CN102926349A - 基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固处理方法，其包括以下步骤：（1）对混凝土构件进行构件表面检测评估、修补和处理；（2）电化学脱盐处理；（3）根据修补时构件的状态和修补加固后使用寿命的要求确定脱盐处理后采用碳纤维加固或涂层防腐进一步提高结构的安全性或耐久性。本发明可以较彻底地清除侵入混凝土中的氯离子，从根源上保护混凝土中的钢筋；同时可以提高钢筋周围的碱性，中止钢筋的腐蚀过程。脱盐后根据构件的检测评估结果，实施环氧涂层防腐提高结构的耐久性，必要时采用碳纤维加固技术恢复结构的承载力。本发明的修补加固系统方法可以有效延长结构寿命15年以上。

Description

基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法及系统

技术领域

本发明专利属于海港工程混凝土结构修补加固领域，具体涉及一种针对海港工程环境中，混凝土构件遭受氯离子侵蚀导致的耐久性劣化、功能失效的修补加固。

技术背景

上世纪80年代以来，我国大量已建海港工程构造物随着时间的推移，大量氯离子侵入混凝土内部，加速钢筋的锈蚀，已出现材料劣化、结构功能降低的现象。为了保证我国既有海港工程构造物安全、正常地运营，对于已经出现材料劣化、功能降低的既有构造物，必须采取合理的维修对策，恢复其良好的使用功能和保证其安全的使用状态，并最大限度地延长其使用寿命。不久的将来，维修和改造将是我国重要基础设施维护的重点方向。

氯离子导致的钢筋锈蚀的修复方案可以选用补丁修补法和电化学脱盐修复法等方法。

补丁修补法是指用修补砂浆或混凝土修补构件中出现混凝土剥落、空鼓、裂缝的位置，这样修补后，已修补区域和未修补区域往往存在腐蚀电位差，会加速未修补区域的腐蚀。采用补丁法修复后，结构的目标使用寿命往往比较短，少则3年，多则5年结构就会再次失效，急需开发一种能够彻底清除混凝土中氯离子，使钢筋重新恢复钝化的混凝土结构修补加固系统方法。

目前，没有“基于电化学脱盐的混凝土结构修补加固系统”方面的专利，关于电化学脱盐技术有四个专利，分别是《一种钢筋混凝土电化学除盐循环装置》（ZL200620095539.0）；《一种钢筋混凝土电化学除盐电解质溶液》(ZL200610018508)；《混凝土电化学脱盐监测装置》(ZL200820202746.0)；《一种混凝土电化学脱盐系统》(ZL200820206218.2)。前3个专利分别提出了一种电化学除盐的循环装置的理念、电化学除盐的电解质溶液和电化学脱盐的监测装置，均只涉及到电化学脱盐方法的某个部分。《一种混凝土电化学脱盐系统》（ZL200820206218.2）专利中提及的电化学脱盐方法主要针对电化学脱盐过程，并没有对电化学脱盐前、电化学脱盐后的修补加固过程进行规定，并不构成一种完整的修补加固方法。该专利中提出的两层纤维加钛网的阳极系统，因钛网的价格较高，难于在大面积实际工程中应用。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种从混凝土构件的检测、脱盐及修复等各方面进行全方位修补加固海港工程混凝土修补加固系统的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固处理方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）电化学脱盐处理前对混凝土构件进行构件表面检测评估、修补和处理：对混凝土构件中存在的裂缝、保护层剥落、保护层厚度不足、钢筋没有电连接的部位进行修补，混凝土保护层厚度不足10mm的区域加厚至10~20mm；

（2）电化学脱盐处理：

待脱盐混凝土区域划分为若干个阳极区，以金属阳极网作为阳极，每一阳极区设置一根独立的阳极引线自金属阳极网延伸至电源正极，将金属阳极网覆盖在混凝土构件表面，使金属阳极网与混凝土表面具有3~5cm的间隔；

以混凝土构件中的钢筋作为阴极，从每个阳极区的表层钢筋引出阴极引线；

对待脱盐混凝土区域的混凝土构件表面喷射浸泡氢氧化钙溶液的木质纤维，再用土工布包裹，将阳极引线和阴极引线分别接至直流电源进行通电；

（3）电化学脱盐处理后根据修补时构件的状态和修补加固后使用寿命的要求采用碳纤维加固或涂层防腐进一步提高结构的安全性或耐久性。

进一步来说，每个阳极区的面积为120~160m²，每一阳极区划分为若干个阳极辅区，每个阳极辅区由一片金属阳极网构成，面积为15~25m²，各个阳极辅区相互间保持绝缘、电阻相当，并联至所述阳极引线。

