CN106770519B

CN106770519B - 一种提升电化学修复混凝土效率的装置及方法

Info

Publication number: CN106770519B
Application number: CN201611199386.9A
Authority: CN
Inventors: 夏晋; 金世杰; 金伟良; 毛江鸿
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: CN106770519A

Abstract

本发明公开了一种提升电化学修复混凝土效率的装置及方法，该装置包括设置在阴极处的第一温度传感器，与第一温度传感器相连的显示器，以及温度控制器；浸入所述电解液中的搅拌器、电阻丝以及第二温度传感器，所述电阻丝的一端与搅拌器的一端相连，电阻丝的另一端和搅拌器的另一端以及第二温度传感器均与温度控制器相连。本发明以电解质溶液温度作为控制参数，简单、方便；实时监测混凝土内部温度，可以确保整个脱盐过程都在控制温度内进行；本发明可显著提高修复效率，节省了施工时间；显著提高电化学脱盐效率的同时无需增大通电电流密度，可以有效避免大电流密度带来的钢筋延性、混凝土黏结性能降低等负面影响。

Description

一种提升电化学修复混凝土效率的装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程混凝土结构耐久性修复的技术领域，具体涉及一种提升混凝土电化学修复效率的装置及方法。

背景技术

混凝土结构性能良好，造价低廉，在建筑工程中应用非常广泛。但事实上，大量的混凝土结构都由于各种原因而提前失效，达不到预定的服役年限。这其中有的是因为结构设计抗力不足或使用荷载的不利变化造成的，但更多的是由于耐久性的不足而导致的。混凝土结构由于耐久性不足造成的损失十分巨大。1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省、市、自治区的323个城市和5000个镇进行普查，在我国46.76亿m²的城镇房屋建筑中，有23亿m²需要分期分批进行评估与加固，其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。另外据1994年铁路秋检统计，在全国共有6137座铁路存在着不同程度的损伤，占铁路桥总数的18.8％。混凝土耐久性问题主要有碳化作用、氯盐侵蚀、冻融作用、碱‐集料反应等，其中氯盐侵蚀造成的危害最为严重。2004年《中国腐蚀调查报告》表明，建筑腐蚀造成的直接损失(1000亿元/年)中，氯盐环境的腐蚀占主要部分。氯盐侵蚀主要发生在海洋及近海地区、道路除冰盐、盐湖盐碱地和工业环境中。在氯盐侵蚀下，混凝土结构内部钢筋极容易锈蚀，导致混凝土结构性能劣化，影响结构正常使用，危害结构服役安全。因此，为了提升既有混凝土结构的耐久性能，延长结构的使用寿命，降低工程结构的全寿命周期成本，混凝土结构耐久性修复已成为土木工程中无法回避、刻不容缓需要解决的重要问题。

既有混凝土结构的耐久性修复方法主要有表面防护处理、钢筋阻锈处理、电化学修复方法，而对于已经发生钢筋锈蚀的混凝土结构，电化学保护法是使混凝土结构中钢筋立即停止锈蚀的唯一无损修复方法。电化学修复方法包括电化学再碱化、电化学沉积和电化学脱盐等修复方法。该类方法基本原理较为相似，特别地，针对氯盐侵蚀混凝土结构，普遍采用电化学脱盐修复方法，实施过程中在混凝土内部钢筋与外部电解液内金属网之间施加电场，使混凝土中钢筋附近的氯离子在电场力作用下迁向阳极，流动进入电解液中，内部钢筋的电极反应生成氢氧根离子，提高了钢筋附近混凝土的pH值，有利于钢筋恢复及维持钝态。

然而，电化学脱盐修复方法在效率上的仍缺乏有效的控制手段，电化学修复效率不足会延长结构修复工期，妨碍工程结构的正常使用，造成不良的社会影响；另一方面，传统的电化学脱盐修复方法一般通过增大通电电流密度和电压等参数来提升修复效率，而过大的电流密度和电压会导致钢筋氢脆、钢筋‐混凝土黏结性能下降等不良影响。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种提升混凝土电化学修复效率的装置及方法，该方法通过调节电解质溶液的温度，并监测混凝土内部温度来确保整个脱盐修复过程在所控制的温度范围内进行，使得在相同的修复时间内，迁出混凝土的氯离子含量更高。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种提升电化学修复混凝土效率的装置，包括位于混凝土中作为阴极的钢筋、槽口与所述的混凝土表面密封配合的电解槽、位于电解槽内的电解液、浸入所述的电解液中的阳极、以及向所述的阴极与阳极供电的直流电源，其中所述的电解槽带有电解液的进口、出口；所述电解槽与混凝土的表面相接触的部位设有遇水膨胀的止水压条，所述止水压条与混凝土的表面间设有止水带；所述电解槽的槽口部位带有用于压紧止水压条和止水带的外翻边，该外翻边与混凝土的表面之间通过螺栓固定；还包括设置在阴极处的第一温度传感器，与第一温度传感器相连的显示器，以及温度控制器；浸入所述电解液中的搅拌器、电阻丝以及第二温度传感器，所述电阻丝的一端与搅拌器的一端相连，电阻丝的另一端和搅拌器的另一端以及第二温度传感器均与温度控制器相连。

