CN102653990A - 一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法 - Google Patents

一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，将阻锈剂注入到电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，在混凝土表面铺设不锈钢网作为阳极，阳极浸入到含有阻锈剂的电解液中，在阳极与阴极间施加直流电源，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m2，通电时间10～20天后，结束通电。本发明方法操作方便，提高了阳离子阻锈剂的迁移能力，能使阻锈剂在较短时间内电渗到钢筋表面；采用本发明能有效地除去混凝土保护层中的氯离子，氯离子析出率高；提高了已锈蚀钢筋的腐蚀电位，锈蚀速率降低，实现再钝化，最大程度地修复盐害混凝土结构，按预期要求延长结构使用寿命。

Description

一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法
技术领域
本发明涉及电化学修复技术领域，尤其是一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法。 
背景技术
处于海水及海洋气候等恶劣的腐蚀环境中的混凝土结构，其工程寿命能否达到人们设计时所期望的百年要求，是一个相当严峻的问题。我国沿海地区钢筋混凝土建筑物一般在建成后10年左右会有不同程度的锈蚀破坏，严重的甚至危及建筑物的安全，而提高混凝土结构耐久性是解决此问题的关键所在。但由于设计、使用或维护不当等原因，大量沿海混凝土结构均存在不同程度的耐久性问题。由于混凝土结构耐久性不足，每年都会造成巨大的经济损失，如何对已发生耐久性病害的混凝土结构进行修复，延长其使用寿命，已日益成为一个迫切需要解决的世界性问题。 
目前国内外主要采用的混凝土结构延寿方法包括传统修补法、迁移型阻锈剂的使用以及电化学除氯技术。传统修补法是将已经劣化的混凝土保护层凿除，对钢筋进行除锈、防锈处理后，再用环丙砂浆、丙乳砂浆等进行修补复原，但该方法不能有效去除混凝土中的氯离子，且处于新旧混凝土中的钢筋表面存在电位差，所以，钢筋很有可能再次锈蚀。迁移型阻锈剂虽然凭借浓度差能向混凝土内部渗透，但当混凝土保护层较厚或混凝土密实度较大时，阻锈剂不能到达钢筋表面或钢筋附近阻锈剂浓度不足，进而无法起到应有的阻锈效果。电化学除氯技术虽能有效地去除混凝土保护层中的氯离子，但电化学除氯技术仅消除了诱发钢筋锈蚀的外部因素。电化学除氯后，若钢筋仍处于活化状态，则钢筋将继续锈蚀。 
授权公告号为CN101787534B的中国专利公开了一种基于用BE阻锈剂电渗盐污染构筑物的修复方法及装置，所述的方法包括在构筑物表面设置阻锈剂；向阻锈剂-电解液保持、循环系统中注入BE阻锈剂及电解液；将阳极置于所述的阻锈剂-电解液保持、循环系统中；将阳极与直流电源 的正极相连，而将直流电源的负极与构筑物中的钢筋相连；控制电流密度，连续通电，直至被修复的混凝土中钢筋附近富集BE电渗阻锈剂有效基团，在钢筋表面形成保护膜。该方法在电场作用下具有排除氯离子的效果，但是混凝土中有害离子析出效率不高。 
基于以上原因，提供一种电迁移型阻锈材料，使其具有较高渗透效果的基础上，将其与电化学除氯方法相结合，利用电场对离子迁移的加速作用，改变传统电化学除氯法仅对有害离子的单向渗出作用，使其在工作过程中还能将阻锈材料渗入到混凝土内部中，从而实现对混凝土结构的双向电渗阻锈延寿，并以此实现大幅提高混凝土结构耐久性病害的维修效率具有重要的意义。 
发明内容
本发明提供了一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，修复效果好，氯离子析出率高，提高了混凝土结构的耐久性。 
一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，将阻锈剂注入到电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，在混凝土表面铺设网状阳极，阳极浸入到含有阻锈剂的电解液中，在阳极与阴极间施加直流电源，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m2，通电时间10～20天后，结束通电。 
所述的电解液为浓度为0.002～0.02mol/L的LiOH水溶液或浓度为0.001～0.005mol/L的Li2B4O7水溶液，即每升LiOH水溶液中含有0.002～0.02mol的LiOH或每升Li2B4O7水溶液中含有0.001～0.005mol的Li2B4O7。 
所述的阳极为钢丝网或不锈钢网，为防止阳极材料在短期内被腐蚀损坏，减少对混凝土表面的污染，所述的阳极优选为不锈钢网。 
所述的含有阻锈剂的电解液中，阻锈剂的浓度为0.5～1.0mol/L，即每升含有阻锈剂的电解液中含有0.5～1.0mol的阻锈剂。 
所述的阻锈剂为烯胺基、脂肪胺基、醇胺基有机阻锈剂或胍类有机阻锈剂，它们在一定pH值下可以近似完全解离成阳离子，可以在电场作用下向混凝土内部钢筋附近加速迁移，并且有较好的阻锈能力，为了提高阻锈效果，所述的阻锈剂优选为三乙烯四胺、1，6-己二胺、乙醇胺、胍或N，N-二甲基乙醇胺。 
由于上述阻锈剂溶于水后，溶液pH值较大，溶液偏碱性，为了使阻锈剂在电解液中获得充分的解离，所述的电解液的pH必须维持在阻锈剂解离常数Ka之下，通常使用磷酸、亚磷酸或焦磷酸来调节溶液的pH，但pH值若过小则不利于氯离子的排出，且酸性溶液会对混凝土表面产生腐蚀，因此含有阻锈剂的电解液的pH优选为6～12，在电渗处理过程中，定时测定含有阻锈剂的电解液的pH值，当pH值低于6时，应更换电解液。 
在电渗处理过程中，通常采用恒电压或恒电流通电方法，在本发明的电化学除氯与电渗过程中，采用的是恒电流通电的方法，以电流密度为控制参数，电压随混凝土结构的密实程度、保护层厚度等因素的不同而不同。 
合理的控制电渗过程中的电流密度和通电时间，可以有效的减小电渗过程对混凝土的力学、物理等性能造成的一些不利影响，如析氢作用、碱骨料反应，也可以提高电渗阻锈效果，所述的直流电源通电时施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电时间为15天。 
