碳化混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)再堿化的研究進展

摘要：綜合論述了碳化混凝土結(jié)構(gòu)的電化學(xué)再堿化方法原理以及過程現(xiàn)象,重點論述了國內(nèi)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(yīng)集中于再堿化機理、負面效應(yīng)風(fēng)險控制、長期耐久性的提高,提出了高耐久電化學(xué)再堿化控制的理論與方法。

關(guān)鍵詞：碳化　混凝土　電化學(xué)　再堿化

0 　前言

鋼筋混凝土是人類使用的最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料,已經(jīng)廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)由于受到各種環(huán)境侵蝕作用在服役期間常產(chǎn)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(dǎo)鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的兩個主要原因之一[5 ,6 ] 。

電化學(xué)再堿化是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)修復(fù)技術(shù)的主要方法之一[7～12 ] 。碳化混凝土的電化學(xué)再堿化修復(fù)方法是利用電化學(xué)原理恢復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿度,使鋼筋再鈍化的有效方法[13～17 ] 。電化學(xué)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(fù)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(xué)再堿化方法的原理及過程現(xiàn)象,重點論述了其過程控制、效果評價等方面的國內(nèi)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(yīng)用推廣奠定了理論基礎(chǔ)。

1 　電化學(xué)再堿化方法的應(yīng)用原理

碳化混凝土電化學(xué)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(jié)構(gòu)中鋼筋作為陰極,在結(jié)構(gòu)外部附加一個陽極,并置于堿金屬的電解質(zhì)溶液中,在一定的時間內(nèi)向混凝土中通入直流電,陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)、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(nèi)部p H 值升高,恢復(fù)碳化混凝土的內(nèi)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(chǎn)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(xué)再堿化方法的原理示意圖如圖1 所示[6 ] 。

電化學(xué)再堿化的修復(fù)過程中通常會發(fā)生下列物理化學(xué)現(xiàn)象和電化學(xué)過程。探究這些現(xiàn)象與過程的變化規(guī)律是高效利用電化學(xué)再堿化方法的關(guān)鍵技術(shù)。

1. 1 　電解及其化學(xué)反應(yīng)

混凝土中電流流動會引起電極(陽極、陰極) 上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),一般稱這種反應(yīng)為電解。在陰極會發(fā)生以下電解反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(guān)。對電化學(xué)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(yīng)(1) ,主要發(fā)生反應(yīng)(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(yīng),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(yīng)。

4OH - →O2 + 2H2O + 4e (3)

2H2O →O2 + 4H+ + 4e (4)

Fe →Fe2 + + 2e (5)

電解反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)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(yīng),在混凝土內(nèi)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(jié)構(gòu)的長期耐久性[11 ] 。

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