进一步的，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

进一步的，所述阳极优选不锈钢网。

进一步的，所述第二温度传感器布置在电解槽的一侧，且不与电解槽的槽壁接触，所述电阻丝布置在电解槽的另一侧。

进一步的，所述直流电源的负极连接有磁铁，磁铁吸附在阴极上。

本发明还提供一种使用上述的提升电化学修复混凝土效率的装置来提升电化学修复混凝土效率的方法，包括如下步骤：

(1)在待修复的混凝土表面两侧分别钻一个与阴极相通的圆孔，所述直流电源的负极穿过一个圆孔与阴极相连，第一温度传感器通过另一圆孔放置在阴极处；

(2)将电解液注入电解槽中，给温度控制器和显示器通电，搅拌器启动，电阻丝通电，通过温度控制器设定电阻丝的加热温度为50～60℃，第二温度传感器监测电解液的温度，将温度反馈给温度控制器；

(3)当第一温度传感器检测到的温度达到电解液的温度±5℃时，接通直流电源，开始电化学修复。

进一步的，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

进一步的，所述直流电源的电压为24V，施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m²。

进一步的，直流电源的接通时间为15～20天。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明以电解质溶液温度作为控制参数，简单、方便；实时监测混凝土内部温度，可以确保整个脱盐过程都在控制温度内进行；本发明可显著提高修复效率，节省了施工时间；显著提高电化学脱盐效率的同时无需增大通电电流密度，可以有效避免大电流密度带来的钢筋延性、混凝土黏结性能降低等负面影响。

附图说明

图1为本发明应用时所采用的电化学脱盐装置示意图；

图2为实例中不同温度下混凝土保护层内氯离子含量分布的等值线图；

图3为实例中实时监测的通电电流密度图；

图4为实例中实时监测的电解液与混凝土温度图；

图5为修复后氯离子浓度含量随保护层深度的变化曲线图；

图中，混凝土1、阴极2、电解槽3、电解液4、阳极5、直流电源6、进口7、出口8、止水压条9、止水带10、外翻边11、螺栓12、第一温度传感器13、显示器14、温度控制器15、搅拌器16、电阻丝17、第二温度传感器18、磁铁19。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例一种提升电化学修复混凝土效率的装置，它包括位于混凝土1中作为阴极2的钢筋、槽口与所述的混凝土1表面密封配合的电解槽3、位于电解槽3内的电解液4、浸入所述的电解液4中的阳极5、以及向所述的阴极2与阳极5供电的直流电源6，电解液4为饱和Ca(OH)₂溶液，阳极2为不锈钢网，电解槽3带有电解液4的进口7、出口8；电解槽3与混凝土1的表面相接触的部位设有遇水膨胀的止水压条9，所述止水压条9与混凝土1的表面间设有止水带10，电解槽3的槽口部位带有用于压紧止水压条9和止水带10的外翻边11，该外翻边11与混凝土1的表面之间通过螺栓12固定；装置还包括设置在阴极2处的第一温度传感器13，与第一温度传感器13相连的显示器14，以及温度控制器15；浸入电解液4中的搅拌器16、电阻丝17以及第二温度传感器18。

所述的搅拌器16、电阻丝17、第二温度传感器18都与温度控制器15相连接。电阻丝17通电时会放出热量，使电解液4的温度升高；搅拌器16桨叶浸没在电解液4中，通电时桨叶搅拌电解液4，使电解液4均匀受热；第二温度传感器18实时检测电解液4温度，并反馈给温度控制器15；温度控制器15根据第二温度传感器18反馈的电解液4温度，控制电阻丝17与搅拌器16通电、断电，使电解液4温度保持在指定范围内。

