针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的电化学修复方法

摘要

本发明提供一种针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法，包括：监测混凝土试件的骨料活性及氯离子含量，评定不同混凝土试件的劣化程度；基于所评定的混凝土试件劣化程度，确定最佳电化学修复技术参数；技术参数包括电解液浓度、电流密度、通电时间；采用锂化物溶液作为电解液，并采用最佳电化学修复技术参数，对混凝土试件进行电化学修复，达到在除氯的同时抑制既有结构固有的碱骨料反应及由于钢筋表面电化学反应引起的碱性提高而诱发的碱骨料反应。本发明可以根据不同环境下不同劣化程度的混凝土试件，设定最佳修复参数组，提高修复效率，从而达到有效防治碱骨料损伤和钢筋锈蚀的双重目的。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土结构电化学耐久性修复领域，具体地，涉及一种针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法。

背景技术

氯盐侵蚀和碱骨料反应(又称碱-硅反应、碱集料反应)是造成结构耐久性下降的重要原因。氯盐侵蚀会诱发钢筋锈蚀，且腐蚀过程中水泥基体释放出的氢氧根还会引起或加剧碱骨料反应，造成既有结构的耐久性损伤；而碱骨料凝胶膨胀破坏时产生的微裂纹不仅会影响混凝土的力学性能，还会加剧氯离子、硫酸根离子等有害介质的侵蚀，从而进一步加剧服役结构的过早破坏。两者所造成的经济损失一般可达各国国民经济总产值的2％～10％。因此，如何解决这两个问题带来的混凝土耐久性劣化已经成为一个亟待解决的世界性问题。

经检索发现，申请号为CN201210127351.X的中国专利，公开了一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，将阻锈剂注入到电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，在混凝土表面铺设不锈钢网作为阳极，阳极浸入到含有阻锈剂的电解液中，在阳极与阴极间施加直流电源，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m

申请号为CN201611199386.9的中国专利公开了一种提升电化学修复混凝土效率的装置及方法，该装置包括设置在阴极处的第一温度传感器，与第一温度传感器相连的显示器，以及温度控制器；浸入电解液中的搅拌器、电阻丝以及第二温度传感器，电阻丝的一端与搅拌器的一端相连，电阻丝的另一端和搅拌器的另一端以及第二温度传感器均与温度控制器相连。但是该专利存在以下问题：仅仅针对由于氯盐侵蚀所造成的混凝土结构耐久性问题，不涉及对可能诱发碱骨料反应或者混凝土构件中固有的碱骨料反应的治理；且无法针对不同氯盐侵蚀及骨料活性程度的混凝土构件调整电化学修复参数。

申请号为CN201210004797.3的中国专利，公开了一种可抑制碱硅酸反应的混凝土掺和料，各组分质量比为：高玻璃体含量的球状超细无机工业废料20～90，晶态氢氧化铝0～60，高无定形SiO2含量的无机工业废料硅10～70。掺和量为胶凝材料总质量的10％～30％。高玻璃体含量的球状超细无机工业废料中的玻璃体含量≥95％，粒度特征参数D50≤1.0μm，采用公式计算的理化因子Ipc≥1.20×107。晶态氢氧化铝为工业级，Al2O3含量≥63.5％，细度为180目～6000目。高无定形SiO2含量的无机工业废料硅灰中的SiO2含量≥85％。但该专利存在以下问题：通过在工程建造前期添加混凝土掺合料的方式只能预防碱骨料反应的发生，无法治理已经发生碱骨料反应的既有结构。而且已有研究表明可以通过电化学技术将锂离子迁入混凝土来抑制既有结构中的碱骨料反应。

根据申请人对现有技术的检索发现，现有的电化学修复方法都集中在提高除氯效率、抑制钢筋锈蚀上，而并未提出或者考虑电化学除氯过程中由于内部钢筋区域碱性、温度大幅度提高而可能造成的碱骨料反应；同时现有技术主要通过建造前期添加外加剂的方式预防混凝土的碱骨料损伤，而未提出既有结构中固有的碱骨料损伤的解决的方案。

因此，为了提高混凝土结构耐久性，延长混凝土结构的服役年限，需要开发一种在解决电化学修复可能诱发的碱骨料反应及既有结构中固有的碱骨料损伤的同时移除混凝土内部有害离子的方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法。

