電化學除氯過程鋼筋網周圍電場與氯離子分布特征試驗研究

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074;2.浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波315100; 3.大榭大橋有限公司，浙江 寧波 315812)

鋼筋銹蝕是危害混凝土結構耐久性的主要原因之一，氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的最主要原因[1-2]。氯離子進入混凝土的方式主要有外部環境氯離子的滲透、擴散等。相關資料[3-6]表明，近年來，鋼筋混凝土結構的耐久性問題越來越突出。如何對鋼筋混凝土結構進行耐久性修復，已成為迫切需要解決的問題。

電化學除氯技術[7-8]是目前應用較為廣泛的一種混凝土耐久性提升技術。該技術采用電化學原理將混凝土內部氯離子排除，實現混凝土結構耐久性提升。相關研究表明，既有混凝土結構耐久性提升過程中存在氯離子非均勻遷出現象。Toumi等[9]的試驗結果表明，電化學除氯后混凝土中氯離子的分布曲線為上凸彎曲曲線，呈現非均勻現象。祝頻等[10]、鄭靚等[11]的理論模型和實測結果都證實混凝土內部的殘余氯離子存在非均勻分布現象。Mao[12]研究表明，殘余氯離子存在非均勻分布現象，氯離子會由高濃度區域向低濃度區域擴散。有學者提出,氯離子非均勻分布跟通電過程中混凝土內部電場有關。郭育霞[13]認為電化學除氯過程中氯離子在電場中運動，電場強度大的區域，所受的力大，除氯效率越高。Li等[14]建立了氯離子入侵混凝土模型，研究電勢梯度等因素對電化學除氯的影響。張嘉新等[15]研究外電場作用下離子的遷移規律，認為距鋼筋越近，電場強度越大，殘余氯離子濃度越低。Caón等[16]認為，距鋼筋近的區域，電場強度大，除氯效率高。

已有研究表明，電化學除氯過程混凝土內部電場對除氯有重要影響。對鋼筋周圍電場與氯離子分布特征以及內部電場與氯離子電遷移之間的關系目前還沒有進行深入研究。筆者將一種屏蔽式預埋電極陣列運用于內蘊氯鹽的鋼筋網布置試件中，進行電化學除氯試驗，探索電化學除氯過程鋼筋周圍的電場與氯離子分布特征及電場對除氯效果的影響。

1 試驗設計與過程

1.1 混凝土試件配合比及尺寸

設計鋼筋混凝土試件保護層厚度為40 mm，尺寸為90 mm×150 mm×300 mm(高×寬×長)。試件中埋置兩根鋼筋直徑為10 mm的HPB300圓鋼，鋼筋中間用兩根箍筋連接，形成鋼筋網布置。混凝土抗壓強度設計為C30，采用P.O.42.5水泥，水灰比取0.52。澆筑試件時摻入占水泥質量3%的分析純氯化鈉，石子采用粒徑10 mm的粗骨料，其配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportions of concrete

1.2 電化學除氯過程及電場檢測

混凝土試件養護2 d后拆模，并在養護室標準養護28 d。養護結束后通電進行電化學除氯試驗。試件中鋼筋作為陰極連接直流電源的負極，試件底部包裹不銹鋼網作為陽極連接直流電源的正極，電解液采用飽和氫氧化鈣溶液，試件另外5個表面進行環氧樹脂密封作為絕緣面，電流密度為3 A/m2，通電時間為15 d。

采用一種預埋在鋼筋混凝土試件內的屏蔽式電極陣列，用于檢測鋼筋混凝土試件通電除氯時內部的電場分布。試驗中設置7排電極構成電極陣列，每排電極有多枚電極探針傳感器，以保證能較準確地檢測試件中電場分布情況。對每排電極進行編號，位置編號如圖1所示。

圖1 電極位置編號Fig.1 Electrode position

圖1中A為水平軸電極，B、C、D、E為豎向布置的電極，各軸均分鋼筋之間的長度，F-G為左邊斜向電極，H-I為右邊斜向電極。A電極探針編號從左到右依次為-7至7，B、C、D、E電極探針編號從下到上依次為-4至4，F-G、H-I電極探針編號從下到上依次為-5至5。

通過測量電極陣列上的每個電極電勢，描繪電極所在位置的電勢分布圖，探究電場分布特征。電勢梯度可表示電場強度，計算式為

E=U/d

(1)

式中：E為電勢梯度；U為兩探針間的電勢差，V；d為兩探針間的距離，m。

1.3 電化學除氯后氯離子濃度檢測

通電結束后，檢測鋼筋網配置的混凝土試件的殘余氯離子含量。采用直徑12 mm的鉆頭取粉，每隔5.0 mm逐層鉆取粉末，取至鋼筋表面處。為了避免不同深度范圍的粉末試樣相互影響，在鉆取下一個試樣前將鉆頭清理干凈，并用吹灰球將孔壁上的粉末吹干凈。取粉區共分為5個區域，位置及編號如圖2所示。取粉完成后準確稱取2.0 g粉末，加以20.0 g去離子水于瓶振蕩，浸泡24 h后用Chloride-Meter DY-2501型精密離子計測量水溶液中的氯離子濃度值。

