǔn)樣1101001000孔直徑(nm)CH電解質(zhì)溶液除鹽后試件內(nèi)層和外層的孔隙率壓入汞的體積(cc/g)除鹽前后鋼筋電位隨時(shí)間的變化齡期〔天〕鋼筋電位(mV)除鹽前除鹽中除鹽后

(1)除鹽前后鋼筋電位的變化4.3除鹽前后鋼筋電化學(xué)性能的變化1.除鹽結(jié)束的當(dāng)天，鋼筋電位降至-1000mV，可能會(huì)誘發(fā)堿腐蝕；2.通電結(jié)束后，鋼筋電位需要60天左右才能恢復(fù)至-200mV以上，在恢復(fù)過程中，上中下層之間存在一個(gè)電位差，可能會(huì)導(dǎo)致除鹽之后的二次腐蝕。

(2)除鹽前后鋼筋腐蝕電流的變化BeforeECEECEAfterECEBeforeECEECEAfterECEFig7HCPofspecimenBbeforeandafterECEFig8CorrosionrateofspecimenBbeforeandafterECE圖7試件A除鹽前后的電位圖8試件B除鹽前后的腐蝕電流Age（Days）Age（Days）HCP(mV)Corrosionrate(A/cm2)Fig5HCPofspecimenAbeforeandafterECEFig6CorrosionrateofspecimenAbeforeandafterECE齡期（Days）齡期（天）HCP(mV)Corrosionrate(A/cm2)BeforeECEECEAfterECEBeforeECEECEAfterECE

(2)除鹽前后鋼筋腐蝕電流的變化1.ECE結(jié)束當(dāng)天鋼筋的腐蝕電流較除鹽前明顯增大，隨后逐漸降低；2.在此之后，上下層電位差加大，腐蝕電流也隨之增大。除鹽結(jié)束后60天左右，各層的電位差逐漸減小，以及除鹽后鋼筋附近相對(duì)較高的堿度和較低的氯離子濃度給鈍化膜的重新形成創(chuàng)造了條件，鋼筋逐漸恢復(fù)鈍化，腐蝕電流減小。圖11除鹽前后鋼筋的銹蝕情況未除鹽鋼筋以及表面銹蝕率除鹽后的鋼筋以及銹蝕率上層中層下層(3)除鹽前后鋼筋的外表銹蝕率1.未除鹽試件中鋼筋外表銹蝕率為9.1%，而已除鹽試件的僅為3.3％，約降低了2/3。2.上層銹蝕率明顯大于下層，可能是由于上下層密實(shí)程度不同導(dǎo)致了上下層鋼筋腐蝕所需要的氧氣的供給速度不同。4.4電流對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)力的影響〔1〕初始鹽摻量與粘結(jié)力下降的關(guān)系初始NaCl摻量〔占水泥質(zhì)量的百分比〕粘結(jié)力損失比率電流密度為2A/m2〔鋼筋面積〕和通電量為2350A·h/m2時(shí)，鹽摻量對(duì)粘結(jié)力損失的影響〔2〕除鹽電流密度與粘結(jié)力下降的關(guān)系除鹽電流密度〔A/m2鋼筋面積〕90％80％70％60％50％40％30％20％粘結(jié)力損失比率通電量為2000A·h/m2〔鋼筋面積〕時(shí)，電流密度對(duì)粘結(jié)力損失的影響電流密度增大會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)力損失量的迅速上升，除鹽時(shí)必須嚴(yán)格控制。〔3〕通電量與粘結(jié)力下降的關(guān)系80％70％60％50％40％30％20％除鹽通電量〔A·h/m2鋼筋面積〕粘結(jié)力損失比率圖中顯示了電流密度為2A/m2〔鋼筋面積〕時(shí)通電量對(duì)粘結(jié)力損失的影響1.電解產(chǎn)生氫氣；√2.水化產(chǎn)物的軟化和界面水化產(chǎn)物的變化；√3.銹蝕產(chǎn)物的溶解，體積縮小；√4.界面含水量的變化，界面摩擦力減小〔可恢復(fù)性〕5.堿骨料膨脹〔與骨料活性有關(guān)〕5.結(jié)論(1)通電量越大，混凝土中剩余氯離子量越少。鋼筋附近混凝土中的Cl-含量由除鹽前占混凝土質(zhì)量0.27%降至0.03%以下。(2)除鹽后鋼筋附近的混凝土中當(dāng)量堿含量到達(dá)RNa2O=9.12kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許多國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的堿最高含量3kg/m3。在采用有堿活性骨料或堿活性不明的骨料時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意由電化學(xué)除鹽過程導(dǎo)致的混凝土中局部堿含量偏高而可能產(chǎn)生的堿骨料反響破