在步骤（2）电化学脱盐处理中按钢筋面积计算的电流密度为1~2A/m²，通电时间为6~8个星期，混凝土的通电量为1200A·h/m²~1500A·h/m²，以混凝土中的氯离子占混凝土质量的百分比含量降低至0.05%作为停止通电的判断依据。

在电化学脱处理中通电结束后，检测混凝土中的氯离子含量，并在脱盐结束后2~3个月检测钢筋的自腐蚀电位，根据脱盐后混凝土中的氯离子浓度和钢筋的自腐蚀电位评价电化学脱盐的效果。

步骤（3）中对承载力不满足设计要求的构件，使用碳纤维加固方法进行加固，提高结构和构件的安全性能；对承载力满足设计要求的构件，使用环氧涂层封闭混凝土表面，提高构件的耐久性能。

所述金属阳极网为钛网或铁网。

一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统，其特征在于包括以下组成：

电化学脱盐处理前混凝土构件的表面修补处理结构，所述混凝土构件的表面修补处理结构包括加厚至10~20mm的混凝土保护层；及

电化学脱盐处理系统，所述电化学脱盐处理系统包括：

-划分于待脱盐混凝土区域的若干个阳极区，所述阳极区以金属阳极网作为阳极，每一阳极区设置一根独立的阳极引线自金属阳极网延伸至电源正极，将金属阳极网覆盖在混凝土构件表面，使金属阳极网与混凝土构件表面具有3~5cm的间隔；

-阴极，所述阴极为混凝土构件中的钢筋，从每个阳极区的表层钢筋引出阴极引线；

-喷射于混凝土构件表面的浸泡氢氧化钙溶液的木质纤维，喷射木质纤维后的混凝土构件以土工布包裹，所述阳极引线和阴极引线分别接至直流电源。

作为一种实施方式，所述电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统还包括在电化学脱盐处理后设置于混凝土构件表面的碳纤维加固层。

作为另一种实施方式，所述电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统还包括电化学脱盐处理后涂抹于混凝土构件表面的环氧材料封闭层。

在步骤（1）中本发明通过喷射混凝土、修补砂浆、立模浇注自密实混凝土等方法修补混凝土表面的保护层剥落空鼓部位，用开槽封闭法修补混凝土表面较小的裂缝，用化学灌浆法修补混凝土表面宽度较大的裂缝。

本发明通过对混凝土构件中钢筋保护层厚度、钢筋的自腐蚀电位、混凝土构件中氯离子浓度等的检测评估，确定电化学脱盐的参数选取及电化学脱盐系统安装问题，利用带电离子在外加直流电场作用下的定向迁移，将氯离子排至混凝土外部，可以在较短的时间内排除混凝土中的氯盐。该技术最大优点是可以在较少清除或不清除钢筋周围混凝土层的条件下进行，可以较彻底地清除侵入混凝土中的氯离子，从根源上保护混凝土中的钢筋；同时可以提高钢筋周围的碱性，中止钢筋的腐蚀过程。脱盐后根据构件的检测评估结果，实施环氧涂层防腐提高结构的耐久性，必要时采用碳纤维加固技术恢复结构的承载力。本发明的修补加固系统方法可以有效延长结构寿命15年以上。

附图说明

图1是本发明采用电化学脱盐操作中，梁的剖面图。

图2是本发明采用电化学脱盐操作中，梁的正视图。

图3是本发明采用电化学脱盐操作中，阳极区布置的平面示意图。

其中，木块垫条1 膨胀螺栓2 阳极网3 木质纤维4 钢筋5 阴极引线6 阳极引线7直流电源8 阳极辅区绝缘条9

具体实施方式

本发明采用以下步骤实现海港工程混凝土结构的修补加固，该加固方法主要包括以下三个步骤：

修补加固步骤一：对混凝土构件表面进行检测、修补和处理。

（1）电化学脱盐系统安装前，采用喷砂法或喷射高压水方法清除混凝土表面的油脂、涂层等，保证混凝土的导电性。

（2）检查所有构件表面的裂缝、已进行修补区域、空鼓区域等，标出混凝土保护层厚度不足10mm的位置，检测混凝土中氯离子浓度、混凝土中钢筋的半电池电位。修补已剥落的混凝土，清除空鼓的保护层，对宽度为0.2~0.3mm的裂缝，凿出深度不小于30mm，宽度不小于20mm的U形凹槽，并用修补砂浆修补。对宽度大于0.3mm的裂缝，应按每300~1000mm设置一个灌浆嘴进行裂缝修补。混凝土保护层厚度不足10mm的区域，应加厚保护层至10~20mm。

