CN116427399A - 一种用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，包括以下步骤：构建以混凝土桩中的钢筋为阴极，石墨板为阳极的电解槽；配置含有阻锈剂的饱和的Ca(OH)2溶液作为电解液，加入氢氧化钠使电解液为碱性；将电解液注入电解槽中，在阴极和阳极之间通过导线接入交流电源，开始双向电迁移修复，电流密度为0.75～5A/㎡，当电解液PH小于7时，添加磷酸使其PH值增加至9，通电时间为20～28天后，结束通电。本发明采用方波电流进行电迁移实验，可以减少氢脆现象的发生，减小对钢筋力学性能的破坏，并且还能迁入更多的阻锈剂和迁入更多的氯离子，对钢筋有更好的保护效果。
Description
技术领域
本发明涉及电化学修复技术，尤其涉及一种用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法。
背景技术
钢筋混凝土因具有成本低廉、坚固耐用且材料来源广泛等优点，普遍应用在海港建设等工程中，在役海工混凝土桩由于长期处于海港环境之中，钢筋混凝土的锈蚀问题不断出现。混凝土在多种因素例如二氧化碳和氯离子侵蚀的影响下，使在碱性环境中形成的附着于钢筋表面的钝化膜被破坏，导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀使混凝土的结构遭到严重破坏，造成了巨大的直接和间接的经济损失。因此，除去混凝土中的氯离子可以很大程度上缓解钢筋的锈蚀问题。
现有的钢筋混凝土结构的修复技术包括传统修复法、电化学除氯法、电迁移阻锈法等。但是，传统修补法由于钢筋表面存在新旧混凝土产生的电位差，而且氯离子很难被完全除去，可能会再次发生锈蚀；电迁移阻锈法应用范围较窄，且并未考虑结构受到氯盐侵蚀的情况；电化学除氯法只是除去了原本混凝土内部的氯离子，但是之后钢筋仍处于活性状态，钢筋仍会被腐蚀。在此基础上浙江大学结构工程研究所金伟良提出了双向电迁移修复技术既可以除去氯离子又可向钢筋迁移缓蚀剂，在混凝土结构修复方面具有广泛应用前景。但由于使用恒定电流进行电迁移过程中，钢筋表面的阴极析氢会破坏钢筋/混凝土界面结合力，同时使钢筋存在析氢风险，双向电迁移修复技术仍需进一步优化。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种用于在役海工混凝土桩基础的基于交流电源的双向电迁修复的方法。
技术方案：本发明所述的用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，包括以下步骤：
(1)构建以混凝土桩中的钢筋为阴极，石墨板为阳极的电解槽；
(2)配置含有阻锈剂的饱和的Ca(OH)2溶液作为电解液，加入氢氧化钠使电解液为碱性；
(3)将电解液注入电解槽中，在阴极和阳极之间通过导线接入交流电源，开始双向电迁移修复，电流密度为0.75～5A/㎡，当电解液PH小于7时，添加磷酸使其PH值增加至9，通电时间为20～28天后，结束通电。
优选的，步骤(3)中交流电源为方波电源，电流的峰谷值比为4～5。
进一步的，步骤(3)中方波电源通电设置为大电流密度通电一小时后小电流密度再通电一小时，交替通电。
进一步的，大电流密度i1：
小电流密度i2：
通电天数D：
其中，d为混凝土桩的使用年限。
优选的，混凝土桩使用年限在60年以上，方波电源的电流密度3A/㎡，通电一小时，接着电流密度0.75A/㎡，通电一小时，交替通电，通电20天；混凝土桩使用年限在30-60年，方波电源的电流密度4A/㎡，通电一小时，接着电流密度1A/㎡，通电一小时，交替通电，通电28天；混凝土桩使用年限在30年以内，方波电源的电流密度5A/㎡，通电一小时，接着电流密度1A/㎡，通电一小时，交替通电，通电28天。
进一步的，步骤(2)中，所述阻锈剂为三乙烯四胺、乙醇胺和N、N-二甲基乙醇中的任一种。
优选的，混凝土桩的混凝土强度C60以下，阻锈剂为三乙烯四胺；混凝土桩的混凝土强度在C60-C90之间，阻锈剂为N,N-二甲基乙醇；混凝土桩的混凝土强度C90以上，阻锈剂为乙醇胺。
进一步的，步骤(2)中，电解液中阻锈剂的浓度为1mol/L。
优选的，步骤(1)中，根据混凝土桩的使用年限确定电解槽
其中，
为混凝土桩原直径，d为混凝土桩的使用年限。
优选的，步骤(1)中，所述电解槽与混凝土桩表面密封配合，电解槽的上盖处设有PH指示计，PH指示计的探头与电解液接触，电解槽底部与混凝土桩相接触部位设有遇水膨胀的止水压条
