電化學(xué)除氯過程鋼筋網(wǎng)周圍電場與氯離子分布特征試驗(yàn)研究

楊超　毛江鴻　孫洋　王銀輝　朱垚鋒　沈建生

摘要：

探明電化學(xué)除氯過程混凝土內(nèi)部的電場分布特征有利于研究混凝土除氯后的氯離子非均勻分布現(xiàn)象。為進(jìn)一步研究電化學(xué)除氯過程中混凝土內(nèi)部電場對氯離子遷出的影響，將一種屏蔽式預(yù)埋電極陣列應(yīng)用于內(nèi)蘊(yùn)氯鹽的鋼筋網(wǎng)布置混凝土試件電化學(xué)除氯試驗(yàn)中，探究鋼筋網(wǎng)周圍電場及氯離子的分布特征。結(jié)果表明，混凝土內(nèi)電場分布影響氯離子的遷出，電場強(qiáng)度大的區(qū)域，氯離子遷出速率高，殘余氯離子濃度低；電場強(qiáng)度小的區(qū)域，氯離子遷出速率低，氯離子存在堆積現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：混凝土；耐久性；電化學(xué)除氯；電場分布；氯離子

中圖分類號：TU528.01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2018）03008105

Abstract：

It is helpful to investigate the nonuniform distribution of chloride after electrochemical chloride extraction by ascertaining the distribution characteristics of electric field during electrochemical chloride extraction. In order to study the effect of electric field on the migration of chloride ions， a shielded buried electrode array was used to ascertain the distribution characteristics of chloride and electric field around reinforcement nets. The results show that the electric field in concrete affects the migration of chloride ions， when a region with strong electric field， chloride ion migration rate is high， residual chloride ion concentration is low， when a region with week electric field， chloride ion migration rate is low residual chloride ion concentration is high.

Keywords：

concrete； durability； electrochemical chloride extraction； electric field distribution； chloride

鋼筋銹蝕是危害混凝土結(jié)構(gòu)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[12]。氯離子進(jìn)入混凝土的方式主要有外部環(huán)境氯離子的滲透、擴(kuò)散等。相關(guān)資料[36]表明，近年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題越來越突出。如何對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性修復(fù)，已成為迫切需要解決的問題。

電化學(xué)除氯技術(shù)[78]是目前應(yīng)用較為廣泛的一種混凝土耐久性提升技術(shù)。該技術(shù)采用電化學(xué)原理將混凝土內(nèi)部氯離子排除，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升。相關(guān)研究表明，既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提升過程中存在氯離子非均勻遷出現(xiàn)象。Toumi等[9]的試驗(yàn)結(jié)果表明，電化學(xué)除氯后混凝土中氯離子的分布曲線為上凸彎曲曲線，呈現(xiàn)非均勻現(xiàn)象。祝頻等[10]、鄭靚等[11]的理論模型和實(shí)測結(jié)果都證實(shí)混凝土內(nèi)部的殘余氯離子存在非均勻分布現(xiàn)象。Mao[12]研究表明，殘余氯離子存在非均勻分布現(xiàn)象，氯離子會由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。有學(xué)者提出，氯離子非均勻分布跟通電過程中混凝土內(nèi)部電場有關(guān)。郭育霞[13]認(rèn)為電化學(xué)除氯過程中氯離子在電場中運(yùn)動，電場強(qiáng)度大的區(qū)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(xué)除氯的影響。張嘉新等[15]研究外電場作用下離子的遷移規(guī)律，認(rèn)為距鋼筋越近，電場強(qiáng)度越大，殘余氯離子濃度越低。Caón等[16]認(rèn)為，距鋼筋近的區(qū)域，電場強(qiáng)度大，除氯效率高。

已有研究表明，電化學(xué)除氯過程混凝土內(nèi)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(nèi)部電場與氯離子電遷移之間的關(guān)系目前還沒有進(jìn)行深入研究。筆者將一種屏蔽式預(yù)埋電極陣列運(yùn)用于內(nèi)蘊(yùn)氯鹽的鋼筋網(wǎng)布置試件中，進(jìn)行電化學(xué)除氯試驗(yàn)，探索電化學(xué)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(yàn)設(shè)計(jì)與過程

1.1混凝土試件配合比及尺寸

設(shè)計(jì)鋼筋混凝土試件保護(hù)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(wǎng)布置。混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，采用P.O.42.5水泥，水灰比取0.52。澆筑試件時(shí)摻入占水泥質(zhì)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。

