CN108821792A - 一种提高混凝土耐久性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢筋混凝土耐久性提升技术领域，具体而言，涉及一种提高混凝土耐久性的方法。该方法以纳米材料电迁移的方式提高混凝土耐久性，在外加直流电场的作用下将带正电的纳米氧化铝基团迁移至混凝土内部。可提高钢筋混凝土之间的粘结强度，改善混凝土孔隙结构分布，解决了电化学修复方法带来的缺陷，且附着在钢筋表面的氧化铝可形成保护膜一定程度上可提高钢筋混凝土抵抗氯二次侵蚀的能力。

Description

一种提高混凝土耐久性的方法
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土耐久性提升技术领域，具体而言，涉及一种提高混凝土耐久性的方法。
背景技术
混凝土结构中钢筋锈蚀是伴随砼结构全寿命周期内不断发展的化学反应过程，在自然环境条件下，随着时间的推移，钢筋混凝土结构的耐久性问题则日益突出，使用一定的年限后会就发生锈蚀，进而影响到建筑安全。因此，需要对混凝土钢筋锈蚀的采取技术上可行、经济上合理的修复方法。
目前，在混凝土耐久性能提升技术方面，主要有传统修补法和电化学修复方法。传统修复方法存在的主要问题在于修复效果难以满足长期耐久性要求，尤其对于已遭受氯盐侵蚀的海洋环境中的钢筋混凝土结构。由于混凝土中钢筋锈蚀是一个电化学过程，电化学方法则以此为基础，使其逆向反应，达到修复锈蚀钢筋的效果。常用的电化学方法包括阴极保护技术，电化学再碱化处理技术，电化学除氯技术，电沉积技术等。新型电化学方法也在不断发展，包括电渗阻锈技术，双向电渗修复技术等。可见电化学方法始终是混凝土中钢筋锈蚀无损修复的未来发展方向。
在混凝土中钢筋锈蚀常用的电化学方法中，阴极保护技术是以抑制钢筋表面形成腐蚀电池为目的的电化学防腐技术，主要包括牺牲阳极和外加电流辅助阳极法，阴极保护法总体效果较好，但该方法从结构建设期就需要专人管理和维护，并且需要长期维护，成本较高，因此其推广应用受到了一定的限制。
电化学再碱化处理主要通过无损伤的电化学手段来提高被碳化混凝土保护层的碱性，使其pH值回复到11.5以上，从而降低钢筋腐蚀活性，使钢筋表面恢复钝化，以减缓或阻止锈蚀钢筋的继续腐蚀。该技术主要用于所有碳化的混凝土构筑物，对于其他原因腐蚀的混凝土结构效果一般。
电化学除氯的基本原理是以混凝土中的钢筋作为阴极，在混凝土表面敷置或埋入电解液保持层，在电解液保持层中设置钢筋网或者金属片作为阳极，在金属网和混凝土中的钢筋之间通以直流电流。在外加电场作用下，混凝土中的负离子(Cl-、OH-等)由阴极向阳极迁移，正离子(Na+、K+、Ca2+等)由阳极向阴极迁移。Cl-由阴极向阳极迁移并脱离混凝土进入电解质就达到了脱氯除盐的目的，同时阴极发生电化学反应，形成的OH-向阳极迁移，氯离子得到排除的同时钢筋周围和混凝土保护层中的碱性升高，有利于钢筋恢复并维持钝态，又在一定程度上可提高钢筋混凝土抵抗Cl-二次侵蚀的能力。电化学除氯方法作为一种较为成熟的技术对受氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构具有较好的修复效果，但也会对其产生一些不利影响，主要包括析氢作用对钢筋混凝土之间粘结强度的影响以及混凝土孔径分布改变，孔隙率变化所造成的影响。
近十几年来，钢筋阻锈剂作为一种使用简单、经济有效的钢筋防腐措施，被大量应用于工程中。电渗阻锈技术主要利用电场将有效阻锈剂基团输送至钢筋表面，该技术采用的有机阻锈剂较为昂贵，且需要较长的通电时间才能达到满意的效果，因此发展较慢，直到最近几年才有所进展。其主要包括MCI产品，BE阻锈剂等，能在较短时间内迁移至10cm厚的混凝土内，并对钢筋具有明显的阻锈效果。
双向电渗技术由浙江大学结构工程研究所金伟良教授首先提出，其基本原理是在电迁移作用下，电解质溶液中的阳离子阻锈剂向阴极钢筋处迁移，同时混凝土孔隙液及钢筋表面的氯离子向阳极迁移进入电解质溶液中。双向电渗技术考虑了电化学除氯与电迁移阻锈剂的耦合作用，对锈蚀钢筋混凝土既起到了修复效果，又有保护作用，特别是长期效果，在抑制钢筋后期锈蚀发展方面存在明显的优势。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供了一种提高混凝土耐久性的方法，以纳米材料电迁移的方式提高混凝土耐久性，在外加直流电场的作用下将带正电的纳米氧化铝基团迁移至混凝土内部。可提高钢筋混凝土之间的粘结强度，改善混凝土孔隙结构分布，解决了电化学修复方法带来的缺陷，且附着在钢筋表面的氧化铝可形成保护膜一定程度上可提高钢筋混凝土抵抗氯二次侵蚀的能力。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，在外加直流电场的作用下将带正电的纳米氧化铝基团迁移至混凝土内部。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