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明在双向电迁修复中采用方波电流，提高了钢筋的耐蚀性，使钢筋的条件屈服强度、极限屈服强度及断裂能比有所下降，减少了氢气的析出方，降低钢筋的氢脆敏感性，减少电迁移电场对钢筋力学性能的负面影响,延长了钢筋的使用年限；2、方波电源的峰谷值比为4～5时，加强阻锈剂迁入和氯离子排除，降低钢筋的力学性能损失。
附图说明
图1为本发明中电解装置的结构示意图；
图2为实施例1和对比例1的极化电阻对比图；
图3为未进行电迁移、实施例1和对比例1电迁移实验后钢筋的应力应变曲线；
图4为实施例2和对比例2的极化电阻对比图；
图5为实施例2和对比例2阻锈剂迁入量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，电解装置包括与混凝土桩1表面密封配合电解槽3，混凝土桩中的钢筋为阴极2，电解槽内设置的石墨板为阳极6，电解槽底部与混凝土桩相接触部位设有遇水膨胀的止水压条8，电解槽3的上盖4处还设有PH指示计9，PH指示计9的探头与电解液5接触，在阴极2和阳极6之间通过导线接入交流电源7。实例中混凝土桩较小且未沉入土中，因此采用石墨板为阳极，并采用横向放置电解槽，而在实际工程中，混凝土桩沉入土中，采用不锈钢网作为阳极，不锈钢网绕混凝土桩一圈布置，直径略大于混凝土桩，高度略小于电解槽高度，不锈钢网通过导线放置在电解槽里，并将电解槽长出部分沉入土中用来固定固定电解槽。
实施例1
水泥砂浆结构为水泥：砂：水＝0.65：2.95：1，其中氯化钠的加入量为水质量的3.5％。氯化钠的作用一方面是为了双向电迁移后的除氯效果，另一方面是为了得到较低的初始锈蚀的电位值，来模拟实际开裂情况下引起的钢筋脱钝和氯离子堆积。水泥砂浆试样为10cm×10cm×30cm，钢筋为长10cm的Q235普通碳钢钢筋，直径为10mm，钢筋经过打磨抛光后采用钎焊在其一段焊接铜导线，之后采用环氧树脂6101及固化剂TY651对试样进行封装，留出一面作为待测面，在浇筑水泥砂浆时放入砂浆中。静止3天后开始进行实验。
电解液为含有1M TETA的模拟孔隙液溶液。辅助电极为300mm×200mm×5mm的石墨板。石墨板顶端打孔并与铜导线连接，将其连接部分用硅胶封装以防漏电。将石墨板作为阳极，平铺于试验箱底部，将钢筋混凝土试块作为阴极，平行放置于石墨板之上，之间用两个石片支撑。将配制好的电解液倒于试验箱中，保证溶液浸没混凝土试块1-2cm。
方波电场一个通电周期内施加电流密度为3A/m2的电流1h，电流密度为0.75A/m2的电流1h，上述两种电流密度交替通电24天，其中，方波电场每次通电满42h后静止8h，进行电化学测试。
每次静止后后用电化学工作站测量试样的开路电位、线性极化和交流阻抗。整体通电结束后，再测量极化曲线，并通过拉伸试验测试钢筋的力学性能。
对比例1
实验的水泥砂浆结构及电解装置与实施例1相同。恒电流3A/㎡的双向电迁移作为对比，在通电过程中保证通电量相同，通电14天，其中，恒电场每通电24h后静止8h，进行电化学测试。
每次静止后后用电化学工作站测量试样的开路电位、线性极化和交流阻抗。整体通电结束后，再测量极化曲线，并通过拉伸试验测试钢筋的力学性能。
实施例2
水泥砂浆结构为水泥：砂：水＝0.65：2.95：1，其中氯化钠的加入量为水质量的3.5％。氯化钠的作用一方面是为了双向电迁移后的除氯效果，另一方面是为了得到较低的初始锈蚀的电位值，来模拟实际开裂情况下引起的钢筋脱钝和氯离子堆积。水泥砂浆试样为15cm×15cm×10cm，钢筋为长20cm的Q235普通碳钢钢筋，直径为10mm，钢筋经过打磨抛光后采用钎焊在其一段焊接铜导线，之后采用环氧树脂6101及固化剂TY651对试样进行封装，留出一面作为待测面，在浇筑水泥砂浆时放入砂浆中。标准养护28天，后开始进行实验。
电解液为含有1M TETA的模拟孔隙液溶液。辅助电极为200mm×150mm×3mm的石墨板。石墨板顶端打孔并与铜导线连接，将其连接部分用硅胶封装以防漏电。将石墨板作为阳极，平铺于试验箱底部，将钢筋混凝土试块作为阴极，平行放置于石墨板之上，之间用两个石片支撑。将配制好的电解液倒于试验箱中，保证溶液浸没混凝土试块1-2cm。
