浙江大学学报(工学版), 2021, 55(3): 511-518 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.011

土木与交通工程

基于多级电迁的混凝土内氯离子动态控制效果

宋鑫,, 樊玮洁,, 毛江鸿, 金伟良

1. 浙江大学 结构工程研究所,浙江 杭州 310058

2. 浙大宁波理工学院 土木建筑工程学院,浙江 宁波 315100

Dynamic control effect of chloride in concrete based on multi-level electromigration

SONG Xin,, FAN Wei-jie,, MAO Jiang-hong, JIN Wei-liang

1. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. School of Engineering and Architecture, NingboTech University, Ningbo 315100, China

通讯作者: 樊玮洁,女,博士,讲师. orcid.org/0000-0002-1828-0982. E-mail: fanwj@nit.zju.edu.cn

收稿日期: 2020-02-5  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51638013,51878610,51820105012),浙江省自然科学基金资助项目(LY18E080003,LQ19E080011,LQ19E080012)

Received: 2020-02-5  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(51638013,51878610,51820105012),浙江省自然科学基金资助项目(LY18E080003,LQ19E080011,LQ19E080012)

作者简介 About authors

宋鑫(1994—),男,硕士生,从事混凝土耐久性研究.orcid.org/0000-0002-6106-1590.E-mail:21712181@zju.edu.cn , E-mail:21712181@zju.edu.cn

摘要

为了高效排除钢筋附近与保护层内的氯离子,预埋碳纤维网作为内置电极对氯盐环境下的混凝土试件进行多级电迁的试验,研究其除氯效果. 利用碘离子迁移特征试验对离子迁移过程作直观效果反映,评价多级电迁对离子的迁移功能. 通过设置不同层数内置电极,定量研究电迁后试件内残余氯离子质量分数与空间分布. 结合既有结构氯离子质量分数调研数据,讨论基于多级电迁的混凝土结构长寿命防护策略. 结果表明:多级电迁对氯离子控制效果更显著,三级电迁作用下保护层除氯效果分别是两级电迁和单级电迁的1.20倍与2.26倍.

关键词: 混凝土耐久性 ; 电化学修复 ; 多级电迁 ; 氯离子 ; 均匀性

Abstract

An embedded carbon fiber net was used as the built-in electrode to carry out the electromigration repair of the concrete specimen in the chloride environment and eliminate the chloride ions near the reinforcement and in the concrete cover. The characteristic test of iodine ion migration was used to reflect the process of ion migration, and to evaluate the relay function of multi-level migration to ion migration. The concentration and spatial distribution of residual chloride ions in the repaired samples were quantitatively studied by setting different layers of built-in electrodes. The long-life protection strategy of concrete structures based on multi-level electrical migration was discussed combined with the investigation data of chloride concentration of existed structures. Experimental results show that the control effect of chloride of multi-level electromigration is more significant than that of direct electromigration. The chlorine removal efficiency of three-level electromigration is 1.20 times and 2.26 times of two-level electromigration and single-level electromigration, respectively.

Keywords: concrete durability ; electromigration ; multi-level electromigration ; chloride ; uniformity

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本文引用格式

宋鑫, 樊玮洁, 毛江鸿, 金伟良. 基于多级电迁的混凝土内氯离子动态控制效果. 浙江大学学报(工学版)[J], 2021, 55(3): 511-518 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.011

SONG Xin, FAN Wei-jie, MAO Jiang-hong, JIN Wei-liang. Dynamic control effect of chloride in concrete based on multi-level electromigration. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2021, 55(3): 511-518 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2021.03.011

沿海腐蚀环境中桥梁、码头等结构钢筋锈蚀风险高,其中氯盐侵蚀是引起混凝土结构耐久性劣化的主要因素[1]. 目前,常用耐久性设计措施包括增大保护层厚度、增设防腐涂料、使用环氧钢筋等[2],可有效抵抗混凝土结构耐久性劣化,并已在诸多工程中应用[3]. 然而,上述措施均存在不足与失效风险,如混凝土保护层增大易导致保护层开裂[2],环氧钢筋涂层局部破损易引起大阴极小阳极[4]造成局部腐蚀,防腐涂料使用寿命和结构寿命不匹配[5]等. 氯盐侵蚀环境下混凝土结构耐久性劣化,特别是氯离子侵蚀、钢筋脱钝及钢筋锈蚀为动态过程,对其进行动态控制可保障混凝土结构的长寿命,但目前采用的耐久性设计措施尚难以考虑混凝土结构耐久性的动态保障.

