CN109930155A

CN109930155A - 一种劣化混凝土修复加固的电化学方法

Info

Publication number: CN109930155A
Application number: CN201910220885.9A
Authority: CN
Inventors: 王档良; 赵方彬; 彭裕勤
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN109930155B

Abstract

本发明公开了一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，提出了一种等效电路用于钢筋混凝土的阻抗的曲线拟合，在测量中，采用双电极系统，对具有不同覆盖厚度的钢筋混凝土进行电化学阻抗测量。根据阻抗在低频范围、中频范围、高频范围的测量，分析劣化混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素、混凝土中钢筋生锈的因素、钢筋/混凝土界面的因素，将其与采集的各种数据曲线参数导入智能调控模块，调控模块调节劣化混凝土修复加固过程中的电流、电压，实现了劣化混凝土修复加固过程中的智能控制。

Description

一种劣化混凝土修复加固的电化学方法

技术领域

本发明属于混凝土电渗技术领域，具体涉及一种劣化混凝土修复加固的电化学方法。

背景技术

混凝土是用水泥、水和骨料(细骨料如砂，粗骨料如卵石、碎石)等原材料经搅拌后人模浇筑，并经养护硬化后做成的人工石材。混凝土结构是指以混凝土为主制作的结构，包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。随着现代混凝土技术与我国经济的快速持续的发展，混凝土被广泛应用于港口、大坝、公路、桥梁、市政等现代化工程建设中。然而,钢筋混凝土结构由于受到各种环境条件，如大气、水等物理或化学的侵蚀作用，即使结构设计合理、施工正确，其在服役期间也往往发生劣化、未达到预期寿命而破坏。据报道,美国需要大量的资金来修复被腐蚀破坏的钢筋混凝土结构。在英国，需要重修或大修的钢筋混凝土结构占36%。在我国，钢筋混凝土结构的侵蚀破坏也十分严重,且随着我国的基本建设的全面开展。后期的钢筋混凝土结构的维护、修补等问题将会日益突出。因此，对混凝土结构采取有效表面防护技术以防止混凝土的环境侵蚀、维护混凝土的性能，对保证并提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有重要的现实意义。

混凝土劣化是因为两个方面引起的，内因方面是混凝土结构中的化学成分和结构形式;外因方面主要是环境中侵蚀性介质和水的存在。混凝土结构劣化，往往是内、外因综合作用的结果。混凝土结构的耐久性问题表现为:混凝土损伤(裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等);钢筋的锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀;以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱三个方面。由于钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱是由于混凝土损伤、钢筋腐蚀引起的，故从混凝土和钢筋两个方面进行分析研究混凝土劣化机理。具体来说，对于导致混凝土性能劣化的因素有外部环境因素和材料内部原因，其中，外部环境因素有水、风化、冻融、化学腐蚀、磨损、气体等；材料内部原因有碱骨料反应、体积变化、吸水性、渗透性等。但在本领域中，缺乏基于电化学阻抗谱与电化学方法实现了混凝土修复加固过程中的智能控制的方法。

发明内容

本发明的目的正是为了解决上述背景技术中提出的缺陷，提供一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，将电化学阻抗谱与电化学方法结合，基于RC和砂浆的阻抗分析，提出了一种RC阻抗谱的等效电路对劣化混凝土阻抗谱的曲线拟合，指导更新劣化混凝土修复加固系统的参数，有利于在劣化混凝土修复加固过程中出现与预期结果偏差较大时，及时介入并纠正正在实施的劣化混凝土修复加固过程，实现了混凝土修复加固过程中的智能控制。

对于本发明，具体来说，本发明提供了一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，通过劣化混凝土修复加固系统对劣化混凝土进行修复加固，包括以下步骤：

步骤（1），通过采集劣化混凝土样品测量电化学阻抗谱，或者现场测量电化学阻抗谱；

步骤（2），将测量的电化学阻抗谱参数引入等效电路模块，分析劣化混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素、混凝土中钢筋生锈的因素、钢筋/混凝土界面的因素，

