混凝土电化学除盐技术及其对钢筋混凝土结构与性能的影响

摘要

钢筋锈蚀造成的钢筋混凝土结构破坏和失效一直是影响混凝土结构耐久性的最为主要的因素，特别是在海洋环境、盐碱地、工业环境或使用含氯外加剂、道路除冰盐等自然或人为因素造成的氯离子污染环境中，大量建筑结构发生钢筋锈蚀破坏，对国民经济和社会、人身安全造成不可估量的损失。因此，开展钢筋锈蚀的防治研究，尤其是对服役期间且正遭受氯离子侵害的钢筋混凝土建筑物，采取技术上可行、经济上合理的防锈和修复方法以及针对性地开展钢筋锈蚀防治与修复的新技术、新方法的研究具有重大的社会意义与经济价值。 氯盐导致钢筋锈蚀的机理是：当混凝土中Cl<'->达到一定量(临界浓度)时，钢筋表面的钝化膜被破坏，钢筋开始活化并发生锈蚀膨胀，严重降低钢筋混凝土结构物的安全性和耐久性。因此，如何减少或降低混凝土中氯离子含量，保持钢筋表面的钝化膜是防治钢筋锈蚀的关键。本研究所采用的电化学除盐技术是一种在外部铺设的金属网和钢筋之间施加一个电场驱使混凝土内部氯离子向外迁移排出和使钢筋附近混凝土再碱化，避免钢筋锈蚀的方法。本文在阐明电场作用下混凝土内部离子迁移规律的基础上，利用IC、MIP和SEM等先进测试手段重点考察了电化学除盐技术对钢筋混凝土组成、结构与性能的影响；并对电化学除盐技术在实际工程中应用的配套技术进行了探讨和开发。 在对电化学除盐前后混凝土各部位中Cl<'->、SO<,4><'2->、K<'+>、Na<'+>、Ca<'2+>离子含量的测定基础上，揭示了电流作用下混凝土内部各离子的迁移规律，发现各离子的迁移速率一方面决定于外加电场，另一方面与离子的所带电荷、离子半径大小、离子迁移速率等本征特性有关。通过MIP、SEM、表面吸水率以及库仑量等试验综合分析了电化学除盐前后混凝土的微观结构变化，结果表明：在2A/m<'2>(相对于钢筋面积)下除盐7个星期，混凝土中的氯离子浓度基本可以下降到临界氯离子浓度以下；但钾钠离子会在钢筋附近富集，导致发生碱骨料反应的可能性增大，需根据混凝土中骨料活性和构件的使用环境(湿度等)采取相应的措施；除盐后混凝土孔隙率有增大的趋势，毛细孔连通率增高，混凝土抗渗性能略有降低，对于处于恶劣环境中的结构，需采用其它辅助的防腐措施来提高结构的耐久性，如硅烷浸渍或表面涂层等等。 利用半电池电位法、腐蚀电流以及宏观的钢筋锈蚀面积法等方法跟踪了电化学除盐前后钢筋的锈蚀情况，结果表明：电化学除盐二个月后钢筋电位从-300mV上升为-100mV，腐蚀电流减小，表面锈蚀率从9.1％下降为3.3％，钢筋周围的碱度提高。根据Fe-H<,2>O体系的电位-pH图可以看出电化学除盐可以使铁的稳定状态进入钝化区，随着02通过混凝土逐渐扩散至钢筋表面，钢筋表面能重新形成固态膜，但形成的固态膜是否具有保护性取决于固态膜的致密程度。电化学除盐后钢筋混凝土力学性能测试结果表明，电化学除盐后钢筋混凝土粘结力较除盐前有所下降，且随着电流密度的增大下降幅度迅速增大。本文模拟除盐过程中的电极反应，建立电化学除盐阴极反应模型，研究了通电过程中析氢量与通电量的关系，探讨了其造成的粘结力下降的可能性。除盐前后钢筋自身的应力应变曲线测试结果表明，除盐后钢筋的屈服强度和极限延伸率与除盐前基本一致，没有发现钢筋氢脆现象。 最后，笔者自主开发了一套在线监测电化学除盐过程中的电流、电压和钢筋表面半电池电位的系统。该系统能实时检测电化学除盐时电路中电压、电流，及时反映电路中存在短路和断路等问题，也能计算累计通过回路的电流，以次为依据粗略估计电化学除盐的进度，为电化学除盐技术在实际工程中的应用奠定了一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1钢筋锈蚀的防治

1.1.1钢筋锈蚀的预防

1.1.2锈蚀混凝土结构的修复

1.2电化学除盐的原理

1.2.1电场作用下氯离子的迁移

1.2.2通电过程中的电极反应

1.3国内外电化学除盐技术的研究进展

1.3.1电流参数及混凝土结构参数对电化学除盐效率的影响

1.3.2电化学除盐对钢筋表面状况的影响

1.3.3电化学除盐对混凝土微观结构和性能的影响

1.3.4国内外电化学除盐的工程应用情况

1.4研究中存在的问题

1.5本文的研究内容

第二章电化学除盐对混凝土组成和微观结构的影响

2.1电化学除盐试验

2.1.1原材料

2.1.2试验

2.2试验结果与分析

2.2.1除盐参数对氯离子排除效率的影响

2.2.2电化学除盐过程中混凝土中其它离子的迁移

2.2.3电化学除盐过程中阴阳离子的迁移率

2.3 ECE对混凝土组成和结构影响

2.3.1 ECE对孔结构的影响

2.3.2电流对混凝土抗渗性能的影响

2.3.3 ECE对界面混凝土微观结构的影响

2.4本章小结

第三章电化学除盐对锈蚀钢筋表面电化学状态的影响

3.1测试原理

3.1.1半电池电位法

3.1.2电流阶跃法

3.1.3线性极化法

3.1.4实验室测试装置

3.2除盐前后钢筋混凝土电化学性能测试试验

3.2.1试件制备

3.2.2电化学除盐和电化学性能测试

3.3结果讨论

3.3.1钢筋半电池电位、腐蚀电流随养护龄期的变化

3.3.2除盐后试件钢筋半电池电位、腐蚀电流随时间的变化

3.3.3电化学除盐后钢筋能否恢复钝化

3.4除盐前后钢筋锈蚀情况

3.5本章小结

第四章电化学除盐对钢筋混凝土力学性能的影响

4.1 ECE对钢筋混凝土粘结力的影响

4.1.1电流对钢筋混凝土粘结力影响

4.1.2除盐后粘结力下降的机理探讨

4.2电流对钢筋力学性能的影响

4.3本章小结

第五章电化学除盐及配套技术开发

5.1电化学除盐前的准备

5.1.1检测混凝土中Cl-和Na+、K+的含量

5.1.2钢筋的腐蚀情况和结构受力情况的调查

5.2除盐过程的实施

5.2.1现场的勘查和局部修复

5.2.2除盐系统的安装

5.2.3除盐过程中的监测

5.2.4除盐后的处理

5.3除盐修复后结构耐久性的检测和跟踪

5.3.1混凝土中的碱含量

5.3.2除盐后钢筋电位的变化情况

5.3.3除盐后氯离子再渗透情况的调查

5.4电化学脱盐监测仪及库仑量测试系统的开发

5.4.1监测系统开发背景

5.4.2电路板的设计

5.4.3 PC机测试系统软件设计

5.4.4仪器制作与应用

5.4.5附图

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见