混凝土结构电化学修复方法将钢筋连接电源负极作为阴极,混凝土表面设置阳极材料并连接电源正极作为阳极,两者间施加电场作用控制氯离子的迁移,已证实可从源头解决氯盐引起的混凝土结构耐久性劣化问题[6]. 混凝土结构电化学修复方法最初以耐久性劣化混凝土结构的除氯为目的,较早由Elsener等[7]提出,并已应用于国内外多个工程项目. 近年来出现了不同功能要求的电化学方法,如混凝土再碱化[8]、电沉积技术[9]、电渗阻锈[10]以及双向电迁移[11]等,上述混凝土结构电化学修复方法利用电场作用可实现氯离子排除、裂缝修复以及钢筋阻锈等功能[12].

与传统的耐久性措施相比,混凝土结构电化学修复方法实现了混凝土结构耐久性的动态控制,但对混凝土结构存在一定负面效应[6],主要为钢筋氢脆、钢筋附近混凝土非均匀软化、钢筋混凝土粘结性能下降等. Buenfeld等[13]通过拉拔试验测试了电化学修复后钢筋与混凝土的粘结力,发现电化学修复对粘结力有显著影响,这可能是阳离子在钢筋表面聚集引起的. Siegwart等[14]对电化学修复后的预应力筋进行拉伸试验,发现析氢反应产生的氢原子渗入钢筋后不影响钢筋的强度,但对钢筋的塑性影响较大. Mao等[15]针对钢筋氢脆问题,通过优化电化学参数,试验表明双向电迁移可有效抑制渗透进入钢筋中的氢含量,降低钢筋氢脆风险. Zhang等[16]的研究表明,当采用3 A/m2的电流密度通电4周后,梁的承载能力下降约20%,可通过控制电通量实现负面效应控制. Arya等[17]通过在试块内预埋不同数量的钢筋进行除氯效率的研究,发现水平布置钢筋数量越多,形成的阴极区域越大,在恒定电流密度的作用下形成的电场分布更广,除氯效率也就越高. 综上所述,电化学修复对混凝土结构负面效应主要是混凝土软化、钢筋塑性降低及粘结滑移退化,通过控制流过混凝土及钢筋的电流密度是创新电化学方法的主要措施.

本研究提出基于电化学的海洋环境下混凝土结构氯离子控制方法. 通过施工期在混凝土保护层内预埋多层导电材料,研究多级防护体系控制混凝土内部氯离子质量分数的可行性,为实现保障混凝土结构长寿命的同时降低电流密度,从而控制技术负面效应提供研究基础.

1. 基于多级电迁的混凝土内氯离子动态控制方法

传统的单级电迁方法将混凝土中钢筋作为阴极,外设阳极金属板和电解液,通过外加电场将混凝土中有害离子排出混凝土保护层,如在电解液中加入阳离子型阻锈剂,则阻锈剂离子将电迁至钢筋表面起到防腐蚀作用[10]. 当传统电化学修复技术应用于保护层厚度较大的混凝土结构时,常出现残余氯离子质量分数较高、氯离子非均匀电迁等问题,为了保证除氯效果加大外加电流又会引起钢筋氢脆风险.

图1所示,设计基于多级电迁的混凝土结构电化学修复方法,基本工作原理与传统电化学修复方法基本相同,但结构形式与传统电化学方法相比有较大改进. 多级电迁方法的阴极不仅仅是混凝土内的结构受力钢筋,还包括预埋的碳纤维电极. Zhu等[18]的研究表明,碳纤维可作为良好的阳极材料,在4224 A·h/m2电通量下仍保持较高的强度与导电性能. 在电迁的不同阶段采用不同的电极进行通电修复. 多级电迁的技术优势在于将电阻较大的大保护层分割成若干电阻更小的小保护层,实现了小电流密度情况下高效迁移氯离子质量分数;同时,避免了传统方法为达到除氯效果,钢筋流过较大电流产生的氢脆问题.

图 1

图 1   多级电迁氯离子控制方法原理及结构示意图

Fig.1   Principle and structure diagram of multi-level electromigration control method


2. 试验研究

为了掌握多级电迁下混凝土氯离子控制效果,分别开展离子均匀性迁移效果和氯离子残余质量分数控制效果的试验研究. 多级电迁的离子均匀性迁移效果试验直观分析和评价多级电迁体系下混凝土内离子迁移规律,该试验迁移碘离子并进行显色分析,基于2种离子相似的传输特征,直观显现多级电迁下的氯离子迁移. 刘军等[19]通过对碘离子与氯离子进行对比试验,发现二者具有相似的传输过程模型,且碘离子具有更明显的显色反应,因此选用碘离子进行相关试验. 多级电迁的氯离子质量分数控制效果试验通过钻孔取粉的方式进行,试验定量评价多级电迁后混凝土内部氯离子的质量分数.

