电流密度的集中效应在双向电迁移等电化学修复过程中，更加有助于排除裂缝附近富集的氯离子，并更直接地迁入阻锈基团对钢筋形成保护，提升结构的耐久性；但同时可能对整体的修复存在负面影响，主要会造成裂缝周围混凝土电场减弱除氯效果. 目前针对电流密度集中效应的影响因素（如：裂缝宽度）及其对电化学修复的除氯阻锈效果影响尚无深入的研究，本文通过开裂混凝土中的双向电迁移试验对其展开研究.
1. 开裂混凝土双向电迁移原理
双向电迁移技术原理图如图1所示，将混凝土中的钢筋作为阴极，外设阳极金属板，利用阻锈剂溶液作为电解液，在外加电场的作用下将有害离子排出混凝土保护层，同时将阻锈剂阳离子迁至钢筋表面形成保护层. 混凝土开裂后，通电过程中的电势U分布发生了变化，利用COMSOL对其进行模拟，结果如图2所示. 其中，x为沿试件长度方向的位置，y为沿试件高度方向的位置。由于裂缝部位被电解液填充，电阻相对较小，通电过程中裂缝处的电势可维持在较高值. 裂缝部位与钢筋之间较大的电势差及较小的电阻使裂缝处的电流相对其余部位更大，即产生了电流密度的集中效应，裂缝处集中的电流更有利于排出裂缝附近富集的氯离子，也有利于阻锈剂阳离子的迁入.
图 1
图 1 开裂混凝土双向电迁移（BIEM）原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of bi-directional electro-migration（BIEM）in cracked concrete
图 2
图 2 开裂混凝土通电状态下电势分布示意图
Fig.2 Schematic diagram of potential distribution in cracked concrete when electrified
2. 试验过程
2.1. 试件设置
本研究主要包括不同裂缝宽度下开裂混凝土双向电迁移过程的除氯效果、阻锈剂迁移效果及钢筋腐蚀电位恢复效果. 同时为了探明通电情况下裂缝对氯离子迁移路径的影响，设置氯离子迁移特征试验，该试验电场方向和双向电迁移方向相反，并通过硝酸银显色试验研究氯离子迁移路径特征.
试件采用C30混凝土，配合比如表1所示，其中双向电迁移试件组（A组）胶凝材料为水泥，即掺水泥质量分数为5%的氯化钠，一方面为研究除氯效果，另一方面为获取较低的钢筋初始腐蚀电位值，以模拟实际情况下开裂引起的氯离子堆积及钢筋脱钝. 氯离子迁移特征试验组（Y组）不内掺氯盐.
表 1 C30混凝土试件配合比
Tab.1
| 编号 | ρ /(kg·m−3) | ||||
| 水 | 水泥 | 砂子 | 石子 | 氯化钠 | |
| C30 | 206.7 | 406.7 | 633.3 | 1050 | 20.3 |
双向电迁移组（A组）的混凝土试件如图3（a）所示，尺寸为200 mm×100 mm×50 mm，电迁工作面为200 mm×100 mm，保护层厚度为20 mm，试块中埋置2根直径10 mm的HPB300光圆钢筋. 氯离子迁移特征试验组（Y组）的试件如图3（b）所示，为便于制作裂缝及压开试件观察断面，试件尺寸采用200 mm×200 mm×50 mm. 电迁工作面为200 mm×200 mm，保护层厚度为20 mm，为消除多根钢筋影响以观察离子迁移规律，仅内置一根直径10 mm的HPB300光圆钢筋. 试件标准养护28 d取出干燥，采用三点加载的方式制作裂缝，裂缝宽度w分别为0、0.1、0.3、0.5、0.7及1.0 mm，每组试件包含3个平行试件.
图 3
图 3 BIEM试件和氯离子迁移特征试验试件示意图
Fig.3 Schematic diagram of BIEM specimen and chloride ion migration characteristic test specimen
2.2. 试验及测试方法
2.2.1. 双向电迁移试验
2.2.2. 氯离子迁移特征试验
采用半浸没法对试件进行通电以加速氯离子侵蚀. 采用5%的氯化钠溶液作为电解质溶液，将内置钢筋作为阳极，以钛板为阴极，分别与直流电源的正极与负极相连接. 选用3 A/m2的通电电流密度对各组试件进行15 d的通电. 通电结束后取出试件干燥，利用压力试验机沿钢筋方向将试件压开，配置0.1 mol/L的AgNO3水溶液，对断面进行喷洒显色.
