電化學(xué)再堿化技術(shù)在近現(xiàn)代建筑修復(fù)中的應(yīng)用
——以寧波茅山中學(xué)為例

邢 軍,童蕓蕓,葉 良

(1.浙江華展工程設(shè)計(jì)有限公司,浙江 寧波 315100；2.浙江科技學(xué)院,浙江 杭州 310023)

1 電化學(xué)再堿化修復(fù)技術(shù)介紹

傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)是材料替換,而電化學(xué)再堿化技術(shù)始于20世紀(jì)70年代末,作為一項(xiàng)新興技術(shù),已經(jīng)在美國(guó)和歐洲有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。國(guó)內(nèi)近十幾年來(lái)也有一些再堿化技術(shù)的研究,屈文俊和蔣正武等[2-4]都通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了電化學(xué)再堿化技術(shù)在修復(fù)碳化混凝土結(jié)構(gòu)上的有效性,并且對(duì)該技術(shù)有可能引起的副作用作了進(jìn)一步的研究。碳化混凝土再堿化是由陰極鋼筋處電化學(xué)反應(yīng)所致。混凝土中,在電位的作用下,陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-由鋼筋向混凝土表面遷移,陽(yáng)離子(Na+,K+和Ca2+)由陽(yáng)極向陰極遷移。陰極鋼筋處產(chǎn)生的OH-除遷移一部分外,還有一部分OH-滯留在鋼筋周圍的混凝土,使得鋼筋周圍碳化混凝土pH值升高,達(dá)到再堿化的目的[5]。

鋼筋腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程,電化學(xué)再堿化處理理論上是一種貼切的、有效的修復(fù)方法。同時(shí),再堿化技術(shù)修復(fù)成本低,施工簡(jiǎn)單,對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損傷,耐久性好,環(huán)境友好。較傳統(tǒng)的材料填充技術(shù)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,特別適用于大面積碳化混凝土結(jié)構(gòu)或需要保護(hù)的歷史文物的修復(fù)。再堿化技術(shù)的工程應(yīng)用研究有助于解決浙江省鋼筋混凝土類歷史建筑文物建筑的碳化腐蝕破壞問(wèn)題,提高浙江省文化遺產(chǎn)保護(hù)水平,推動(dòng)文化遺產(chǎn)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展,具有極其重要的意義。

目前,電化學(xué)再堿化技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)有大量工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大面積推廣。因此,開(kāi)展茅山中學(xué)再堿化修復(fù)工程為累積相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)起著極為重要的作用。

2 工程概況

縣立鄉(xiāng)村簡(jiǎn)易師范學(xué)校(現(xiàn)名茅山中學(xué))是寧波市鄞州區(qū)區(qū)級(jí)文物保護(hù)點(diǎn)(圖 1),位于寧波市鄞州區(qū)姜山鎮(zhèn)茅山村。茅山中學(xué)辦公樓建于20世紀(jì)早期,是一座歐式2層小樓,系鄞州現(xiàn)存的最早教育用房,也是創(chuàng)辦于1931年的鄞縣鄉(xiāng)村師范學(xué)校舊址。解放后,于1951年8月建立鄞縣初級(jí)師范,1956年創(chuàng)辦初中,定名為鄞縣第六初級(jí)中學(xué)。1961年又更名為茅山中學(xué),沿用至今。自創(chuàng)辦后至今的八十幾年間,該辦公樓的房屋建筑結(jié)構(gòu)存在一定的老化現(xiàn)象。2011年7月和2015年8月,上海房屋質(zhì)量檢測(cè)站和浙江中浩應(yīng)用工程技術(shù)研究院有限公司先后兩次對(duì)上述房屋進(jìn)行安全檢測(cè)。經(jīng)完損檢測(cè),房屋建筑結(jié)構(gòu)老化,主要存在混凝土構(gòu)件碳化、部分混凝土構(gòu)件表面酥松、剝落、鋼筋銹蝕；墻體松散、酥堿、開(kāi)裂,砂漿流失；樓屋面下垂,板面角部裂縫；屋面欄桿破損、晃動(dòng)；走廊欄板剝落破損；屋面及外墻嚴(yán)重滲漏水；地面起伏不平,走廊經(jīng)根系而局部隆起破壞；內(nèi)粉刷多處霉變脫落；門窗槽朽、損壞等現(xiàn)象。本次實(shí)施再堿化的對(duì)象為：茅山中學(xué)1層和2層外廊處共16根高4 000 mm和16根高3 600 mm,截面尺寸均為250 mm×300 mm的柱子；28根長(zhǎng)4 000 mm和2根長(zhǎng)5 050 mm,截面尺寸均為270 mm×480 mm的橫梁。

圖1 寧波市鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡(jiǎn)易師范學(xué)校

3 病害檢測(cè)與分析

3.1 混凝土檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)外廊柱和梁的碳化深度進(jìn)行抽樣取芯檢測(cè),并用酚酞試劑對(duì)其進(jìn)行顯色反應(yīng),若呈紅色則沒(méi)碳化,若不顯色則發(fā)生碳化。碳化深度結(jié)果顯示,碳化深度大于60 mm,已遠(yuǎn)超過(guò)保護(hù)層厚度,混凝土碳化比較嚴(yán)重。