2.1. 试件设计

混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,保护层厚度为60 mm,试块中埋置1根直径14 mm的HPB300光圆钢筋,混凝土强度等级采用C30,配合比(质量比)水∶水泥∶砂∶石=0.58∶1∶1.74∶2.83. 选用网格尺寸10 mm×10 mm的碳纤维网作为预埋电极. 郭柱[20]采用3 A/m2的电流密度分别对20、40、60、80 mm的保护层厚度试件进行电化学除氯试验,结果表明,对于保护层小于40 mm的试件,电化学除氯可将残余氯离子降至较低水平;保护层厚度超过40 mm后,难以实现预期氯离子控制效果. 本研究采用碳纤维网,将60 mm保护层分割成理想的厚度. 试验分别设置两级电迁试件和三级电迁试件,将60 mm保护层分隔为3层20 mm和4层15 mm工况. 同时,设置传统的单级电迁试件进行对比分析. 每组3个平行试件,试件编号如表1所示.

表 1   试件分组设计

Tab.1  Setting of specimens

试验目的 试件编号 电迁类型 内置电极/层 通电时间/d
均匀性迁移效果 MI-0 单极电迁 0 18
MI-2 两极电迁 2 18
质量分数控制效果 MC-0 单极电迁 0 18
MC-2 两极电迁 2 18
MC-3 三极电迁 3 27

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2.2. 多级电迁的离子均匀性迁移效果试验

离子均匀性迁移效果试验,以电解液向混凝土内迁移碘离子的方式进行通电,采用单级电迁与两级电迁试件进行对比分析. 如图2所示,单极电迁选用钢筋为阳极、混凝土表面外加阳极金属板为阴极的形式布置,通电时长为18 d;两级电迁试件分2个阶段通电,每个阶段9 d,合计18 d. 电解质溶液为质量分数11.89%的碘化钠溶液. 通电结束后取出试件在压力试验机上沿轴向劈成两半,待表面干燥后喷射质量分数为30%的醋酸溶液进行酸化,随后喷射质量分数为1%碘酸钾溶液,将混凝土劈裂面上的碘离子氧化成碘单质,再喷洒2%的淀粉悬浮液,观察表面颜色变化.

图 2

图 2   离子均匀性迁移效果试验布置

Fig.2   Layout of ion uniformity migration effect test


为了考察两层内置电极对离子迁移的迁移作用,须劈裂不同电迁阶段的试件以观察显色效果. MI-2的1号试件第1阶段通电结束后劈裂进行显色观察;MI-2的2、3号试件第2阶段通电结束后劈裂进行显色观察. 对照组MI-0试件通电18 d后劈裂进行显色观察. 通过上述试验,以验证两层电极对离子迁移的迁移作用.

2.3. 多级电迁的氯离子质量分数控制效果试验

MC组混凝土中的氯离子通过电场作用迁出,为了模拟受氯盐侵蚀混凝土,在试件浇筑时掺入氯盐,实测初始氯离子质量分数为混凝土质量的0.2215%. MC-0为不设内置电极的对照组,电场布置为钢筋作阴极,不锈钢板作阳极,通电18 d. MC-2进行2阶段通电,MC-3进行3阶段通电,每阶段通电时间均为9 d,两级电迁与三级电迁的电极布置如图3所示. 每组3个平行试件,各试验组均以钢筋面积为标准选用3 A/m2的通电电流密度.

图 3

图 3   氯离子质量分数控制效果试验布置图

Fig.3   Layout of chloride ion concentration control effect test


为了定量分析多级电迁后混凝土内氯离子的分布特征,采用氯离子快速测试方法(rapid chloride testing, RCT)测试混凝土内不同位置的氯离子质量分数. 取样点选在钢筋正下方以及垂直钢筋方向两侧35 mm处,取样时沿保护层方向每隔10 mm为一层钻取粉末,如图4所示. 将所得粉样通过0.3 mm孔径的筛子筛分,称取粉样1.5 g,溶于15 mL去离子水中,浸泡24 h后进行RCT测试,测量混凝土中的氯离子质量分数[21].