根据本发明的目的，提供一种针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法，包括：

监测混凝土试件的骨料活性及氯离子含量，评定不同混凝土试件的劣化程度；

基于所评定的混凝土试件劣化程度，确定最佳电化学修复技术参数；所述技术参数包括电解液种类及浓度、电流密度、通电时间；

采用锂化物溶液作为电解液，并采用最佳电化学修复技术参数，对所述混凝土试件进行电化学修复，达到在除氯的同时抑制既有结构固有的碱骨料反应及由于钢筋表面电化学反应引起的碱性提高而诱发的碱骨料反应。

优选地，所述监测混凝土试件的骨料活性及氯离子含量，评定不同混凝土试件的劣化程度包括：

通过快速砂浆棒法测定混凝土保护层骨料活性；当14天试件膨胀率低于0.10％时，混凝土试件劣化程度为A1；当14天试件膨胀率在0.1％～0.20％之间时，混凝土试件劣化程度为A2；当14天试件膨胀率高于0.20％时，混凝土试件劣化程度为A3；

通过氯离子快速测定方法测定混凝土保护层中氯离子含量；当氯离子浓度低于100mol/m

优选地，所述确定最佳电化学修复技术参数包括：

当所述混凝土试件骨料活性较高且氯离子含量较低时，即混凝土试件的劣化程度为A3B1时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度高于1500mol/m

当所述混凝土试件骨料活性较低且氯离子含量较低高时，即混凝土试件的劣化程度为A1B3时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度低于500mol/m

当所述混凝土试件骨料活性及氯离子含量均较高时，即混凝土试件的劣化程度为A3B3时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度在800mol/m

当所述混凝土试件骨料活性及氯离子含量均较低时，即混凝土试件的劣化程度为A1B1时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度低于500mol/m

当所述混凝土试件骨料活性及氯离子含量为A1B2,A2B1,A2B2,A2B3，A3B2时，最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度在500mol/m

优选地，对所述混凝土试件进行电化学修复，其中

在所述混凝土试件的侧表面铺设金属网，将所述金属网置于锂化物溶液中，作为阳极与直流电源正极相连，将所述混凝土试件内部的钢筋作为阴极与直流电源负极相连。

优选地，在所述对混凝土试件进行电化学修复之后还包括：在所述混凝土试件中钢筋附近区域设置应变片，持续监测该敏感区域裂缝开展情况，实时确定修复效果，以便确定是否需要进行二次修复。

优选地，所述锂化物溶液的种类包括LiOH、Li

近年来，发现锂盐能够通过改变碱骨料反应进程及产物特性来抑制碱骨料凝胶的膨胀。因此，一系列将锂盐渗入混凝土的方法，如真空浸渍、喷涂和电化学技术等，开始运用在对既有结构的碱骨料损伤的抑制上。研究表明电化学迁入锂离子抑制碱骨料的效果最佳。因此，基于现有的电化学除氯方法，提供一种针对能够同时防治钢筋锈蚀和碱骨料反应的电化学修复方法。通过外加电场的方式，加速锂离子向混凝土内部的迁移速率，同时将诸如氯离子、硫酸根离子等有害离子移除，从而达到防治碱骨料损伤和钢筋锈蚀的双重目的，这对提高混凝土结构耐久性，延长混凝土结构的服役年限有重大意义。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述方法，操作简便，能无损、高效地将锂离子在短时间内迁入混凝土内部，从而抑制既有混凝土结构中碱骨料反应及电化学过程中可能诱发的碱骨料反应，进而预防碱骨料反应造成的微裂缝的开展；同时可以将混凝土内部可能存在的有害离子，如氯离子、硫酸根离子移除，从而防止混凝土内部的钢筋锈蚀，达到防止碱骨料损伤和钢筋锈蚀的双重目的，提高混凝土结构耐久性，延长混凝土结构的服役年限。

本发明上述方法，通过监测混凝土试件的骨料活性及氯离子含量，能针对混凝土不同污染程度调整锂化合物溶液的浓度及种类，最大化锂离子的渗入率及氯离子、硫酸根离子等有害离子的移除率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法的状态示意图；

图2是本发明一优选实施例的电化学修复后混凝土试件内锂离子的浓度分布；

图3是本发明一优选实施例的电化学修复后混凝土试件内氯离子的浓度分布；

图4是本发明一优选实施例的电化学修复后混凝土试件内Li

图5是本发明一优选实施例的A、B、C、D四组混凝土试件内锂离子的浓度分布；

图6是本发明一优选实施例的A、B、C、D四组混凝土试件内氯离子的浓度分布；

图中标记分别表示为：1为混凝土试件、2为金属网、3为钢筋、4为电解液、5为直流电源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法的状态示意图，该修复方法包括以下步骤：