混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)：為確定混凝土的抗壓強(qiáng)度,采用α-5000cn型數(shù)字回彈儀,根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 23—2011)》進(jìn)行混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：混凝土抗壓強(qiáng)度推定值介于19.1～25.6 MPa。

3.2 鋼筋銹蝕程度檢測(cè)

本次使用Canin鋼筋腐蝕檢測(cè)儀被用于現(xiàn)場(chǎng)外廊柱和梁的鋼筋銹蝕程度抽樣檢測(cè)。 Canin鋼筋腐蝕檢測(cè)儀采用硫酸銅參比電極,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的開(kāi)路電位是316 mV。根據(jù)ASTM C876-91經(jīng)驗(yàn)值,由鋼筋的電勢(shì)電位大小可初步判定鋼筋的腐蝕概率,見(jiàn)表1。測(cè)得的鋼筋電位負(fù)值越大,鋼筋的腐蝕概率越大,腐蝕程度也越大。經(jīng)檢測(cè),外廊柱和梁內(nèi)鋼筋的腐蝕情況參差不齊,鋼筋腐蝕電位在-100～-700 mV之間,部分混凝土構(gòu)件內(nèi)鋼筋的腐蝕情況不太嚴(yán)重,部分非常嚴(yán)重,但是大部分鋼筋腐蝕電位在-250～-350 mV,腐蝕情況比較嚴(yán)重。

表1 鋼筋自然腐蝕電位與腐蝕概率的關(guān)系

4 電化學(xué)再堿化修復(fù)施工

鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡(jiǎn)易師范學(xué)校電化學(xué)再堿化修復(fù)處理于2016年8月8日開(kāi)始,預(yù)期施工工期為70 d,實(shí)際施工過(guò)程中,項(xiàng)目組通過(guò)新增材料設(shè)備和施工人員的方式,將工期縮短為40 d。施工的對(duì)象為1層16根外廊柱,截面尺寸為250 mm×300 mm,高4.0 m；2層16根外廊柱,截面尺寸為250 mm×300 mm,高3.6 m；1層14根長(zhǎng)4.0 m外廊梁,1根長(zhǎng)5.05 m外廊梁(東區(qū)和西區(qū)連接梁),截面尺寸為270 mm×480 mm。施工的主要過(guò)程包括：施工前材料及設(shè)備購(gòu)買，工地開(kāi)工準(zhǔn)備，構(gòu)件施工前準(zhǔn)備處理，鋼絲網(wǎng)剪割，配置堿性電解質(zhì)液和紙漿，包裹再堿化處理裝置，通電，定時(shí)記錄數(shù)據(jù)，按需澆淋電解質(zhì)液，拆除再堿化處理裝置和清洗鋼筋混凝土表面。

4.1 構(gòu)件處理

施工前,清理所有鋼筋混凝土構(gòu)件的表面,探測(cè)鋼筋位置,每根柱子的下端和梁四分之一跨處利用沖擊鉆鑿開(kāi)混凝土保護(hù)層,直至鋼筋外露,目的是用于鋼筋腐蝕電位測(cè)試和再堿化修復(fù)施工連接直流穩(wěn)壓電源。每根柱和梁保證有一根鋼筋外露。見(jiàn)圖2。

4.2 鋼絲網(wǎng)剪割

準(zhǔn)備好待修復(fù)的柱和梁構(gòu)件后,根據(jù)柱和梁的實(shí)際尺寸(實(shí)際上構(gòu)件尺寸與理論標(biāo)準(zhǔn)值可能有輕微的偏差),切割相應(yīng)尺寸的鋼絲網(wǎng),要求鋼絲網(wǎng)能夠緊致地包裹柱或梁構(gòu)件,并留有一定的便于貼敷電解質(zhì)紙漿的空間。見(jiàn)圖3。

4.3 配置堿性電解質(zhì)液和紙漿

配置足夠濃度的堿性碳酸鉀溶液,并利用紙漿充分吸收電解質(zhì)溶液,直至得到厚實(shí)均勻的電解質(zhì)紙漿。見(jiàn)圖4。

圖3 鋼絲網(wǎng)剪割 圖4 電解質(zhì)紙漿攪拌

4.4 包裹再堿化處理裝置

電化學(xué)再堿化裝置鋪設(shè)包括三個(gè)步驟：首先在柱和梁表面均勻地貼敷20 mm厚度的電解質(zhì)紙漿,然后在柱和梁構(gòu)件表面綁扎鋼絲網(wǎng),最后在鋼絲網(wǎng)表面再貼敷一層20 mm厚度的電解質(zhì)紙漿。柱頭花式部分不包裹電解質(zhì)紙漿。整個(gè)過(guò)程需要細(xì)心檢查電解質(zhì)紙漿及鋼絲網(wǎng)的緊密性,以保證電化學(xué)裝置完全包裹待處理鋼筋混凝土構(gòu)件。見(jiàn)圖5。

