碳化混凝土结构电化学再碱化的研究进展

摘要：综合论述了碳化混凝土结构的电化学再碱化方法原理以及过程现象,重点论述了国内外对其效果评价、过程控制等方面的研究进展,指出了进一步的研究应集中于再碱化机理、负面效应风险控制、长期耐久性的提高,提出了高耐久电化学再碱化控制的理论与方法。

关键词：碳化　混凝土　电化学　再碱化

0 　前言

钢筋混凝土是人类使用的最大宗的建筑结构材料,已经广泛应用于市政、道路、建筑、水工、地下、海工等工程中。然而,钢筋混凝土结构由于受到各种环境侵蚀作用在服役期间常产生劣化而破坏[1～3 ] 。钢筋锈蚀是钢筋混凝土劣化的最主要原因之一[1 ,4 ] ,而碳化是诱导钢筋混凝土中钢筋锈蚀的两个主要原因之一[5 ,6 ] 。

电化学再碱化是钢筋混凝土结构电化学修复技术的主要方法之一[7～12 ] 。碳化混凝土的电化学再碱化修复方法是利用电化学原理恢复钢筋混凝土结构内部碱度,使钢筋再钝化的有效方法[13～17 ] 。电化学再碱化方法可有效克服传统修补方法不能标本兼治、修复不耐久等局限性,具有环境污染小、省时、耐久等特点[4 , 18～25 ] 。本文论述了电化学再碱化方法的原理及过程现象,重点论述了其过程控制、效果评价等方面的国内外研究进展,并指出了目前研究中的不足与进一步研究方向,为该方法的研究与应用推广奠定了理论基础。

1 　电化学再碱化方法的应用原理

碳化混凝土电化学再碱化方法的基本原理是利用钢筋混凝土的特性与环境条件,将混凝土结构中钢筋作为阴极,在结构外部附加一个阳极,并置于碱金属的电解质溶液中,在一定的时间内向混凝土中通入直流电,阴极发生的电化学反应、电迁移、电渗、吸附、扩散等过程将氢氧根离子引入钢筋周围的混凝土中,使混凝土内部p H 值升高,恢复碳化混凝土的内部碱度,从而抑制钢筋腐蚀。处理时间大约持续几天到几个星期。电解产生的氢氧根离子与所通过的电量成正比,电迁移使得部分氢氧根向阳极移动,甚至迁移出混凝土,而等量的碱金属离子会迁移进入混凝土。电化学再碱化方法的原理示意图如图1 所示[6 ] 。

电化学再碱化的修复过程中通常会发生下列物理化学现象和电化学过程。探究这些现象与过程的变化规律是高效利用电化学再碱化方法的关键技术。

1. 1 　电解及其化学反应

混凝土中电流流动会引起电极(阳极、阴极) 上发生电化学反应,一般称这种反应为电解。在阴极会发生以下电解反应产生氢氧根离子:

O2 + 2H2O + 4e - →4OH - (1)

2H2O + 2e - →2OH - + H -2 (2)

阴极发生哪种反应取决于钢筋周围的氧气可获性,与电流密度和混凝土的含水量相关。对电化学再碱化方法,在高电流密度和混凝土水饱和的情况下,没有足够的氧气扩散到钢筋维持反应(1) ,主要发生反应(2) 。

在阳极,对于惰性电极,一般水或氢氧根离子会发生氧化反应,如式(3) 、(4) 。如采用非惰性金属电极,则会发生金属氧化反应。

4OH - →O2 + 2H2O + 4e (3)

2H2O →O2 + 4H+ + 4e (4)

Fe →Fe2 + + 2e (5)

电解反应产生的氢氧根会引起钢筋附近孔溶液p H 值的升高,从而使钢筋再钝化。

如当电解质溶液中含有其他阳离子如Ca2 + 、Mg2 + 等,其向阴极电迁移,便与阴极附近的氢氧根离子发生反应,在混凝土内部与表面生成不溶性沉积物。这种处理可有效提高再碱化后的混凝土结构的长期耐久性[11 ] 。

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