（3）检测混凝土构件表面所有可能与阳极直接接触或经过溶液接触的外露金属物，应尽量切除至混凝土表面以内10mm，并用水泥砂浆重新封闭。无法切除的部件，用环氧树脂或其它密封绝缘材料进行封闭。

修补加固步骤二：电化学脱盐处理。

（4）待处理混凝土构件进行阳极区的划分：每个阳极区的面积例如120~160m²，每个阳极区具有一根独立的阳极引线引至电源的正极。电化学脱盐前检测每个阳极区内混凝土构件中表层钢筋的电连接情况，可以通过混凝土剥落位置、空鼓位置或者钻孔引出钢筋接头，用高阻抗电压表检测任何两点的压差不超过1.0mV，或者任何两点之间的电阻小于5Ω即认为两点之间电连接。如果阳极区内的钢筋没有电连接，应在混凝土接头部位增加电连接。

将每个阳极区分成若干个阳极辅区组成，每个阳极辅区由一片独立的金属阳极网构成，其面积一般为15~25m²，一个阳极区内的各个阳极辅区设置绝缘条以保持相互绝缘，各阳极辅区电阻相当，并联连接至阳极电缆引线。不同阳极区或不同阳极辅区之间的间隔应为5~10cm。

电化学脱盐系统所用的阳极其作用是将电流平均分散到混凝土表面，其中，所述的辅阳极区为独立的导电金属网，比如铁网或钛金属阳极网等。绝缘条采用橡胶条。检测混凝土中初始氯离子含量和脱盐前钢筋的自腐蚀电位。

（5）电化学脱盐系统所用的阴极，一般为混凝土中的钢筋。按照每50m²（混凝土面积）引出一根阴极引线，每个阳极区内的阴极引线不少于2根，并用砂浆或环氧树脂等绝缘材料将阴极引出线部位封闭。

（6）阳极系统的安装：

阳极网的固定：按照图1~3所示，在梁或其它混凝土构件的侧面、底面分别安装不少于2根的断面尺寸为3*3cm，长度与构件等长的木方，用塑料膨胀螺栓将其固定在混凝土表面。用尼龙扎带将金属阳极网绑扎在木方垫条上，并在阳极网上焊接阳极电缆引线引至直流电源处。

电解质溶液保持材料及电解质溶液：一般用木质纤维作为电解质溶液保持材料。电解质溶液可选用自来水、饱和氢氧化钙溶液、锂盐氢氧化钙溶液中的一种，优选饱和氢氧化钙溶液。将饱和氢氧化钙溶液和木质纤维保水材料搅拌后喷射至混凝土表面，喷射厚度大约为4~5cm厚。氢氧化钙溶液可以润湿混凝土表面，同时作为氯离子向外迁移的载体，木质纤维可以保持混凝土表面始终处于湿润状态。

喷射完成后，为防止水分挥发，用土工布，如塑料布封闭脱盐区域，将阳极引线和阴极引线分别接至直流电源进行通电。

（7）通电脱盐：将阳极引线和阴极引线分别引至直流电源的正负极，并在每一个阳极辅区内安装电流计，记录每个阳极辅区内的电流和直流电源的输出电压，如果每个阳极辅区内的电流差别过大，应检查是否存在短路或断路现象。

根据脱盐前混凝土中的氯离子含量确定脱盐电流密度、通电时间和通电量。调整直流电源的输出电流，电流密度为1~2A/m²（按钢筋面积计算），通电时间为6~8个星期，通过混凝土的电流达到1200A·h/m²~1500A·h/m²，或者混凝土中的氯离子含量降低至0.05%（占混凝土质量的百分比）停止通电。

直流电源的接入系统应具有断路器或保险丝防止过载，直流电源的输出电压应控制在50V以下，钢筋通过黑色导线连接电源的负极，阳极通过红色导线连接电源的正极，安装电流计检测阳极区内的总电流和各个阳极辅区的电流。