在外加电场作用下，阳离子会向电场的负极方向迁移，而阴离子则会向电场的正极方向发生迁移，混凝土结构中钢筋与直流电源的负极相连，而浸入含有阻锈剂的电解液中的阳极与直流电源的正极相连，在外加电场作用下，混凝土孔隙液中的有害阴离子，如氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子等，会向混凝土外部迁移，电解液中的阻锈剂的阳离子会向混凝土内部迁移，并在钢筋表面形成一层致密的保护膜，将氯离子、氧气等有害物质隔离开，从而达到阻锈的作用。 
在双向电渗修复后的混凝土表面涂有防止氯离子侵入的材料，如抗氯离子渗透涂料，以阻止氯离子再次侵入；对于钢筋严重锈蚀已经出现膨胀裂缝的区域，在双向电渗前，应先采取局部挖除的修复方法。 
与现有技术相比，本发明具有以下优点： 
本发明方法操作方便，提高了阳离子阻锈剂的迁移能力，能使阻锈剂在较短时间内电渗到钢筋表面；本发明方法能有效地除去混凝土保护层中的氯离子，氯离子析出率高；提高了已锈蚀钢筋的腐蚀电位，锈蚀速率降低，实现再钝化，最大程度地修复了盐害混凝土结构，延长了混凝土结构使用寿命。 
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步阐述。 
实施例1 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前混凝土试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
将0.024g LiOH加入到84ml去离子水中配制LiOH水溶液，再将15.39g三乙烯四胺(纯度大于95％)注入到LiOH水溶液电解液中，加入5.765g磷酸(纯度为85％)，配制成100ml pH值为10.25的含有三乙烯四胺的电解液，其中三乙烯四胺的摩尔浓度为1mol/L。在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到6L含有三乙烯四胺的电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电15天后，结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。一般认为当腐蚀电势高于-200mV～-300mV，腐蚀电流密度小于0.1μA/cm2～0.2μA/cm2时，钢筋再钝化。从表2中可以看出，双向电渗后，钢筋再钝化，钢筋的腐蚀电位明显提高，说明提高了钢筋的耐蚀性。 
实施例2 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前混凝土 试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定此时混凝土试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
将0.024g LiOH加入到84ml去离子水中配制LiOH水溶液，再将11.621g的1，6-己二胺(纯度大于99％)注入到LiOH水溶液电解液中，加入4.804g磷酸(纯度为85％)，配制成100ml pH值为11.23的含有1，6-己二胺的电解液，其中1，6-己二胺的摩尔浓度为1mol/L。在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到6L含有1，6-己二胺的电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电时间15天后，结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。可以看出，双向电渗后，钢筋再钝化，钢筋的腐蚀电位明显提高，提高了钢筋的耐蚀性能。 
实施例3 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前混凝土试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定此时混凝土试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
将0.024g LiOH加入到92.5ml去离子水中配制LiOH水溶液，再将6.11g的乙醇胺(纯度大于99％)注入到LiOH水溶液电解液中，加入4.804g磷酸(纯度为85％)，配制成100ml pH值为9.41的含有乙醇胺的电解液，其中乙醇胺的摩尔浓度为1mol/L。在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到含有乙醇胺的电解液中，以混凝土中的 钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电时间15天后，结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。可以看出，双向电渗后，钢筋再钝化，钢筋的腐蚀电位明显提高，提高了钢筋的耐蚀性能。 
实施例4 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前混凝土试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定此时混凝土试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
将0.024g LiOH加入到100ml去离子水中配制LiOH水溶液，再将9.0085g的碳酸胍(纯度大于99％)注入到LiOH水溶液电解液中，配制成100ml pH值为11.33的含有胍的电解液，其中胍的摩尔浓度为1mol/L。在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到含有胍的电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电时间15天后，结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。可以看出，双向电渗后，钢筋再钝化，钢筋的腐蚀电位明显提高，提高了钢筋的耐蚀性能。 