以电化学修复技术为基础，以纳米氧化铝溶液作为电解质进行电迁移处理。使用的材料价格经济合理，装置简单，处理时间较快。电处理完成后既能降低混凝土中氯离子的浓度，又能提升钢筋混凝土之间的粘结强度，改善混凝土内部孔隙结构分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中的纳米氧化铝粒径分布图；
图2为一个实施例中的试件一布置示意图，其中1为钢筋，2为纳米氧化铝溶液，3为金属网，4为取样位置，5为环氧树脂，6为取样第一层，7为取样第二层，8为取样第三层；
图3为一个实施例中的试件一第一层的电镜扫描图；
图4为一个实验例的试件二布置示意图，其中1为混凝土，2为钢筋，3为塑料管套，4为环氧密封。
具体实施方式
本发明提供了一种提高混凝土耐久性的方法，即在外加直流电场的作用下将带正电的纳米氧化铝基团迁移至混凝土内部。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米材料能够填补孔隙，改善结构性能，在电化学修复方面也有较好的表现。
纳米氧化铝作为电解质溶液，在电场的作用下，带有正电荷的纳米氧化铝基团，会形成阳离子基团，纳米氧化铝基团会快速的向混凝土内部迁移，同时混凝土内带负电荷的氯离子向外部迁移。由于纳米粒子的颗粒很小，进入混凝土后可以有效的填补混凝土中的孔隙，当纳米粒子达到钢筋表面时，会形成保护层，减少阴极析氢作用的产生，提高钢筋混凝土之间的粘结强度，降低了电化学修复过程带来的不利影响。
所述纳米氧化铝溶解于溶液以带正电；
所述溶液pH为4～7，如在不用的实施例中pH还可以为4.5、5、5.5、6、6.5等等。
优选地，所述溶液pH为5～7。
在此pH下，纳米氧化铝基团带有正电荷，可在外加电场的作用下向电源负极移动。
优选地，溶液中纳米氧化铝的质量浓度为15％～25％，如在不用的实施例中还可以为16％、18％、20％、22％等。
优选地，所述溶液中纳米氧化铝的溶液质量浓度为20％。优选地，所述纳米氧化铝粒径小于10nm，如在不用的实施例中还可以为4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm等。
所述混凝土中的钢筋接电源负极，在所述混凝土保护层外部布置金属层，并将所述金属层接入电源正极，通电以形成所述外加直流电场；
其中，所述金属层与所述溶液接触。
所述金属层中的金属包括钢、铁、铜、铝或钛中的一种；
优选地，所述钢为不锈钢；
优选地，所述金属层为金属网。
普通钢丝网价格便宜，但溶液在短期内被腐蚀破坏，不能重复使用，同时，它产生的锈蚀产物会污染混凝土表面，除氯结束后需对混凝土表面进行清理。不锈钢网或钛金属网一次投入大，但不易被腐蚀，可重复使用，也不污染混凝土表面，长时间使用整体经济性反而更好。
优选地，通电的电流密度为0.5～5A/m2，如在不同的实施例中还可以为1A/m2、1.5A/m2、2A/m2、2.5A/m2、3A/m2、3.5A/m2、4.5A/m2等等。
优选地，通电的时间为3～21天，如在不同的实施例中还可以为5天、7天、10天、12天、14天、15天、20天等；
电流密度过小，除氯和修复效率低，需增加通电时间；电流密度过大，混凝土会因为温度升高过快而产生开裂。
优选地，混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液回收利用，经济节约。
所述混凝土包括普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥中的一种或多种；
优选地，所述混凝土为普通硅酸盐水泥。
优选地，使用水灰比为0.55的普通硅酸盐水泥，制作保护层厚度为40mm，尺寸为150mm×150mm×100mm的试件，使用上述的提高混凝土耐久性的方法，可产生较好的修复效果。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用普通硅酸盐水泥，选择杭州钱潮牌P.O.42.5级水泥，水灰比为0.55，各组分配合比参见表1。
表1混凝土试件配合比
纳米氧化铝材料选用质量浓度为20％，pH值为5-7的溶液。选择宣城晶瑞新材料有限公司VK-L10W型氧化铝分散液，其密度为1.14g/m3。图1为该分散液X射线衍射分析结果，由图中可知，纳米氧化铝粒径均在10纳米以下。
混凝土试件一尺寸为150mm×150mm×100mm，保护层厚度为40mm，内置两根直径12mm的HPB235光圆钢筋，用于电迁移处理，具体试件布置示意图参见图2；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置不锈钢网，并将不锈钢网接入电源正极。将试件放置在钢丝网上，并浸入电解液中，使其没过底面1-3毫米。进行通电处理，电流密度为3A/m2，通电3天。通电完成后，拆除不锈钢网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实施例2
