鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電場(chǎng)阻鹽防護(hù)計(jì)算與驗(yàn)證

朱雅仙，蔡偉成，游 日，吳 燁，李森林，胡少偉

(南京水利科學(xué)研究院，水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210029)

目前，世界上新建和擬建的跨海大橋、隧道和高速公路大型橋涵等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，均要求100 a以上的使用壽命.大量調(diào)研和工程實(shí)踐證明，在氯鹽等嚴(yán)酷環(huán)境中，要達(dá)到100 a以上的設(shè)計(jì)使用壽命，必須采取有效的腐蝕防護(hù)措施.

圖1 電場(chǎng)阻鹽(ERC)防護(hù)技術(shù)原理Fig.1 The principle of prevention technology of ERC

對(duì)于處于氯鹽環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，氯鹽的侵入是導(dǎo)致其腐蝕破壞的主要原因［1］.本文針對(duì)鋼筋腐蝕機(jī)理，提出了氯鹽環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外加電場(chǎng)阻鹽(ERC)防護(hù)技術(shù)，其原理是在鋼筋保護(hù)層之間施加一個(gè)陰極電場(chǎng)，使帶有負(fù)電荷的Cl－向外遷移，以阻滯因濃度梯度造成的向內(nèi)擴(kuò)散作用.同時(shí)在鋼筋上進(jìn)行的微弱陰極反應(yīng)產(chǎn)生了少量的OH－，從而保證鋼筋周?chē)幕瘜W(xué)環(huán)境持久保持在無(wú)Cl－含量、高pH值的鈍化條件，其原理見(jiàn)圖1.

20世紀(jì)80年代末首先由挪威學(xué)者［2］根據(jù)氯離子在電場(chǎng)作用下的電遷移原理提出了電化學(xué)脫鹽技術(shù)，目前該技術(shù)已用于修復(fù)受氯鹽污染腐蝕破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［3］;L.Tang等利用該原理，測(cè)量氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)［4－5］;胡少偉等［6］對(duì)外加電場(chǎng)作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子含量分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，表明在鋼筋混凝土保護(hù)層之間施加一個(gè)微小電場(chǎng)，就能有效阻滯氯離子的侵入，為電場(chǎng)阻鹽防護(hù)技術(shù)提供了依據(jù).本文進(jìn)行混凝土試件的電場(chǎng)阻鹽試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的可靠性，并通過(guò)計(jì)算分析了阻鹽的長(zhǎng)期效果.

1 電場(chǎng)阻鹽(ERC)防護(hù)技術(shù)的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)鋼筋混凝土處于氯鹽環(huán)境中時(shí)，擴(kuò)散是離子向混凝土中傳輸?shù)闹饕绞剑?］，對(duì)其施加一陰極電場(chǎng)時(shí)，帶有負(fù)電荷的氯離子將在電場(chǎng)作用下向敷設(shè)在混凝土表面的陽(yáng)極遷移，因此在電場(chǎng)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)雙重作用下，氯離子向混凝土內(nèi)部的總遷移量為:

在勻強(qiáng)電場(chǎng)E下的一維遷移條件下，混凝土保護(hù)層內(nèi)x深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化為:

式中:tCl－為氯離子的遷移數(shù);R為氣體常數(shù);T為溫度;F為法拉第常數(shù);z為氯離子的化合價(jià);D為氯離子擴(kuò)散系數(shù);c為深度x處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 理論計(jì)算的可靠性驗(yàn)證

2.1 試件制作

為了驗(yàn)證式(2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，按JTJ 270－1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》成型了配合比為水∶水泥∶砂∶石=0.45∶1.00∶1.75∶2.61，尺寸為100 mm×100 mm×90 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為5 cm 的鋼筋混凝土試件，進(jìn)行電場(chǎng)阻鹽試驗(yàn).同時(shí)成型了相同配合比，尺寸為Φ100 mm×60 mm的混凝土試件，以測(cè)量氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的關(guān)系.試件所用的原材料有PO42.5水泥、細(xì)度模數(shù)為2.5的人工砂、最大粒徑為20 mm的碎石、食鹽、自來(lái)水、NaCl(分析純)、9.5 cm長(zhǎng)的Ф10圓鋼，鋼筋酸洗除銹處理，一端焊接出陰極電纜，焊接處用環(huán)氧封閉，用無(wú)水乙醇和丙酮去脂.

2.2 試驗(yàn)方法

混凝土試件在(20±3)℃飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)一定齡期后，按JTJ 270－1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中7.9節(jié)方法測(cè)量氯離子相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)，并用自然擴(kuò)散法校正，得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化.

鋼筋混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，將寬為0.76 cm的條狀MMO陽(yáng)極敷設(shè)在試件澆筑面，在陽(yáng)極上焊接出陽(yáng)極電纜，焊接處用環(huán)氧封閉，用砂漿層覆蓋陽(yáng)極，室溫養(yǎng)護(hù)14 d，以0.75和1.00 V電壓進(jìn)行ERC試驗(yàn)，在阻鹽試件和對(duì)比試件上每天噴灑10%NaCl溶液.試驗(yàn)結(jié)束后，鉆芯取樣，按JTJ 270－1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》分析各深度層混凝土粉樣中水溶性氯離子含量.