实施例5 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前混凝土试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定此时混凝土试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
将0.024g LiOH加入到89ml去离子水中配制LiOH水溶液，再将8.914g的N，N-二甲基乙醇胺(纯度大于99％)注入到LiOH水溶液电解液中，加入2.0g磷酸(纯度为85％)，配制成100ml pH值为9.96的含有N，N-二甲基乙醇胺的电解液，其中N，N-二甲基乙醇胺的摩尔浓度为1mol/L。在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到含有N，N-二甲基乙醇胺的电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电时间15天后，结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。可以看出，双向电渗后，钢筋再钝化，钢筋的腐蚀电位明显提高，提高了钢筋的耐蚀性能。 
对比例1电化学除氯 
混凝土中各组分的质量配比为：水泥∶砂∶石子∶水＝1∶1.40∶2.60∶0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210kg水、429kg水泥、600kg中砂、1115kg粒径为5～18mm石子，在混凝土浇铸时掺入水泥质量百分之二即8.58kg的氯化钠，水灰比为0.5，保护层深度为40mm，标准养护28天，常温室内放置5个月后，用电化学工作站Reference600测定修复前试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，发现钢筋已经锈蚀，获得钢筋的初始腐蚀电位的数据如表1所示。同时，采用氯离子快速测定方法(RCT)测 定此时试件内氯离子含量，初始试验数据如表3所示。 
在待修复混凝土结构表面铺设不锈钢网，作为阳极，将阳极浸入到6L饱和Ca(OH)2水溶液(室温)电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，采用直流电源，开始连续通电，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，通电15天，每隔2天更换不锈钢网片(电化学除氯时不锈钢网很容易锈，需要更换，双向电渗时不锈钢网不会生锈，不用更换)，15天后结束通电。 
通电结束后，通风晾干一个月，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土试件内氯离子含量如表3所示。用电化学工作站Reference6000测定修复后试件中钢筋的电化学阻抗谱和弱极化曲线，获得修复后钢筋的腐蚀电位Ecorr如表2所示。 
测试分析 
将实施例1～5、对比例1中已修复的混凝土，沿着保护层深度方向，钻孔取粉，每打5mm(5mm为一层)，将获得的混凝土灰粉作为一个样本，一式两份，一份采用氯离子快速测定方法(RCT)测定样本中氯离子含量，实验数据如表3所示。另一份采用有机元素分析仪Thermo Finnigan，Flash 1112EA测定样本中阻锈剂的含量，实验数据如表4所示。双向电渗后钢筋附近阻锈剂与氯离子的摩尔比如表5所示，从表5中可以看出，钢筋附近阻锈剂含量远远高于剩余氯离子含量，获得了良好的阻锈效果，钢筋不易锈蚀。 
表1混凝土试件双向电渗前的初始腐蚀参数 
Figure BDA0000157974350000081
表2混凝土试件双向电渗后的腐蚀参数 
Figure BDA0000157974350000082
表3单位质量混凝土中剩余氯离子的摩尔含量(10-3mol/g) 
Figure BDA0000157974350000091
表4双向电渗后单位质量混凝土中阻锈剂的摩尔含量(10-3mol/g) 
Figure BDA0000157974350000092
表5双向电渗后钢筋附近阻锈剂与氯离子的摩尔比 
  阻锈剂   三乙烯四胺   1，6-己二胺   乙醇胺   胍   N，N-二甲基乙醇胺
  摩尔比   1.8430   4.3023   7.1284   2.0848   6.6850

Claims (8)

1.一种腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，将阻锈剂注入到电解液中，以混凝土中的钢筋为阴极，在混凝土表面铺设网状阳极，阳极浸入到含有阻锈剂的电解液中，在阳极与阴极间施加直流电源，控制施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m2，通电时间10～20天后，结束通电。
2.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的电解液为浓度为0.002～0.02mol/L的LiOH水溶液或浓度为0.001～0.005mol/L的Li2B4O7水溶液。
3.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的阳极为钢丝网或不锈钢网。
4.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的含有阻锈剂的电解液中，阻锈剂的浓度为0.5～1.5mol/L。
5.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的阻锈剂为烯胺基、脂肪胺基、醇胺基有机阻锈剂或胍类有机阻锈剂。
6.如权利要求5所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的阻锈剂为三乙烯四胺、1，6-己二胺、乙醇胺、胍或N，N-二甲基乙醇胺。
7.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的含有阻锈剂的电解液的pH为6～12。
8.如权利要求1所述的腐蚀混凝土结构的双向电渗修复方法，其特征在于，所述的电流密度以钢筋的总表面积计为3A/m2，所述的通电时间为15天。
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