由于电解槽3与电解液4的导热系数不同，电解槽3的温度与电解液4不同。因此第二温度传感器18不能与电解槽3的槽壁接触，确保其检测的温度为电解液4温度；

第二温度传感器18需检测的温度为电解液4整体温度，而电阻丝17附近电解液4温度会略高于电解液4整体温度，因此将第二温度传感器18布置在电解槽3的一侧，电阻丝17布置在电解槽3另一侧，确保两者之间间隔一定距离。

所述直流电源6的负极引线绑在磁铁19上，磁铁19吸附在阴极2钢筋上。由于磁铁19能导电，采用磁铁19吸附阴极2钢筋的连接方式不会影响直流电源6负极与阴极2钢筋电路的连通性；在操作上，比引线直接连接钢筋的方式要简单许多。

本发明实施例还提供了一种使用上述提升电化学修复混凝土效率的装置来修复混凝土的方法，包括如下步骤：

(1)在待修复的混凝土1表面两侧分别钻一个孔径为12～14mm且与阴极2相通的圆孔，所述直流电源6的负极穿过一个圆孔20与阴极2相连，第一温度传感器13通过另一圆孔21放置在阴极2处；

(2)将电解液4注入电解槽3中，给温度控制器15和显示器14通电，搅拌器16启动，电阻丝17通电，通过温度控制器15设定电阻丝17的加热温度为50～60℃，第二温度传感器17监测电解液4的温度，将温度反馈给温度控制器15；

(3)当第一温度传感器13检测到的温度达到电解液4的温度±5℃时，接通直流电源6，开始电化学修复。

(4)通电15～20天后，结束通电。

在电化学修复过程中，可采用恒电压或恒电流的通电方法。在本发明的电化学修复中，采用恒电压的通电方法，电压大小为24V。由于过大的电流密度会带来钢筋氢脆、钢筋‐混凝土黏结性能下降等不良影响，在通电过程中需对电流密度进行监测，电流密度以钢筋的总表面积计不宜超过5A/m²。

在外加电场作用下，阴离子会向电场的正极方向发生迁移，电极处会有电极反应发生。在本发明提升电化学修复混凝土效率的装置中，直流电源负极与混凝土结构中的钢筋相连，直流电源的正极与浸入电解液的阳极相连。在外加电场作用下，氯离子等有害阴离子会向混凝土外部迁移；阴极钢筋处的电极反应产生氢氧根离子，增大了混凝土的碱性，有利于钢筋恢复及维持钝态。

在本发明的电化学修复通电过程中，电解液温度控制在50～60℃，混凝土内部温度控制在电解液温度±5℃。在这个温度范围内，离子在混凝土内部迁移的速率比常温要快，电化学修复的效率较高，通电修复时间只需15～20天。

温度对混凝土电化学修复效率的影响可从理论上分析：

1.温度对扩散系数的影响

在混凝土电化学脱盐过程中，氯离子的传输模式主要考虑扩散与电迁移。氯离子在混凝土内的浓度分布主要服从公式(1)。

式中，D表示氯离子的扩散系数，其它值一定时，D越大表示氯离子在混凝土内传输得越快。

而扩散系数D是与温度有关的一个量，可用公式(2)表示。

D＝BRT (2)

式中，T表示绝对温度，因此升高温度可以增大D的值，加快氯离子迁移速率，从而提升脱盐效率。

2.温度对电迁移项的影响

可以看到，公式(1)中，电迁移项(等号右边第二项)包含温度T，温度升高，通过电迁移传输的氯离子数量增大，从而脱盐效果提升。

3.温度对结合氯离子的影响

混凝土中的氯离子可以分成两种形态：自由氯离子与结合氯离子。在混凝土内传输的是自由氯离子。在考虑结合氯离子情况下，描述氯离子浓度分布的公式须作修正，如公式(4)所示。

式中，C_b表示结合氯离子浓度，项与温度有关，在自由氯离子浓度一定时，温度为T的结合氯离子浓度C_b满足Arrhenius经验公式。

其它值一定时，升高温度T(T>T₀)可以减小增大了(4)式等式右边项的值，加快了氯离子迁移速率，从而提升脱盐效率。

以上三个因素对脱盐效率的提升可相互叠加，因此升高温度对混凝土电化学脱盐效率的提升是很显著的。

实施例：

混凝土各组分的质量配比为：水泥：砂：石子：水＝1：0.43：1.10：2.05，即配置一立方米的新拌混凝土使用509kg水泥、220kg水、562kg中砂和1044kg粒径为5～16mm石子，其中，在混凝土浇筑时掺入水泥质量的1.6％即8.144kg的增塑剂，水泥质量3％即15.27kg的氯化钠(氯离子含量为水泥质量的1.8％)。所用钢筋直径为20mm，保护层深度为40mm。