1.2電化學(xué)除氯過程及電場檢測

混凝土試件養(yǎng)護(hù)2 d后拆模，并在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后通電進(jìn)行電化學(xué)除氯試驗(yàn)。試件中鋼筋作為陰極連接直流電源的負(fù)極，試件底部包裹不銹鋼網(wǎng)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(gè)表面進(jìn)行環(huán)氧樹脂密封作為絕緣面，電流密度為3 A/m2，通電時(shí)間為15 d。

采用一種預(yù)埋在鋼筋混凝土試件內(nèi)的屏蔽式電極陣列，用于檢測鋼筋混凝土試件通電除氯時(shí)內(nèi)部的電場分布。試驗(yàn)中設(shè)置7排電極構(gòu)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(zhǔn)確地檢測試件中電場分布情況。對每排電極進(jìn)行編號，位置編號如圖1所示。

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(xiàn)G為左邊斜向電極，HI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(xiàn)G、HI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(gè)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(qiáng)度，計(jì)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(xué)除氯后氯離子濃度檢測

通電結(jié)束后，檢測鋼筋網(wǎng)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(gè)試樣前將鉆頭清理干凈，并用吹灰球?qū)⒖妆谏系姆勰┐蹈蓛簟Ｈ》蹍^(qū)共分為5個(gè)區(qū)域，位置及編號如圖2所示。取粉完成后準(zhǔn)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ChlorideMeter DY2501型精密離子計(jì)測量水溶液中的氯離子濃度值。

圖2中Ⅰ為試件鋼筋之間空白區(qū)域，Ⅱ和Ⅲ分別為試件鋼筋正下方區(qū)域，Ⅳ和Ⅴ分別為試件邊緣區(qū)域。每個(gè)取粉區(qū)域各取3個(gè)孔。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1混凝土內(nèi)部電場分布特征

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

鋼筋布置于A電極-3坐標(biāo)及3坐標(biāo)處。從圖3（a）可以看出，A電極的電勢以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，兩邊呈對稱分布。從電勢變化可以看出，鋼筋左右側(cè)電場強(qiáng)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(jié)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(qiáng)度明顯，且電場強(qiáng)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(jié)果，同樣可以看出，試件下半部分鋼筋以下位置電場強(qiáng)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(nèi)部殘余氯離子分布特征

經(jīng)過檢測，該批試件的混凝土內(nèi)部初始氯離子濃度占膠凝材料質(zhì)量的0.272%。電化學(xué)除氯后不同區(qū)域的殘余氯離子濃度分布如圖4所示。

試件殘余氯離子濃度在不同區(qū)域沿混凝土底面深度方向都有氯離子堆積現(xiàn)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(qū)域氯離子濃度峰值出現(xiàn)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(qū)域及鋼筋之間空白區(qū)域整體氯離子濃度高于鋼筋正下方區(qū)域，說明在邊緣區(qū)域及鋼筋之間空白區(qū)域存在氯離子堆積現(xiàn)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(xué)除氯后混凝土內(nèi)殘余氯離子空間分布呈現(xiàn)非均勻現(xiàn)象。

2.3電場分布與氯離子分布的對應(yīng)關(guān)系

混凝土試件保護(hù)層內(nèi)鋼筋下方每排電極有4個(gè)電極探針，鋼筋與下方第一個(gè)探針距離10 mm，且每兩個(gè)探針間距離為10 mm。由于試件內(nèi)電極左右對稱布置，取粉區(qū)域I與C下半部分電極空間位置一致，取粉區(qū)域Ⅱ與B下半部分電極空間位置一致，因此，取這兩個(gè)位置進(jìn)行分析。根據(jù)式（1），繪制電場強(qiáng)度與氯離子分布的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

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

3結(jié)論

采用一種屏蔽式預(yù)埋電極陣列，進(jìn)行了內(nèi)蘊(yùn)氯鹽的鋼筋網(wǎng)布置試件電化學(xué)除氯過程內(nèi)部電場與氯離子分布特征的探索性試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）通過預(yù)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(wěn)定得到電極陣列預(yù)埋位置處的電勢梯度，在混凝土保護(hù)層內(nèi)靠近鋼筋和外部輔助陽極區(qū)域電場強(qiáng)度大，保護(hù)層中間位置電場強(qiáng)度小。

2）混凝土內(nèi)殘余氯離子呈現(xiàn)非均勻分布，證實(shí)了氯離子的非均勻電遷現(xiàn)象，同時(shí)，混凝土內(nèi)電場分布影響內(nèi)部氯離子分布。電場強(qiáng)度大的區(qū)域，氯離子遷出速率高，殘余氯離子濃度小；電場強(qiáng)度小的區(qū)域，氯離子遷出速率低，氯離子存在堆積現(xiàn)象。后續(xù)研究中可利用電場分布特征評估混凝土內(nèi)部殘余氯離子的分布特征。

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

參考文獻(xiàn)：

[1] MEHTA P K，BURROWS R W.Building durable structuresin the 21st century [J]. Concrete International， 2001， 23（3）： 5763.