步骤（3），将等效电路模块的数据储存在智能调控模块中；

步骤（4），将数据采集模块的参数导入智能调控模块，通过智能调控模块调节劣化混凝土修复加固过程中的电流、电压。

所述劣化混凝土修复加固系统包括智能调控模块、远程调节模块、电化学阻抗谱采集模块、数据采集模块与监控设备，电化学阻抗谱采集模块包括钢筋混凝土的电化学阻抗，砂浆的电化学阻抗测量、水分布和孔隙分布的电化学阻抗测量、数据采集模块包括电流、电压、湿度监控传感器的数据；其中，所述智能调控模块包括等效电路模块，智能调控模块分别与数据采集模块和监控设备相连，通过数据采集、传递和监控功能实现智能调控；所述远程调节模块与智能调控模块相连，通过远程调节模块调节进度。

所述等效电路模块包括三个并联电路串联，第一个并联电路由R1和 R2并联，第二个并联电路由R3和 R4并联，第三个并联电路由R5和 R6并联，其中，R2、R4、R6分别为，混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素等效于第一个并联电路R1和 R2；混凝土中钢筋生锈的因素等效于第二个并联电路R3和 R4，钢筋/混凝土界面的因素等效于第三个并联电路R5和 R6并联。

进一步的，电化学阻抗谱是测量阻抗随正弦波频率的变化，即给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流信号，测量交流信号电压与电流的比值（此比值即为系统的阻抗）随正弦波频率ω的变化，进而分析劣化混凝土的情况。在测量中，将电化学系统看做是一个等效电路，这个等效电路是由电阻（R）、电容（C）和电感（L）等基本元件按串并联等不同方式组合而成的。通过电化学阻抗谱，可以测定等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析劣化混凝土修复加固过程的性质等。

所述数据采集、传递和监控功能是通过将数据经过传感器或变送器采集后，通过PLC或RTU的处理和传递。所述数据采集的主要参数包括电流、电压、空气温度、湿度、墙体湿度、地下水渗透压曲线的采集，设备运行时间的采集，其他参数包括混凝土含水量、PH值、墙体含水量和氯化物浓度等钢筋混凝土锈蚀性指标。

所述数据采集与监控设备中，电流、电压曲线的采集是通过如下方面实现的，一种劣化混凝土修复加固的电化学方法中，设置电流、电压监控传感器，基于该设置，进行电流、电压数据的实施采集与监控，并将其绘制成电流、电压曲线，在采集的电流、电压数据的基础上，电压曲线与电流曲线的运算，实时用于更新劣化混凝土修复加固过程中的参数。

在本发明中，劣化混凝土修复加固系统是可以通过如下方面实现的，具体来说，该劣化混凝土修复加固系统的现场做法是，在混凝土表面上施加电流修复腐蚀钢筋混凝土中的裂缝，阳极安装在待修复位置，利用混凝土中的钢筋充当阴极，阳极安装在背水面，阴极安装在迎水面。在本发明中，通过采集劣化混凝土样品测量电化学阻抗谱，或者现场测量电化学阻抗谱，将测量的电化学阻抗谱参数引入等效电路模块，分析劣化混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素、混凝土中钢筋生锈的因素、钢筋/混凝土界面的因素，将其与数据采集模块的参数导入智能调控模块，通过智能调控模块调节劣化混凝土修复加固过程中的电流、电压。

进一步的，使用双电极系统对劣化混凝土进行电化学阻抗测量。进行循环湿-干试验以加速混凝土中钢筋的腐蚀。使用双电极系统在任意固化时间进行砂浆样品的电化学阻抗测量。使用普通水泥制造砂浆样品，在砂浆表面和不锈钢电极之间使用电极凝胶，以改善测量期间的导电性能。使用电位仪进行静息电位测量；对于电化学阻抗测量，使用电位仪和频率响应分析仪；电化学阻抗在1.0MHz至0.1Hz的频率范围内测量。

