碳化混凝土結構電化學再堿化的研究進展

摘要：綜合論述了碳化混凝土結構的電化學再堿化方法原理以及過程現象,重點論述了國內外對其效果評價、過程控制等方面的研究進展,指出了進一步的研究應集中于再堿化機理、負面效應風險控制、長期耐久性的提高,提出了高耐久電化學再堿化控制的理論與方法。

關鍵詞：碳化　混凝土　電化學　再堿化

0 　前言

鋼筋混凝土是人類使用的最大宗的建筑結構材料,已經廣泛應用于市政、道路、建筑、水工、地下、海工等工程中。然而,鋼筋混凝土結構由于受到各種環(huán)境侵蝕作用在服役期間常產生劣化而破壞[1～3 ] 。鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土劣化的最主要原因之一[1 ,4 ] ,而碳化是誘導鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的兩個主要原因之一[5 ,6 ] 。

電化學再堿化是鋼筋混凝土結構電化學修復技術的主要方法之一[7～12 ] 。碳化混凝土的電化學再堿化修復方法是利用電化學原理恢復鋼筋混凝土結構內部堿度,使鋼筋再鈍化的有效方法[13～17 ] 。電化學再堿化方法可有效克服傳統(tǒng)修補方法不能標本兼治、修復不耐久等局限性,具有環(huán)境污染小、省時、耐久等特點[4 , 18～25 ] 。本文論述了電化學再堿化方法的原理及過程現象,重點論述了其過程控制、效果評價等方面的國內外研究進展,并指出了目前研究中的不足與進一步研究方向,為該方法的研究與應用推廣奠定了理論基礎。

1 　電化學再堿化方法的應用原理

碳化混凝土電化學再堿化方法的基本原理是利用鋼筋混凝土的特性與環(huán)境條件,將混凝土結構中鋼筋作為陰極,在結構外部附加一個陽極,并置于堿金屬的電解質溶液中,在一定的時間內向混凝土中通入直流電,陰極發(fā)生的電化學反應、電遷移、電滲、吸附、擴散等過程將氫氧根離子引入鋼筋周圍的混凝土中,使混凝土內部p H 值升高,恢復碳化混凝土的內部堿度,從而抑制鋼筋腐蝕。處理時間大約持續(xù)幾天到幾個星期。電解產生的氫氧根離子與所通過的電量成正比,電遷移使得部分氫氧根向陽極移動,甚至遷移出混凝土,而等量的堿金屬離子會遷移進入混凝土。電化學再堿化方法的原理示意圖如圖1 所示[6 ] 。

電化學再堿化的修復過程中通常會發(fā)生下列物理化學現象和電化學過程。探究這些現象與過程的變化規(guī)律是高效利用電化學再堿化方法的關鍵技術。

1. 1 　電解及其化學反應

混凝土中電流流動會引起電極(陽極、陰極) 上發(fā)生電化學反應,一般稱這種反應為電解。在陰極會發(fā)生以下電解反應產生氫氧根離子:

O2 + 2H2O + 4e - →4OH - (1)

2H2O + 2e - →2OH - + H -2 (2)

陰極發(fā)生哪種反應取決于鋼筋周圍的氧氣可獲性,與電流密度和混凝土的含水量相關。對電化學再堿化方法,在高電流密度和混凝土水飽和的情況下,沒有足夠的氧氣擴散到鋼筋維持反應(1) ,主要發(fā)生反應(2) 。

在陽極,對于惰性電極,一般水或氫氧根離子會發(fā)生氧化反應,如式(3) 、(4) 。如采用非惰性金屬電極,則會發(fā)生金屬氧化反應。

4OH - →O2 + 2H2O + 4e (3)

2H2O →O2 + 4H+ + 4e (4)

Fe →Fe2 + + 2e (5)

電解反應產生的氫氧根會引起鋼筋附近孔溶液p H 值的升高,從而使鋼筋再鈍化。

如當電解質溶液中含有其他陽離子如Ca2 + 、Mg2 + 等,其向陰極電遷移,便與陰極附近的氫氧根離子發(fā)生反應,在混凝土內部與表面生成不溶性沉積物。這種處理可有效提高再堿化后的混凝土結構的長期耐久性[11 ] 。