圖2 試件鉆孔取粉位置示意圖Fig.2 Drilling position of

圖2中Ⅰ為試件鋼筋之間空白區域，Ⅱ和Ⅲ分別為試件鋼筋正下方區域，Ⅳ和Ⅴ分別為試件邊緣區域。每個取粉區域各取3個孔。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土內部電場分布特征

在通電期間內每天用萬能表檢測試件的電極電勢變化，取通電期間每個電極的電勢平均值繪制電勢變化圖，如圖3所示。

圖3 試件內各電極的電勢分布Fig.3 Electron distribution of

鋼筋布置于A電極-3坐標及3坐標處。從圖3(a)可以看出，A電極的電勢以坐標原點為中心，兩邊呈對稱分布。從電勢變化可以看出，鋼筋左右側電場強度相似；電場方向相反，均指向鋼筋。圖3(b)為豎向電極的電勢檢測結果，從圖3(b)可以看出，豎向電極下半部分電勢變化明顯，即試件下半部分鋼筋以下位置電場強度明顯，且電場強度方向指向鋼筋處；而豎向電極上半部分電勢變化都趨于水平分布，表明試件上半部分即鋼筋以上位置電場分布很弱。圖3(c)為斜向電極的電勢檢測結果，同樣可以看出，試件下半部分鋼筋以下位置電場強度明顯，試件上半部分鋼筋以上位置電場分布很弱，電場方向均指向鋼筋處。

2.2 混凝土內部殘余氯離子分布特征

經過檢測，該批試件的混凝土內部初始氯離子濃度占膠凝材料質量的0.272%。電化學除氯后不同區域的殘余氯離子濃度分布如圖4所示。

圖4 試件內不同區域氯離子空間分布Fig.4 Spatial distribution of residual

試件殘余氯離子濃度在不同區域沿混凝土底面深度方向都有氯離子堆積現象，殘余氯離子在沿混凝土底面深度方向呈非均勻分布。從圖4可以看出，試件各區域氯離子濃度峰值出現在距混凝土表面深度約20 mm處，峰值處距鋼筋距離約20 mm，處于電遷路徑中間位置。圖4(a)和圖4(c)中整體氯離子濃度高于圖4(b)，即邊緣區域及鋼筋之間空白區域整體氯離子濃度高于鋼筋正下方區域，說明在邊緣區域及鋼筋之間空白區域存在氯離子堆積現象，殘余氯離子沿混凝土底面寬度方向呈非均勻分布。由此可見，電化學除氯后混凝土內殘余氯離子空間分布呈現非均勻現象。

2.3 電場分布與氯離子分布的對應關系

混凝土試件保護層內鋼筋下方每排電極有4個電極探針，鋼筋與下方第一個探針距離10 mm，且每兩個探針間距離為10 mm。由于試件內電極左右對稱布置，取粉區域I與C下半部分電極空間位置一致，取粉區域Ⅱ與B下半部分電極空間位置一致，因此，取這兩個位置進行分析。根據式(1)，繪制電場強度與氯離子分布的對應關系，如圖5所示。

圖5 電場分布與氯離子分布對應關系Fig.5 Electric field intensity corresponds to

圖5中:1為距混凝土表面深度10 mm范圍內的電場強度；2為距混凝土表面深度10～20 mm范圍內的電場強度；3為距混凝土表面深度20～30 mm范圍內的電場強度；4為距混凝土表面深度30～40 mm范圍內的電場強度。從圖5可以看出，混凝土內殘余氯離子分布大致與電場分布呈相反趨勢。電場強度大的區域，殘余氯離子濃度低；電場強度小的區域，殘余氯離子濃度高，電場分布影響混凝土內氯離子分布。靠近鋼筋和靠近輔助陽極區域電場強度較大，混凝土保護層內中間位置電場強度較小，所以，電遷路徑中間位置出現氯離子堆積現象。圖5(a)中Ⅱ區域整體電場強度較圖5(b)中Ⅰ區域大，其殘余氯離子濃度也相對較小，表明電場強度大的區域，殘余氯離子濃度低。因此，試件鋼筋正下方區域殘余氯離子濃度整體較試件中間空白區域和邊緣區域低，混凝土內氯離子在試件底面寬度方向呈現非均勻分布。

3 結論

采用一種屏蔽式預埋電極陣列，進行了內蘊氯鹽的鋼筋網布置試件電化學除氯過程內部電場與氯離子分布特征的探索性試驗，結果表明：

1)通過預埋電極陣列檢測鋼筋混凝土試件通電過程中的電勢空間分布，可穩定得到電極陣列預埋位置處的電勢梯度，在混凝土保護層內靠近鋼筋和外部輔助陽極區域電場強度大，保護層中間位置電場強度小。

2)混凝土內殘余氯離子呈現非均勻分布，證實了氯離子的非均勻電遷現象,同時，混凝土內電場分布影響內部氯離子分布。電場強度大的區域，氯離子遷出速率高，殘余氯離子濃度小；電場強度小的區域，氯離子遷出速率低，氯離子存在堆積現象。后續研究中可利用電場分布特征評估混凝土內部殘余氯離子的分布特征。

3)證實了氯離子的非均勻電遷現象，研究了混凝土內電場與氯離子分布特征以及電場分布對電化學除氯的影響，但如何解決氯離子非均勻電遷現象還有待進一步深入研究。

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