作为本发明的一种优选方案，可以呈现足够低的渗透性和良好的耐久性能的混凝土，其中优选的配比为：水泥用量为280～360Kg/m3、水灰比0.43～0.56，制备出抗压强度为32～42MPa的混凝土。

在本发明中，可以发现：

（1）采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰，电极上交替出现阳极和阴极过程（也就是氧化和还原过程），即使扰动信号长时间作用于电极，也不会导致极化现象的积累性发展和电极表面状态的积累性变化；

（2）由于电势和电流间存在着线性关系，测量过程中电极处于准稳态，使得测量结果的数学处理简化；

（3）EIS是一种频率域测量方法，可测定的频率范围很宽，因而可以比常规电化学方法得到更多的动力学信息和电极界面结构信息。

本发明实现了远程控制智能调节劣化混凝土修复加固过程，通过采集劣化混凝土样品测量电化学阻抗谱，或者现场测量电化学阻抗谱，将测量的电化学阻抗谱参数引入等效电路模块，分析劣化混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素、混凝土中钢筋生锈的因素、钢筋/混凝土界面的因素，将其与采集的各种数据曲线参数导入智能调控模块，调控模块调节劣化混凝土修复加固过程中的电流、电压，实现了劣化混凝土修复加固过程中的智能控制。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为电池电位测量法示意图。

图2为电化学修复法示意图。

图3为本发明一种劣化混凝土修复加固的电化学方法的步骤示意图。

具体实施方式

如图1所示，本领域的一种常规的电池电位测量法，测量钢筋不同部位电极电位，电位差越大，腐蚀速率越快。如图2所示，本领域中一种常规的电化学修复法，在外加电场作用下，使钢筋混凝土中氯盐被排出，钢筋重新钝化的无损修复技术。

在实施例1中，该实施例的修复加固以自制的样品为例。本发明提供了一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，通过劣化混凝土修复加固系统对劣化混凝土进行修复加固，包括以下步骤：

步骤（3），将等效电路模块的数据储存在智能调控模块中；

所述劣化混凝土修复加固系统包括智能调控模块、远程调节模块、电化学阻抗谱采集模块、数据采集模块与监控设备，电化学阻抗谱采集模块包括钢筋混凝土的电化学阻抗，砂浆的电化学阻抗测量、水分布和孔隙分布的电化学阻抗测量、数据采集模块包括电流、电压、湿度监控传感器的数据；其中，所述智能调控模块包括等效电路模块，智能调控模块分别与数据采集模块和监控设备相连，通过数据采集、传递和监控功能实现智能调控；所述远程调节模块与智能调控模块相连，通过远程调节模块调节进度。具体来说：

1、样品的制备

表1列出了混凝土配合比例，包括水灰比（W / C），砂与总骨料的体积比（s / a），以及水（W），水泥（C），细骨料的含量（S）和粗骨料（G）。进行了坍落度试验和空气混凝土试验，分别提供了有关流动性和强度的信息。普通的水泥和粉碎的骨料用于混凝土混合物。氯离子在混凝土中作为10％NaCl溶液预混合，以加速混凝土中钢筋的腐蚀。在28天的固化期后，将钢筋混凝土在空气中干燥7天。为了制造钢筋混凝土，将钢筋嵌入混凝土中。将绝缘铜线连接到钢筋的边缘，并且用绝缘带覆盖钢筋的两端，然后将钢筋嵌入混凝土中，混凝土混合物比例列于表1中。

表1.混凝土混合物比例。

新拌混凝土的坍落度为9±1 cm，空气含量为4±1％。水灰比为0.6。为了加速腐蚀过程，在混凝土混合过程中加入9kg m-3的固体NaCl。砂浆样品的混合比例如表2所示。

表2. 砂浆样品的混合比例。

2、电化学阻抗谱

使用双电极系统对劣化混凝土进行电化学阻抗测量。进行循环湿-干试验以加速混凝土中钢筋的腐蚀。首先将劣化混凝土浸入11％NaCl溶液中3天，然后暴露在空气中6天干燥。该过程重复15次。电解质溶液由双蒸水和氯化钠制备。在浸泡3天期间测量劣化混凝土样品的电化学阻抗。另外，使用KCl饱和的Ag/ AgCl电极测量嵌入混凝土中的每个钢筋的静止电位。