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用普通硅酸盐水泥，选择杭州钱潮牌P.O.42.5级水泥，水灰比为0.55，各组分配合比参见表1。
纳米氧化铝材料选用质量浓度为20％，pH值为5-7的溶液。选择宣城晶瑞新材料有限公司VK-L10W型氧化铝分散液，其中分散液密度为1.14g/m3浓度为20％，密度为1.14g/m3，pH值为5-7。图1为该分散液X射线衍射分析结果，由图中可知，纳米氧化铝粒径均在10纳米以下。
混凝土试件一尺寸为150mm×150mm×100mm，保护层厚度为40mm，内置两根直径12mm的HPB235光圆钢筋，用于电迁移处理，具体试件参见图2；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置不锈钢网，并将不锈钢网接入电源正极。将试件放置在钢丝网上，并浸入电解液中，使其没过底面1-3毫米。进行通电处理，电流密度为3A/m2，通电15天。通电完成后，拆除不锈钢网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实施例3
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用普通硅酸盐水泥，选择杭州钱潮牌P.O.42.5级水泥，水灰比为0.55，各组分配合比参见表1。
纳米氧化铝材料选用质量浓度为20％，pH值为5-7的溶液。选择宣城晶瑞新材料有限公司VK-L10W型氧化铝分散液，其中分散液密度为1.14g/m3浓度为20％，密度为1.14g/m3，pH值为5-7。图1为该分散液X射线衍射分析结果，由图中可知，纳米氧化铝粒径均在10纳米以下。
混凝土试件一尺寸为150mm×150mm×100mm，保护层厚度为40mm，内置两根直径12mm的HPB235光圆钢筋，用于电迁移处理，具体试件参见图2；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置不锈钢网，并将不锈钢网接入电源正极。将试件放置在钢丝网上，并浸入电解液中，使其没过底面1-3毫米，进行通电处理，电流密度为0.5A/m2，通电21天。通电完成后，拆除不锈钢网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实施例4
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用矿渣硅酸盐水泥。
纳米氧化铝材料选用质量浓度为15％，pH值为5-7，氧化铝粒径小于10nm的溶液。
混凝土试件一尺寸为300mm×300mm×200mm，保护层厚度为60mm，内置四根直径12mm的光圆钢筋，用于电迁移处理；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置不锈钢网，并将不锈钢网接入电源正极。将试件放置在钢丝网上，并浸入电解液中，使其没过底面3-5毫米，进行通电处理，电流密度为5A/m2，通电15天。通电完成后，拆除不锈钢网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实施例5
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用硅酸盐水泥。
纳米氧化铝材料选用质量浓度为25％，pH值为5-7，氧化铝粒径小于10nm的溶液。
混凝土试件一尺寸为500mm×500mm×400mm，保护层厚度为40mm，内置四根直径12mm的光圆钢筋，用于电迁移处理；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置钛金属网，并将钛金属网接入电源正极。将试件放置在钛金属网上，并浸入电解液中，使其没过底面1-3毫米，进行通电处理，电流密度为3.5A/m2，通电15天。通电完成后，拆除钛金属网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实施例6
1.实验材料的选择和试件制备
浇筑混凝土采用复合硅酸盐水泥。
纳米氧化铝材料选用质量浓度为22％，pH值为5-7，氧化铝粒径小于10nm的溶液。
混凝土试件一尺寸为150mm×150mm×100mm，保护层厚度为40mm，内置两根直径12mm的光圆钢筋，用于电迁移处理；混凝土采用机械搅拌、振捣；振捣成型后24h拆模，并在钢筋外露部分连接导线，固定后涂抹环氧树脂进行密封，防止其锈蚀。标准养护28天后，至其龄期达到三个月后进行试验。