图 4

图 4   试件取粉位置

Fig.4   Powder picking position


3. 基于多级电迁的混凝土内氯离子动态控制效果

3.1. 离子迁移的均匀性效果

试件通电结束后,将各组试件沿垂直钢筋方向劈裂,进行显色反应. 碘离子多级电迁后的显色结果如图5所示.

图5(a)为无内置电极的MI-0试件经过电迁后的碘离子显色结果. 图中钢筋正下方位置离子迁移深度较深,达到约50 mm位置;钢筋两侧区域离子迁移深度随着与钢筋距离增加而减少,边缘深度约为10 mm. 设置内置电极后的电迁效果如图5(b)(c)所示. MI-2的1号试件经过阶段1的电迁后,阳极的碳纤维布(电极1)下方出现深红色,覆盖整个阶段1电迁区域且颜色分布均匀,说明通过内置电极可保障离子在电场作用下的均匀电迁至电极1附近. MI-2的试件经过阶段1和阶段2电迁后,显色区域包含钢筋下方整个区域,表明阶段1迁移至碳纤维网之间的碘离子可在阶段2电场作用下继续向钢筋附近迁移,即多级电迁方法可使混凝土内位于不同深度的离子接力向某一方向移动,且与MI-0的试件相比,对离子的迁移作用更加均匀.

图 5

图 5   离子均匀性迁移效果试验显色结果

Fig.5   Color test results of ion uniformity migration effect


3.2. 混凝土内氯离子迁出特征

图6所示为多级电迁后各组试件氯离子质量分数分布,分别用MLR代表钢筋正下方及钢筋左侧、右侧的质量分数分布曲线,各个电极的位置在图中标出,横坐标为至试件电迁表面的相对距离x,纵坐标为氯离子质量分数wCl. 为了便于分析评价不同多级电迁方式对混凝土内氯离子的迁出作用,将各组试件的3个平行试块在各个位置深度处的残余氯离子质量分数取平均值.

图 6

图 6   氯离子迁出效果

Fig.6   Effect of chloride ion migration


图6(a)可知,不采用内置电极的对照组试块电迁除氯18 d后,钢筋周围除氯效率最高,远离钢筋处除氯效率随距离增大而降低. 由图6(b)可知,两级电迁试件在通电18 d后内部氯离子质量分数降低显著,钢筋周围氯离子质量分数为MC-0的41.93%;同时,残余氯离子质量分数随保护层深度增加整体呈下降趋势,钢筋表面最大氯离子残余质量分数为0.047 3%. 由图6(c)可知,三级电迁试件经过27 d电迁后钢筋周围氯离子质量分数为MC-0的19.34%,其余部位残余氯离子全部降至0.04%以下. 三级电迁试件在30 mm处氯离子质量分数高于两侧位置,可能原因为经过第1阶段的电迁氯离子在30 mm处堆积,第2阶段的电迁未能完全将离子继续向外部迁移,因此该处氯离子质量分数相对较高,但与两级电迁试件及对照组试件对比仍处于较低水平. 综上所述,通过设置多层内置电极,可解决传统电极电迁除氯能力有限的难题,将保护层中氯离子质量分数均控制到较低的水平.

4. 分析与讨论

4.1. 多级电迁对除氯均匀性的作用

为了直观分析比较各试件在深度方向上的除氯均匀性,将各组试件的氯离子质量分数曲线按取样位置(LMR)绘制,如图7所示. 由图可知,在钢筋正下方和两侧区域的各个深度处,电迁效率从高到低分别为三级电迁、两级电迁和单级电迁. 对照组试件与两级电迁试件的残余氯离子质量分数随着保护层深度的增加波动较为明显,即在深度方向上除氯不均匀程度较高. 三级电迁试件的残余氯离子在深度方向上分布较为均匀,除0~10 mm与20~30 mm位置出现少量氯离子堆积现象外,其余位置氯离子质量分数均在0.020%~0.024%. 说明随着内置碳纤维电极层数的增加,试件内部除氯效率与沿深度方向的均匀性都有所提升.

图 7

图 7   残余氯离子质量分数分布图

Fig.7   Residual chloride concentration distribution


为了分析各组试件在各个深度水平方向上的除氯均匀性,对取样数据进行统计分析,获得的标准差D图8所示. 由图可知,3组试件之间标准差数值差异明显,三级电迁、两级电迁和单级电迁试件的标准差平均值分别为1.18、3.11和7.05,说明随着内置电极数量的增加,除氯均匀性显著改善.