使用双电极系统在任意固化时间进行砂浆样品的电化学阻抗测量。使用普通水泥制造砂浆样品，其W / C值为40％，50％或60％。每个砂浆样品的尺寸为10×10×10cm。使用两个不锈钢板作为电极，砂浆样品夹在电极之间，电极面对面对称。每个电极的尺寸为9×11×1cm，砂浆的表面积为9×9cm。在砂浆表面和不锈钢电极之间使用电极凝胶，以改善测量期间的导电性能。使用电位仪进行静息电位测量。对于电化学阻抗测量，使用电位仪和频率响应分析仪。电化学阻抗在1.0MHz至0.1Hz的频率范围内测量。

基于RC和砂浆的阻抗分析，提出了研究RC阻抗谱的等效电路。所述等效电路包括三个并联电路串联，第一个并联电路由R1和 R2并联，第二个并联电路由R3和 R4并联，第三个并联电路由R5和 R6并联，其中，R2、R4、R6分别为，混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素等效于第一个并联电路R1和 R2；混凝土中钢筋生锈的因素等效于第二个并联电路R3和 R4，钢筋/混凝土界面的因素等效于第三个并联电路R5和 R6并联。

进一步的，在干湿试验循环期间劣化混凝土试样的阻抗谱。阻抗谱包含高频范围内的轨迹和低频范围中的一部分。高频范围内的轨迹与混凝土的湿度条件有关；全阻抗谱包含高频范围内的小环路和低频范围内环路的一部分。这些小环为混凝土的水分条件。中频范围内表现出扭曲的轨迹，并且在低频范围内的大环的部分变小；这是因为在钢筋的整个表面上形成锈，这些特征分别与表面粗糙度和钢筋/混凝土界面引起的电流分布有关。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于，通过劣化混凝土修复加固系统对劣化混凝土进行修复加固，包括以下步骤：

步骤（3），将等效电路模块的数据储存在智能调控模块中；

2.根据权利要求1所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于：所述劣化混凝土修复加固系统包括智能调控模块、远程调节模块、电化学阻抗谱采集模块、数据采集模块与监控设备，电化学阻抗谱采集模块包括钢筋混凝土的电化学阻抗，砂浆的电化学阻抗测量、水分布和孔隙分布的电化学阻抗测量、数据采集模块包括电流、电压、湿度监控传感器的数据；其中，所述智能调控模块包括等效电路模块，智能调控模块分别与数据采集模块和监控设备相连，通过数据采集、传递和监控功能实现智能调控；所述远程调节模块与智能调控模块相连，通过远程调节模块调节进度。

3.根据权利要求2所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于：所述等效电路模块包括三个并联电路串联，第一个并联电路由R1和 R2并联，第二个并联电路由R3和 R4并联，第三个并联电路由R5和 R6并联，其中，R2、R4、R6分别为，混凝土结构中的水分布和孔隙分布的因素等效于第一个并联电路R1和 R2；混凝土中钢筋生锈的因素等效于第二个并联电路R3和 R4，钢筋/混凝土界面的因素等效于第三个并联电路R5和 R6并联。

4.根据权利要求2所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于：数据采集、传递和监控功能是通过将数据经过传感器或变送器采集后，通过PLC或RTU的处理和传递。

5.根据权利要求2所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于：所述数据采集的主要参数包括电流、电压、空气温度、湿度、墙体湿度、地下水渗透压曲线的采集，设备运行时间的采集，其他参数包括墙体含水量和氯化物浓度等钢筋混凝土锈蚀性指标。

6.根据权利要求2所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于：阳极安装在背水面，阴极安装在迎水面。

7.根据权利要求2所述的一种劣化混凝土修复加固的电化学方法，其特征在于，采集的数据被用于远程调节和控制；也可以通过手机终端实现浏览、显示功能。