（8）脱盐效果检测：

通电结束后，钻取芯样测定脱盐后混凝土中的氯离子浓度，检测浓度应低于临界氯离子浓度.并在脱盐结束后2~3个月检测钢筋的自腐蚀电位，评价电化学脱盐的效果。

修补加固步骤三：脱盐处理后的修补加固。

（9）电化学脱盐后，对承载力不满足设计要求的构件，使用碳纤维加固方法进行加固，提高结构的安全性能。

（10）电化学脱盐后，对承载力满足设计要求的构件，使用环氧涂层封闭混凝土表面，提高构件的耐久性能。

Claims (9)

1.一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）电化学脱盐处理前对混凝土构件进行构件表面检测评估、修补和处理：对混凝土构件中存在的裂缝、保护层剥落、保护层厚度不足、钢筋没有电连接的部位进行修补，混凝土保护层厚度不足10mm的区域加厚至10~20mm；

（2）电化学脱盐处理：

待脱盐混凝土区域划分为若干个阳极区，以金属阳极网作为阳极，每一阳极区设置一根独立的阳极引线自金属阳极网延伸至电源正极，将金属阳极网覆盖在混凝土构件表面，使金属阳极网与混凝土表面具有3~5cm的间隔；

以混凝土构件中的钢筋作为阴极，从每个阳极区的表层钢筋引出阴极引线；

对待脱盐混凝土区域的混凝土构件表面喷射浸泡氢氧化钙溶液的木质纤维，再用土工布包裹，将阳极引线和阴极引线分别接至直流电源进行通电；

（3）电化学脱盐处理后根据修补时构件的状态和修补加固后使用寿命的要求采用碳纤维加固或涂层防腐进一步提高结构的安全性或耐久性。

2.根据权利要求1所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于：每个阳极区的面积为120~160m²，每一阳极区划分为若干个阳极辅区，每个阳极辅区由一片独立的金属阳极网构成，金属阳极网的面积为15~25m²，各个阳极辅区相互间保持绝缘、电阻相当，并联至所述阳极引线。

3.根据权利要求1所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于：在步骤2电化学脱盐处理中按钢筋面积计算的电流密度为1~2A/m²，通电时间为6~8个星期，混凝土的通电量为1200A·h/m²~1500A·h/m²，以混凝土中的氯离子占混凝土质量的百分比含量降低至0.05%作为停止通电的判断依据。

4.根据权利要求3所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于：所述通电结束后，检测混凝土中的氯离子含量，并在脱盐结束后2~3个月检测钢筋的自腐蚀电位，根据脱盐后混凝土中的氯离子浓度和钢筋的自腐蚀电位评价电化学脱盐的效果。

5.根据权利要求1所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于：步骤3中对承载力不满足设计要求的构件，使用碳纤维加固方法进行加固，提高结构和构件的安全性能；对承载力满足设计要求的构件，使用环氧涂层封闭混凝土表面，提高构件的耐久性能。

6.根据权利要求1所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法，其特征在于：所述金属阳极网为钛网或铁网。

7.一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统，其特征在于包括以下组成：

电化学脱盐处理前混凝土构件的表面修补处理结构，所述混凝土构件的表面修补处理结构包括加厚至10~20mm的混凝土保护层；

电化学脱盐处理系统，所述电化学脱盐处理系统包括：

-划分于待脱盐混凝土区域的若干个阳极区，所述阳极区以金属阳极网作为阳极，每一阳极区设置一根独立的阳极引线自金属阳极网延伸至电源正极，将金属阳极网覆盖在混凝土构件表面，使金属阳极网与混凝土构件表面具有3~5cm的间隔；

-阴极，所述阴极为混凝土构件中的钢筋，从每个阳极区的表层钢筋引出阴极引线；

-喷射于混凝土构件表面的浸泡氢氧化钙溶液的木质纤维，喷射木质纤维后的混凝土构件以土工布包裹，所述阳极引线和阴极引线分别接至直流电源。

8.根据权利要求7所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统，其特征在于：还包括在电化学脱盐处理后设置于混凝土构件表面的碳纤维加固层。

9.根据权利要求7所述的基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固系统，其特征在于：还包括电化学脱盐处理后涂抹于混凝土构件表面的环氧材料封闭层。

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