图 8

图 8   各深度氯离子质量分数标准差对比

Fig.8   Comparison of standard deviation of chloride concentration at different depths


为了分析该现象的原因,选取两级电迁试件,对其进行通电过程常电势条件下的电势模拟,以观察通电过程中的电场分布. 采用二维平面模型模拟两级电迁试件不同通电阶段下的电势分布情况及电场强度分布情况. 采用Comsol Multiphysics 5.3a版本进行数值模拟[22],电流密度选用和试验相同的3 A/m2,如图9所示. 图中 $ \varphi $为电势. 由图9(a)可知,在两级电迁试件的通电第1阶段,电场为非均匀电场,钢筋正下方的电场比两侧更为集中,造成水平方向上的除氯不均匀;第2阶段电场为均匀电场,如图9(b)所示,水平方向上的各个位置对氯离子的迁移作用相同,因此,第2阶段通电结束后该区域的残余氯离子质量分数更加均匀.

图 9

图 9   两级电迁试件电势分布图

Fig.9   Potential distribution of two-stage electromigration


由上述分析可知,保护层内电极的布置影响混凝土内部电势的分布,从而对氯离子迁出均匀性产生影响. 内置电极间距越小,所产生的电场越均匀,离子的迁出均匀性也就越高.

4.2. 基于多级电迁的长寿命耐久性控制

沿海环境中的钢筋混凝土结构受氯盐侵蚀严重,其耐久性寿命难以保障. 吴锋等[23]曾对国内某地区服役多年的码头进行调研和取芯分析,获得表面氯离子质量分数、氯离子扩散系数和氯离子侵蚀深度等数据,预测了某码头的理论使用寿命,如图10所示. 该结构不同构件主筋钢绞线保护层厚度为52.5~60 mm,由图可知,临界氯离子质量分数(胶凝材料质量的0.10%)在结构服役20、50、75年时,侵蚀深度将分别达30、50、60 mm. 当侵蚀深度较深时,传统电化学修复方法难以对钢筋附近区域进行有效的除氯.

图 10

图 10   某码头寿命预测曲线与长寿命控制策略

Fig.10   Life prediction curve and durability control strategy


以上述案例的数据为基础,提出基于多级电迁的长寿命耐久性控制策略. 在保护层厚度内埋设2层内置电极,将保护层划分为3个区域,分别为ABC. 依据不同的长寿命保障要求制定多级电迁策略,如图10表2所示. 对于以A中氯离子质量分数为控制指标的构件,按策略I进行除氯防护,即每隔20年以外部金属为阳极、内置电极2为阴极,排除A中的氯离子质量分数;对于以B中氯离子质量分数为控制指标的构件,按策略II进行除氯防护,即每隔50年以内置电极2为阳极、内置电极1为阴极,排除B中的氯离子质量分数;对于以C中氯离子质量分数为控制指标的构件,按策略III进行除氯防护,即每隔50~75年(按构件保护层厚度52.5~60.0 mm考虑)以电极1为阳极、钢筋为阴极,排除C中的氯离子质量分数.

表 2   不同修复策略下的多级电迁电场布置

Tab.2  Electric field layout under different repair strategies

策略 阳极 阴极 控制区域
I 外部阳极 内置电极2 A
II 内置电极2 内置电极1 B
III 内置电极1 钢筋 C

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由此可见,多级电迁依据工程结构耐久性的具体要求进行设计,可实现混凝土结构耐久性的长寿命保障,避免大保护层混凝土结构钢筋直接通大电流密度带来钢筋混凝土构件性能降低的风险.

5. 结 论

(1)多级电迁的离子迁移路径试验表明,多级电迁可有效作用于混凝土内带电离子,使其产生定向移动,且不同层级内置电极对离子的迁移有接力作用,使其突破保护层过大时离子迁移动力不足的难题.

(2)多级电迁氯离子质量分数控制效果的试验表明,多级电迁对大保护层(60 mm)中的氯离子有显著的降低效果. 三级电迁作用后,保护层内平均除氯效率为88.20%,分别是两级电迁和单级电迁的1.20倍与2.26倍,因此,通过施工期预埋电极可保障结构的长寿命.

(3)结合既有结构氯离子质量分数调研数据,讨论了基于多级电迁的混凝土结构长寿命防护策略. 与传统电化学修复技术相比,多级电迁有更好的除氯效果,可基于现有的研究成果进一步开展多级电迁对钢筋混凝土结构的作用效应研究.

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