S1:监测混凝土试件1的骨料活性及氯离子含量，评定不同混凝土试件1的劣化程度。

S2:基于所评定的混凝土试件1劣化程度，确定最佳电化学修复技术参数；技术参数包括电解液浓度、电流密度、通电时间。

S3:采用锂化物溶液作为电解液4，并采用最佳电化学修复技术参数，对混凝土试件1进行电化学修复，达到在除氯的同时抑制既有结构固有的碱骨料反应及由于钢筋3表面电化学反应引起的碱性提高而诱发的碱骨料反应的效果。

在其他实施例中，上述S1监测混凝土试件的骨料活性及氯离子含量，评定不同混凝土试件的劣化程度包括：通过钻孔取样检测骨料活性及氯离子含量。

通过快速砂浆棒法测定混凝土保护层骨料活性；当14天混凝土试件膨胀率低于0.10％时，混凝土试件劣化程度为A1；当14天混凝土试件膨胀率在0.1％～0.20％之间时，混凝土试件劣化程度为A2；当14天混凝土试件膨胀率高于0.20％时，混凝土试件劣化程度为A3；

通过氯离子快速测定方法测定混凝土保护层中氯离子含量；当氯离子浓度低于100mol/m

上述实施例在具体实施时可以采用以下步骤：通过钻孔取样的方法从待修复混凝土结构上获取设定直径，高度为混凝土保护层厚度的混凝土柱，作为混凝土试件，混凝土柱的设定直径可以为45mm-60mm。对混凝土试件通过快速砂浆棒法测定混凝土保护层中骨料活性。对混凝土试件通过氯离子快速测定方法测定混凝土保护层中氯离子的含量。移除混凝土试件已经发生严重碱骨料膨胀裂缝的区域。

在其他实施例中，上述S2中确定最佳电化学修复技术参数包括：

当混凝土试件骨料活性较高且氯离子含量较低时，即混凝土试件的劣化程度为A3B1时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度高于1500mol/m

当混凝土试件骨料活性较低且氯离子含量较低高时，即混凝土试件的劣化程度为A1B3时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度低于500mol/m

当混凝土试件骨料活性及氯离子含量均较高时，即混凝土试件的劣化程度为A3B3时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度在800mol/m

当混凝土试件骨料活性及氯离子含量均较低时，即混凝土试件的劣化程度为A1B1时；最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度低于500mol/m

当混凝土试件骨料活性及氯离子含量为A1B2，A2B1，A2B2，A2B3，A3B2时，最佳电化学修复参数为：锂化物溶液浓度在500mol/m

向钢筋表面施加电流密度及通电时长主要基于混凝土试件保护层的厚度、骨料的活性及有害离子的污染程度进行调整。

上述实施例中，当电解液中锂离子浓度越高，越多锂离子会迁入混凝土内部，为了维持混凝土孔隙液系统的电中性，氯离子的移除速率及总量会受到限制，因此，当骨料活性越强时，应选择高浓度、高迁移率的锂化物溶液；或当混凝土内部氯离子污染程度较高时，应选取低浓度、低迁移率的锂化物溶液。在骨料活性、氯盐浓度都较高时，由于碱骨料反应的必要条件是活性骨料、水份和高碱性环境，而当氯离子浓度较高时，混凝土内部孔隙液碱性降低，碱骨料反应不会发生，因此，在这种情况下，仍然选择低浓度、低迁移率的锂化物溶液。从而实现针对混凝土不同污染程度调整锂溶液的浓度，最大化锂离子的渗入率及氯离子等有害离子的移除率。

在其他实施例中，上述S3对混凝土试件进行电化学修复，其中，

参照图1所示，在混凝土试件1的侧表面铺设金属网2，将金属网2置于锂化物溶液中，作为阳极与直流电源5正极相连，将混凝土试件1内部的钢筋3作为阴极与直流电源5负极相连。接通恒定直流电源5后，在外加电场的作用下，混凝土试件1保护层内的氯离子、硫酸根离子等有害离子向混凝土外部迁移至混凝土试件表面的电解液中，达到防止钢筋3锈蚀的目的；同时，锂离子开始加速向混凝土保护层内部迁移，用以抑制既有结构固有的碱骨料反应及由于钢筋3表面发生电化学反应(O2+2H2O+4e-＝4OH-)引起的碱性提高而诱发的碱骨料反应。作为一优选方式，为避免阳极腐蚀造成混凝土表面的污染，金属网2宜选取不易被氧化的金属或合金。具体可以选用但不限于选用钛合金网或不锈钢网。