为比较温度对电化学修复效率的影响，实施例采用本发明所述装置，对同时浇筑的三个混凝土试件，分别在三种温度下进行电化学修复。将饱和Ca(OH)₂溶液注入电解槽3中，给温度控制器15、显示器14、电阻丝17通电，启动搅拌器16。温度控制器15设定三组电解液4的温度分别为A组0℃，B组20℃，C组50℃。当第一温度传感器13检测到的温度达到温度控制器15设定温度±5°C时，接通直流电源6开始电化学修复。通电15天后断电，结束电化学修复。沿着混凝土保护层深度方向，钻孔取粉，每5mm为一层，将获得的混凝土灰粉作为一个样本，采用氯离子快速测定方法(RCT)测定混凝土内氯离子含量，氯离子含量为氯离子占混凝土的质量分数记录，绘图，计算并比对。

表1为不同温度下钢筋表面脱盐效率与总体效率的对比，脱盐效率根据剩余氯离子浓度与初始氯离子浓度计算得到。

表1

图2为不同温度下混凝土保护层内氯离子含量分布的等值线图。

图5为修复后钢筋附近氯离子浓度含量随保护层深度的变化曲线图。

从表1可以看出，温度对脱盐效率影响很大，20℃时总脱盐效率是0℃的3～4倍，50℃时脱盐效率也比20℃高了13％。

从图2可以看出，相同脱盐时间下，混凝土保护层内氯离子含量随温度升高显著减少。

从图5可以看出，A组(0℃)钢筋附近氯离子浓度大于0.4％水泥质量，根据现有研究，钢筋在这一浓度区间的氯离子作用下，易发生锈蚀；B组(20℃)氯离子含量在0.1％～0.4％水泥质量之间，此时钢筋可能发生锈蚀；而C组(50°C)氯离子含量基本在0.1％之下，此时钢筋仍处于钝化状态，不会锈蚀。

从以上结果可知，本发明通过控制温度来提升混凝土电化学脱盐效率是十分有效的。

Claims

1.一种提升电化学修复混凝土效率的方法，该方法在提升电化学修复混凝土效率的装置中实现，所述提升电化学修复混凝土效率的装置包括位于混凝土中作为阴极的钢筋、槽口与所述的混凝土表面密封配合的电解槽、位于电解槽内的电解液、浸入所述的电解液中的阳极、以及向所述的阴极与阳极供电的直流电源，其中所述的电解槽带有电解液的进口、出口；所述电解槽与混凝土的表面相接触的部位设有遇水膨胀的止水压条，所述止水压条与混凝土的表面间设有止水带；所述电解槽的槽口部位带有用于压紧止水压条和止水带的外翻边，该外翻边与混凝土的表面之间通过螺栓固定；其特征在于，还包括设置在阴极处的第一温度传感器，与第一温度传感器相连的显示器，以及温度控制器；浸入所述电解液中的搅拌器、电阻丝以及第二温度传感器，所述电阻丝的一端与搅拌器的一端相连，电阻丝的另一端和搅拌器的另一端以及第二温度传感器均与温度控制器相连；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）在待修复的混凝土表面两侧分别钻一个与阴极相通的圆孔，所述直流电源的负极穿过一个圆孔与阴极相连，第一温度传感器通过另一圆孔放置在阴极处；

（2）将电解液注入电解槽中，给温度控制器和显示器通电，搅拌器启动，电阻丝通电，通过温度控制器设定电阻丝的加热温度为50～60°C，第二温度传感器监测电解液的温度，将温度反馈给温度控制器；

（3）当第一温度传感器检测到的温度达到电解液的温度±5°C时，接通直流电源，开始电化学修复。

2.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

3.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，所述直流电源的电压为24V，施加的电流密度以钢筋的总表面积计为1～5A/m²。

4.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，直流电源的接通时间为15～20天。

5.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，所述阳极采用不锈钢网。

6.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，所述第二温度传感器布置在电解槽的一侧，且不与电解槽的槽壁接触，所述电阻丝布置在电解槽的另一侧。

7.根据权利要求1所述的提升电化学修复混凝土效率的方法，其特征在于，所述直流电源的负极连接有磁铁，磁铁吸附在阴极上。