[2] 金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性 [M].2版. 北京：科學(xué)出版社，2014.

JIN W L， ZHAO Y X. Durability of Concrete Structures [M]. 2nd ed. Beijing： Science Press， 2014. （in Chinese）

[3] ZHANG F， PAN J， LIN C. Localized corrosion behaviour of reinforcement steel in simulated concrete pore solution [J]. Corrosion Science， 2009， 51（9）： 21302138.

[4] 毛江鴻， 金偉良， 李志遠(yuǎn)，等. 氯鹽侵蝕鋼筋混凝土橋梁耐久性提升及壽命預(yù)測[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2016， 29（1）： 6166.

MAO J H， JIN W L， LI Z Y， et al. Durability improvement and service life prediction of reinforced concrete bridge under chloride attack [J]. China Journal of Highway and Transport， 2016， 29（1）： 6166. （in Chinese）

[5] 吉鳴， 干岳良， 丁朝梅，等. 高性能混凝土及防腐涂料在浙江某碼頭中的應(yīng)用[J].土木建筑與環(huán)境工程， 2015， 37（Sup1）： 2327.

JI M， GAN Y L， DING C M， et al. Application of high performance concrete and coating of protective paint on a port in Zhejiang province [J]. Journal of Civil， Architectural & Environmental Engineering， 2015， 37（Sup1）： 2327. （in Chinese）

[6] WU Y， ZHAO Z. Chloride transference during electrochemical chloride extraction process [J]. Science China Technological Sciences， 2010， 53（6）： 14661470.

[7] 海港工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)防腐技術(shù)規(guī)范： JTS 153—2—2012 [S]. 北京：人民交通出版社， 2012.

Technical specification for corrosion protection of reinforced concrete structures in harbor engineering： JTS 15322012 [S]. Beijing： China Communications Press， 2012. （in Chinese）

[8] FAJARDO G， ESCADEILLAS G， ARLIGUIE G. Electrochemical chloride extraction （ECE） from steelreinforced concrete specimens contaminated by “artificial” seawater [J]. Corrosion Science， 2006， 48： 110125.

[9] TOUMI A， FRANCOIS R， ALVARADO O. Experimental and numerical study of electrochemical chloride removal from brick and concrete specimens [J]. Cement & Concrete Research， 2007， 37（1）： 5462.

[10] 祝頻， 王新祥， 韋江雄，等. 電化學(xué)除鹽模型及離子遷移過程的數(shù)值分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 33（5）： 4147.

ZHU P， WANG X X， WEI J X， et al. Model and numerical analysis of ions migration in concrete during the process of electrochemical chloride extraction [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2011， 33（5）： 4147. （in Chinese）

[11] 鄭靚， 韋江雄， 余其俊，等. 電化學(xué)除鹽中混凝土內(nèi)氯離子的遷移特征研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 33（2）： 4245.

ZHENG L， WEI J X， YU Q J， et al. Research of the chloride ion migration in concrete during electrochemical chloride extraction [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2011， 33（2）： 4245. （in Chinese）

[12] MAO J H. Experimental research on the distribution of chloride ion migration in concrete cover during electrochemical chloride extraction treatment [J]. International Journal of Electrochemical Science， 2016， 11（5）： 40764083.

[13] 郭育霞. 鋼筋混凝土電化學(xué)除氯及除氯后性能研究[D]. 遼寧 大連： 大連理工大學(xué)， 2010.

GUO Y X. Study on electrochemical chloride extraction and post performance of reinforced concrete [D]. Dalian， Liaoning： Dalian University of Technology， 2010. （in Chinese）

[14] LI L Y， PAGE C L. Modelling of electrochemical chloride extraction from concrete： Influence of ionic activity coefficients [J]. Computational Materials Science， 1998， 9（3/4）：303308.

[15] 張嘉新，高小建，朱衛(wèi)中. 外電場作用下混凝土中離子的遷移與分布規(guī)律研究[J]. 混凝土與水泥制品，2012（8）： 914.

ZHANG J X， GAO X J， ZHU W Z. Study on migration and distribution of ions in concrete under external electric field [J]. China Concrete and Cement Products， 2012（8）： 914. （in Chinese）

[16] CAN A， GARCS P， CLIMENT M A， et al. Feasibility of electrochemical chloride extraction from structural reinforced concrete using a sprayed conductive graphite powdercement paste as anode [J]. Corrosion Science， 2013， 77： 128.

（編輯胡英奎）