圖2 試件中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果Fig.2 The calculated and measured results of chloride content in concrete

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)混凝土試件不同齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D進(jìn)行測(cè)試，得出當(dāng)齡期分別為28，68和90 d時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為5.51×10－12，4.30×10－12和3.97×10－12m2/s.將以上3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系為:

將式(3)代入式(2)，采用有限元方法計(jì)算了阻鹽電0.75和1.00 V，暴露240 d時(shí)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度x布，式(2)的初始條件為t=0，若x＞0時(shí)，c=0;邊界條件為0，若 t＞0 時(shí)，c=cs(cs為 Cl－在混凝土表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)).在運(yùn)行過(guò)程中，混凝土中孔隙液中各組分的含量不是一值，因此氯離子遷移數(shù)也不是定值.有研究［8－9］報(bào)道，當(dāng)混凝土孔隙液含有0.5 mol/L的NaOH和0.5 mol/L的NaCl時(shí)，Cl－的遷移數(shù)為0.28，本文計(jì)算時(shí)取0.2.計(jì)算結(jié)果與氯離子隨深度分布的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2.

由圖2可見(jiàn):(1)混凝土氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果基本吻合，兩者相關(guān)系數(shù)大于0.98，表明理論計(jì)算結(jié)果較為可靠，可用于計(jì)算已知氯離子擴(kuò)散系數(shù)D的混凝土結(jié)構(gòu)，在給定阻鹽電壓下時(shí)間t時(shí)混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，同樣也能計(jì)算保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到一定使用年限所需的阻鹽電壓值.(2)在小試件上短期試驗(yàn)證實(shí)ERC有顯著的阻鹽效果.隨著阻鹽電壓的升高，外加電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，氯離子的滲透量減少，系統(tǒng)阻鹽效果越明顯，與對(duì)比試件相比，在阻鹽電壓為0.75和1.00 V下運(yùn)行240 d時(shí)，阻鹽率分別達(dá)到39%和52%.

3 長(zhǎng)期阻鹽效果的計(jì)算分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度為50 mm，鋼筋間距為20 cm，處于海洋浪濺區(qū)，環(huán)境平均氣溫為25℃，設(shè)計(jì)使用年限為100 a.目前氯鹽環(huán)境中重要的配筋混凝土工程，一般采用高性能混凝土，因此本文氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的關(guān)系取為偏于不利的角度，cs取 2.0%(相對(duì)于混凝土).

不同阻鹽電壓下100 a時(shí)，混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3;距表面50 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨服役時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖3 100 a后氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿深度的分布計(jì)算結(jié)果Fig.3 The calculated result of chloride content in concrete with depth after 100 years

圖4 深度50 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨服役時(shí)間變化Fig.4 Change of chloride content at 50 mm depth with service time

從圖3可見(jiàn)，在沒(méi)有采用ERC(0V)的混凝土中，100 a時(shí)鋼筋周?chē)穆入x子質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達(dá)到0.5%，遠(yuǎn)大于0.059% ～0.107%的鋼筋腐蝕的氯離子臨界值［10］，鋼筋早就發(fā)生了腐蝕.而采用0.75和1.00 V電壓進(jìn)行ERC的混凝土結(jié)構(gòu)，服役100 a時(shí)鋼筋周?chē)穆入x子質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.04%和0.01%，低于腐蝕的臨界值，可以期望鋼筋仍處于鈍化狀態(tài).

由圖4可見(jiàn)，以上模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，服役10～15 a時(shí)保護(hù)層50 mm處鋼筋就開(kāi)始腐蝕，而當(dāng)采取0.75和1.00 V電壓進(jìn)行ERC后，服役100 a時(shí)間內(nèi)50 mm深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直保持很低的水平.

以上計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)處于氯鹽環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取小電壓ERC防護(hù)，可有效阻滯氯離子的侵入，保持混凝土結(jié)構(gòu)在100 a使用壽命內(nèi)不因鋼筋的腐蝕而破壞.

4 結(jié)語(yǔ)

(1)利用外加電場(chǎng)以阻滯環(huán)境中氯離子向混凝土中滲透，提出了電場(chǎng)阻鹽防護(hù)新技術(shù).

(2)混凝土試件電場(chǎng)阻鹽試驗(yàn)表明，在不同電壓阻鹽情況下，氯離子分布的實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算較為吻合.因此對(duì)于特定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所需阻鹽電壓可以采用阻鹽數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

(3)采用小電壓對(duì)氯鹽環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻鹽防護(hù)，能阻止環(huán)境中氯離子的侵入，保證鋼筋周?chē)入x子含量長(zhǎng)期小于腐蝕臨界值.該新技術(shù)的提出為氯鹽環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用提供了科學(xué)依據(jù).

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