2.电迁移处理
外设直流电源，将混凝土中的钢筋接电源负极，在混凝土保护层外部布置钢丝网，并将钢丝网接入电源正极。将试件放置在钢丝网上，并浸入电解液中，使其没过底面1-3毫米，进行通电处理，电流密度为3A/m2，通电18天。通电完成后，拆除钢丝网，清理混凝土表面残留的纳米氧化铝溶液并回收。
实验例1
电迁移效果实验。
电处理完成后，对试件一表面进行钻孔取样。取出若干直径12毫米左右的圆柱体试样进行微观分析，将试样切割，分成3层，分别为第一层，第二层和第三层(参见图2)。分别对不同层次的试样进行电镜扫描，图3为实施例1中第一层的电镜扫描结果。从中可以看到一个较大的孔洞，这个孔洞中有大量的纳米氧化铝团聚集，这些颗粒的粒径在70纳米左右。该图片很好的说明了纳米氧化铝的电迁移效果。
实验例2
孔隙率对比实验。
如实验例1中的方法选择试样，进行电镜扫描观察微观结构变化，计算孔隙率。
作为比较，将实施例1稍作调整，作为对比例1、对比例2和对比例3，调整方法为：
对比例1：未经电处理；
对比例2和对比例3：电解质为水。
其余处理条件和方法均与实施例1相同，结果如表2所示，其中NA3表示纳米氧化铝作为电解质通电3天，NA15表示纳米氧化铝作为电解质通电15天。
表2孔隙率变化
从表2中可以看出通过纳米电迁移处理后，混凝土孔隙率有了明显的减少，同时对照组和水处理组也显示出采用纳米材料作为电解质后，对混凝土的孔隙结构改善有更大的帮助。
实验例3
钢筋混凝土粘结强度对比实验。
使用实施例1中的材料制作试件二，其尺寸为100mm×100mm×100mm，中间埋入一根直径12mm，长度420mm的HPB235光圆钢筋，用于拉拔试验，具体试件布置示意图参见图4。
作为比较，将实施例2中的试件一换为试件二作为对比例4，并稍作调整，作为对比例1、对比例2和对比例3，调整方法为：
对比例1：未经电处理；
对比例2：电流密度为0.5A/m2；
对比例3：电流密度为1.5A/m2。
其余处理条件和方法均与实施例2相同，结果如表3所示，其中II-0.5表示电流密度为0.5A/m2，II-1.5表示电流密度为1.5A/m2，II-3表示电流密度为3A/m2。
表3纳米氧化铝电迁移荷载与粘结强度表
从表3中可以看出纳米电迁移处理后，钢筋混凝土之间的粘结强度有了明显的增强，粘结强度随着电流密度的增大而增大。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，在外加直流电场的作用下将带正电的纳米氧化铝基团迁移至混凝土内部。
2.根据权利要求1所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述纳米氧化铝溶解于溶液以带正电；
所述溶液pH为4～7；
优选地，所述溶液pH为5～7。
3.根据权利要求2所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述溶液中纳米氧化铝的质量浓度为15％～25％；
优选地，所述溶液中纳米氧化铝的质量浓度为20％。
4.根据权利要求1所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述纳米氧化铝粒径小于10nm。
5.根据权利要求2或3所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述混凝土中的钢筋接电源负极，在所述混凝土保护层外部布置金属层，并将所述金属层接入电源正极，通电以形成所述外加直流电场；
其中，所述金属层与所述溶液接触。
6.根据权利要求5所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述金属层中的金属包括钢、铁、铜、铝或钛中的一种；
优选地，所述钢为不锈钢；
优选地，所述金属层为金属网。
7.根据权利要求5所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述通电的电流密度为0.5～5A/m2。
8.根据权利要求5所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述通电的时间为3～21天。
9.根据权利要求5所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述溶液回收利用。
10.根据权利要求1所述的提高混凝土耐久性的方法，其特征在于，所述混凝土包括普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥中的一种或多种；
优选地，所述混凝土为普通硅酸盐水泥。
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