2.2.3. 试验关键指标测试方法
钢筋弱极化曲线测定：分别在试件双向电迁移前以及双向电迁移结束后42 d[18]，采用电化学工作站Reference 600 对钢筋的弱极化曲线进行测定. 试验采用三电极系统，2根内置钢筋分别作为工作电极和辅助电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）. 弱极化曲线测试电位为±70 mV（相对于开路电位），扫描速率为0.150 mV/s，弱极化曲线的数据分析由Gamry Echem Analyst分析软件完成.
图 4
图 4 沿试件长度方向及保护层厚度方向取粉位置
Fig.4 Powder picking position along direction of specimen length and concrete cover
3. 试验结果与讨论
3.1. 钢筋腐蚀电位变化
图 5
图 5 BIEM前、后各裂缝宽度试件组的钢筋弱极化曲线
Fig.5 Polarization curve of steel bars in specimen groups with different crack widths before and after BIEM
表 2 双向电迁移（BIEM）前、后钢筋腐蚀电位
Tab.2
| 试件组 | Ecorr /mV | | |||
| 单值 | 均值 | 单值 | 均值 | ||
| A-0 | −480 | −463 | −180 | −172 | |
| −456 | −191 | ||||
| −455 | −145 | ||||
| A-0.1 | −431 | −430 | −162 | −166 | |
| −391 | −157 | ||||
| −468 | −180 | ||||
| A-0.3 | −430 | −437 | −157 | −161 | |
| −448 | −179 | ||||
| −432 | −146 | ||||
| A-0.5 | −484 | −457 | −182 | −166 | |
| −436 | −155 | ||||
| −452 | −162 | ||||
| A-0.7 | −476 | −491 | −142 | −160 | |
| −504 | −156 | ||||
| −494 | −183 | ||||
| A-1.0 | −501 | −470 | −158 | −149 | |
| −414 | −143 | ||||
| −494 | −147 | ||||
3.2. 氯离子迁移特征
如图6所示为双向电迁移后由各组试件测得的氯离子质量分数分布图，包含了试件沿保护层厚度（θ）方向（0~20 mm）及沿钢筋长度方向（−100 ~100 mm）各取样部位的氯离子质量分数，其中横坐标表示与裂缝处的相对距离x，裂缝位于横坐标0处，纵坐标表示氯离子质量分数w(Cl).
图 6
图 6 BIEM后混凝土保护层中氯离子的质量分数分布图（初始值为0.221 5%）
Fig.6 Distribution of chloride concentration in concrete cover after BIEM
由图6可见，当试件无裂缝及裂缝宽度较小（<0.1 mm）时，氯离子浓度的分布沿钢筋长度方向无明显波动. 当裂缝宽度继续增大（> 0.3 mm），沿钢筋长度方向的氯离子浓度分布特征发生了改变，裂缝处的氯离子浓度相对于距裂缝20及60 mm位置处的氯离子浓度有所降低，呈现出“V”型的分布特征，且随着裂缝宽度的增加，这种分布特征更加明显.
图 7
图 8
图 8 不同裂缝宽度试件的显色边界线分布
Fig.8 Distribution of color boundary of specimen with different crack widths
图 9
图 9 各试件氯离子质量分数为定值（0.03%）时的位置分布图
Fig.9 Location distribution of each specimen with fixed mass fraction value of chloride ion（0.03%）
3.3. 除氯效果
1) 沿保护层方向除氯效果.
2) 沿钢筋长度方向除氯效果.
为了对各组进行直观的对比，选取钢筋附近沿长度方向分布的氯离子质量分数数据并绘制成柱状图，如图10所示. 随着裂缝宽度从0增大至1.0 mm，裂缝处钢筋表面氯离子质量分数从0.020 0%减小至0.013 4%，离裂缝20 mm处钢筋表面氯离子质量分数从0.020 6%增加至0.036 6%，离裂缝60 mm处钢筋表面层氯离子质量分数从0.019 8%增加至0.049 7%. 说明随着裂缝宽度的增加，裂缝处的除氯效果增强，但离裂缝较远处的除氯效果减弱，且当裂缝宽度超过0.5 mm后，减弱趋势更加明显.