方波电场一个通电周期内施加电流密度为5A/m2的电流1h，电流密度为1A/m2的电流1h，上述两种电流密度交替通电28天，其中，每次通电7天，静止24h。每次静止后后用电化学工作站测量试样的开路电位、线性极化和交流阻抗。整体通电结束后，再测量极化曲线，并通过拉伸试验测试钢筋的力学性能。采用钻孔取粉的方式对钢筋混凝土内部的氯离子含量和阻锈剂含量进行测量。对工作面进行钻孔区分，直径为mm的钻头，5mm为一层钻孔取粉，先用孔径为0.075mm的筛子筛分，测量N含量，再将剩下的粉末用0.3mm的筛子筛分，测量铝离子含量。
对比例2
实验的水泥砂浆结构及电解装置与实施例2相同。恒电流电场的电流密度为3A/m2，通电7天，静止24h，重复四次总共通电28天。每次静止后后用电化学工作站测量试样的开路电位、线性极化和交流阻抗。整体通电结束后，再测量极化曲线，并通过拉伸试验测试钢筋的力学性能。采用钻孔取粉的方式对钢筋混凝土内部的氯离子含量和阻锈剂含量进行测量。对工作面进行钻孔区分，直径为6mm的钻头，5mm为一层钻孔取粉，先用孔径为0.075mm的筛子筛分，测量N含量，再将剩下的粉末用0.3mm的筛子筛分，测量铝离子含量。
Claims (10)
1.一种用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建以混凝土桩中的钢筋为阴极，石墨板为阳极的电解槽；
(2)配置含有阻锈剂的饱和的Ca(OH)2溶液作为电解液，加入氢氧化钠使电解液为碱性；
(3)将电解液注入电解槽中，在阴极和阳极之间通过导线接入交流电源，开始双向电迁移修复，电流密度为0.75～5A/㎡，当电解液PH小于7时，添加磷酸使其PH值增加至9，通电时间为20～28天后，结束通电。
2.根据权利要求1所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(3)中交流电源为方波电源，电流的峰谷值比为4～5。
3.根据权利要求2所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(3)中方波电源通电设置为大电流密度通电一小时后小电流密度再通电一小时，交替通电。
4.根据权利要求3所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，大电流密度i1：
小电流密度i2：
通电天数D：
其中，d为混凝土桩的使用年限。
5.根据权利要求3所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，混凝土桩使用年限在60年以上，方波电源的电流密度3A/㎡，通电一小时，接着电流密度0.75A/㎡，通电一小时，交替通电，通电20天；混凝土桩使用年限在30-60年，方波电源的电流密度4A/㎡，通电一小时，接着电流密度1A/㎡，通电一小时，交替通电，通电28天；混凝土桩使用年限在30年以内，方波电源的电流密度5A/㎡，通电一小时，接着电流密度1A/㎡，通电一小时，交替通电，通电28天。
6.根据权利要求1所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阻锈剂为三乙烯四胺、乙醇胺和N、N-二甲基乙醇中的任一种。
7.根据权利要求6所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，混凝土桩的混凝土强度C60以下，阻锈剂为三乙烯四胺；混凝土桩的混凝土强度在C60-C90之间，阻锈剂为N,N-二甲基乙醇；混凝土桩的混凝土强度C90以上，阻锈剂为乙醇胺。
8.根据权利要求1所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(2)中，电解液中阻锈剂的浓度为1mol/L。
9.根据权利要求1所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据混凝土桩的使用年限确定电解槽
其中，
为混凝土桩原直径，d为混凝土桩的使用年限。
10.根据权利要求1所述用于在役海工混凝土桩基础的双向电迁修复的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述电解槽与混凝土桩表面密封配合，电解槽的上盖处设有PH指示计，PH指示计的探头与电解液接触，电解槽底部与混凝土桩相接触部位设有遇水膨胀的止水压条。
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