圖5 再堿化處理裝置鋪設(shè)

4.5 通電

根據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范建議的電流密度和總電量：鋼筋表面單位面積(m2)上通過(guò)的電流應(yīng)為1 A,總電量應(yīng)為200 A·h,處理的時(shí)間相為200 A·h/1A= 200 h,即每根柱和梁的修復(fù)時(shí)間為8.5 d左右。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員依據(jù)實(shí)際電化學(xué)裝置覆蓋鋼筋表面積尺寸,計(jì)算每根梁和柱的直流電大小,鋼絲網(wǎng)連接電源正極,鋼筋連接電源負(fù)極,確保電線的正確連接后,通電。通電后關(guān)注每根柱和梁所通的直流電是否保持設(shè)計(jì)值不變,并記錄電壓值。一般來(lái)說(shuō),混凝土的濕潤(rùn)性越好,電阻越小,電壓值就越小。

4.6 施工后養(yǎng)護(hù)與數(shù)據(jù)采集

整個(gè)施工過(guò)程中,每天一次記錄各個(gè)構(gòu)件的電流值和電壓值,以確保通電正常,整個(gè)修復(fù)過(guò)程完全遵循施工設(shè)計(jì)值。同時(shí),由于夏天溫度高,電解質(zhì)液揮發(fā)快,施工現(xiàn)場(chǎng)安排施工人員按需澆淋電解質(zhì)液,保證再堿化處理電化學(xué)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,電解質(zhì)液充分滲入鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土保護(hù)層。

4.7 構(gòu)件表面清理

每根鋼筋混凝土構(gòu)件經(jīng)歷8.5 d的修復(fù)處理后,施工人員拆除電化學(xué)裝置。作為陽(yáng)極的鋼絲網(wǎng)銹蝕明顯。再堿化裝置拆除后,混凝土表面還有部分白色紙漿,現(xiàn)場(chǎng)施工人員用自來(lái)水清洗構(gòu)件混凝土表面,混凝土表面沒(méi)有因?yàn)樵賶A化處理而發(fā)生顏色的改變。見(jiàn)圖6。

圖6 構(gòu)件表面清理

5 修復(fù)效果與分析

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Canin+鋼筋銹蝕儀在再堿化處理前和處理后5個(gè)月隨機(jī)抽取部分外廊柱梁構(gòu)件, 在每個(gè)上各選取一根鋼筋,每100 mm取一個(gè)點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)位測(cè)5次腐蝕電位,最后取平均值(表2)。再堿化處理前,混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕電位普遍在-250 mV以上,有的甚至達(dá)到近-700 mV,腐蝕情況比較嚴(yán)重。電化學(xué)再堿化修復(fù)后,鋼筋的腐蝕電位有了明顯的提升,提升的幅度從20 mV到540 mV,修復(fù)前鋼筋的腐蝕情況越嚴(yán)重,修復(fù)效果越顯著,比如梁2-1,從修復(fù)前的-694 mV提升到-157 mV,鋼筋的腐蝕概率由很大降為比較小。由此可見(jiàn),再堿化處理可以有效地提高鋼筋的腐蝕電位,處理前腐蝕情況嚴(yán)重的鋼筋,再堿化處理的修復(fù)效果更顯著。

6 結(jié) 語(yǔ)

電化學(xué)再堿化技術(shù)在我國(guó)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,本工程開(kāi)展了再堿化技術(shù)的局部施工工程應(yīng)用,以寧波市鄞州區(qū)縣立鄉(xiāng)村簡(jiǎn)易師范學(xué)校外廊柱和梁為修復(fù)對(duì)象,依據(jù)歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)該欄桿進(jìn)行外加電源式的再堿化修復(fù)處理,并在修復(fù)完成5個(gè)月后對(duì)再堿化效果進(jìn)行跟蹤測(cè)試與分析評(píng)估。結(jié)果表明：

表2 外廊柱、梁再堿化修復(fù)前后鋼筋腐蝕電位

1)電化學(xué)再堿化處理可以有效地提高構(gòu)件碳化混凝土的堿性。

2)電化學(xué)再堿化處理后,混凝土內(nèi)的鋼筋的腐蝕電位有明顯的提升,鋼筋的腐蝕概率明顯減小,腐蝕活性降低,并且處理前鋼筋腐蝕情況越嚴(yán)重,再堿化處理的修復(fù)效果越顯著。

3)電化學(xué)再堿化處理沒(méi)有改變構(gòu)件表面顏色,也沒(méi)有對(duì)混凝土產(chǎn)生明顯的副作用。

該項(xiàng)目再堿化技術(shù)局部施工的順利進(jìn)行為該技術(shù)從科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ),該技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)本體無(wú)損傷性,環(huán)境友好,較傳統(tǒng)的材料填充技術(shù),有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,特別適用于需要保護(hù)的歷史文物建筑。項(xiàng)目組會(huì)將再堿化技術(shù)擴(kuò)展到整體施工,為該技術(shù)在鋼筋混凝土歷史文物建筑修復(fù)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和工程指南。