图 10
图 10 钢筋表面层不同位置处的氯离子质量分数对比
Fig.10 Comparison of chloride ion mass fractions at different locations on surface layer of steel bar
产生上述现象的原因如下：裂缝的存在导致双向电迁移过程中在裂缝处产生了电流密度的集中效应，增强了裂缝部位的除氯效果；但同时，当各组的整体电流密度设定为一致时，裂缝部位的电流密度集中弱化了试件其余部位的氯离子迁出能力，随着裂缝宽度的增加，这种电流密度集中效应更加明显，即裂缝处氯离子排出效率随裂缝宽度增加而增强，其余部位的氯离子迁出效率随着裂缝宽度的增加而减弱.
3.4. 钢筋附近阻锈剂浓度
图 11
图 11 钢筋附近阻锈剂质量摩尔浓度对比
Fig.11 Comparison of molar concentration of TETA in layer near steel bar
由图11可见，双向电迁移后各组试件的钢筋阻锈剂质量摩尔浓度bTETA较为接近，均处于1.5×10−4~1.7×10−4 mol/g，沿钢筋长度方向分布规律与氯离子迁移规律相似，即试件无裂缝及裂缝宽度较小（<0.1 mm）时，阻锈剂均匀迁至钢筋表面；当裂缝宽度增大至0.3 mm后，沿钢筋长度方向呈现“V”型分布趋势，裂缝处的阻锈剂浓度随着裂缝宽度的增加而增加，但距裂缝20及60 mm处的阻锈剂浓度随裂缝宽度的增加而减小.
将各组试件钢筋附近的阻锈剂浓度与氯离子浓度（质量分数换算为质量摩尔浓度）之比R进行计算，结果如表3所示. 其中，x0为距离裂缝的位置.
表 3 钢筋附近阻锈剂与氯离子浓度比
Tab.3
| w/mm | x0 /mm | R | w/mm | x0 /mm | R | |
| 0 | 0 | 28.36 | 0.1 | 0 | 26.54 | |
| 20 | 27.16 | 20 | 26.24 | |||
| 60 | 28.80 | 60 | 25.24 | |||
| 0.3 | 0 | 33.05 | 0.5 | 0 | 31.97 | |
| 20 | 27.99 | 20 | 27.24 | |||
| 60 | 28.60 | 60 | 28.93 | |||
| 0.7 | 0 | 36.49 | 1.0 | 0 | 45.13 | |
| 20 | 20.72 | 20 | 15.13 | |||
| 60 | 17.70 | 60 | 10.8 |
4. 结 论
（1）将双向电迁移作用于开裂混凝土结构能够将钢筋的腐蚀电位恢复至较高值，对钢筋形成有效的阻锈防护，但裂缝宽度对于钢筋电位恢复效果的差异并不显著.
（2）双向电迁移及氯离子迁移特征试验表明，在通电情况下，裂缝对氯离子的迁移特征存在影响. 对于本试验，当裂缝宽度小于0.1 mm时，氯离子均匀迁移，与无裂缝时相近；当裂缝宽度大于0.3 mm时，裂缝处的氯离子迁移效率相对其余部位增强，整体呈现“V”型分布，且裂缝宽度越大，“V”型分布的趋势越明显.
（3）将双向电迁移作用于开裂混凝土结构可有效去除混凝土中的氯离子. 沿钢筋长度方向，裂缝处的除氯效果随着裂缝宽度的增加而增加，但距裂缝20及60 mm处的除氯效果减弱，且当裂缝宽度大于0.5 mm时减弱更加明显.
（4）将双向电迁移作用于开裂混凝土结构，钢筋附近的阻锈剂与氯离子浓度比值R大于有效值1，阻锈效果良好，且当裂缝宽度大于0.3 mm后，随着裂缝宽度的增加，裂缝处的R 值增加明显，但距裂缝20及60 mm处的R值相应减小。
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