在其他部分优选实施例中，针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀的混凝土电化学修复方法，在对混凝土试件进行电化学修复之后包括：在混凝土试件中钢筋附近区域设置应变片，持续监测该敏感区域裂缝开展情况，实时确定修复效果，以便确定是否需要进行二次修复。

在其他部分优选实施例中，针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法，在对混凝土试件进行电化学修复后，可对修复后混凝土试件表面进行防水涂料的喷射，预防如氯离子、硫酸根离子等有害离子的再次侵蚀和水份渗入后提供新的碱骨料诱发环境；对钻孔取样区域和因为碱骨料不可逆膨胀而移除的局部区域采用水泥、超细水泥或环氧树脂中任意一种进行灌浆修补。

下面结合一具体应用例进一步阐述上述实施例所述的针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法的发明目的及效果。本应用例中提供两组实验例及一组对照例，并将两组实验例与对照组的修复结果进行对比，表明两组实验例的修复效果。

制备截面100mm*100mm，高度为200mm的三个混凝土柱，得到三个混凝土试样。每个混凝土试样的钢筋选用直径为12mm的Q235钢筋，并位于混凝土试件中心。三个混凝土试样的每立方米混凝土中各组分重量含量分别为：水泥300kg，水180kg，细骨料780kg，非活性粗骨料580kg，活性粗骨料390kg(劣化程度为A2)，同时掺入11.9kg氯化钠，即200mol/m

将其中两个混凝土试样作为B、C组实验例，并采用针对针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法进行修复；剩余一个混凝土试样作为A组对照组，将A组放置在室温环境下不进行电化学处理。

基于混凝土试件各成分配比，B、C组混凝土试样的劣化程度为A2B2。基于B、C组混凝土试样劣化程度，确定最佳电化学修复技术参数；锂化物溶液浓度在500mol/m

在B、C组混凝土试样的侧表面设置钛合金网作为阳极连接直流电源正极，并将B、C组混凝土试样分别置于锂离子浓度均为500mol/m

将B、C组混凝土试样中钢筋作为阴极连接直流电源负极，并向钢筋表面施加的电流密度为2A/m

对B、C组混凝土试样电化学修复结束后。为避免边界效应，分别对A、B、C三组混凝土试件从6mm深度处开始，每隔12.5mm沿保护层深度方向钻孔取粉。

之后采用原子吸收光谱法(AAS)测定A、B、C三组混凝土试件内阳离子(K

下面结合另一具体应用例进一步阐述上述实施例所述的针对碱骨料损伤和钢筋锈蚀双重劣化的混凝土电化学修复方法的发明目的及效果。

制备四个截面100mm*100mm，高度为200mm的混凝土柱，钢筋选用直径为12mm的Q235钢筋，位于混凝土试件中心。其中A、B组试件每立方米混凝土中各组分含量分别为：水泥300kg，水180kg，细骨料780kg，非活性粗骨料580kg，活性粗骨料390kg，同时掺入11.9kg氯化钠。C、D组试件每立方米混凝土中各组分含量分别为：水泥300kg，水180kg，细骨料780kg，非活性粗骨料580kg，活性粗骨料390kg，同时掺入23.8kg氯化钠。A、B、C、D四组试件在标准养护28天后，均置于湿度为100％，温度为40℃人工气候环境箱中两个月，用以加速混凝土试件中的碱骨料反应。

采用本发明对A、B、C、D四组混凝土试件进行电化学修复，并在试件表面设置钛合金网作为阳极连接直流电源正极,将混凝土试件中钢筋作为阴极连接直流电源负极。A组电解液为锂离子浓度为500mol/m

待电化学修复结束后，为避免边界效应，分别对A、B、C、D四组混凝土试件从6mm深度处开始，每隔12.5mm沿保护层深度方向钻孔取粉。随后采用原子吸收光谱法(AAS)测定混凝土试件内锂离子的含量。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子的含量。参照图5、图6所示，分别为A、B、C、D四组混凝土试件锂离子、氯离子的浓度分布示意图，由图中可见，经过两周的电化学修复后，四组试件中氯离子含量都显著下降，锂离子含量显著上升。而且发现在B、D两组高浓度高迁移率的锂化物溶液中，锂离子的渗入深度及含量都有明显的提升。对氯离子而言，结果正相反。锂化物溶液的浓度及迁移率越高，越多的氯离子残留在混凝土试件内。而且随着混凝土初始氯离子污染程度的增加，这种抑制现象越明显。这正说明针对遭受不同程度氯盐污染及碱骨料反应的混凝土试件，应给出不同的电化学技术参数，以达到最高的修复效率、最好的修复效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。