雙向電滲對鋼筋混凝土的修復(fù)效果實驗——保護層表面強度變化規(guī)律

許 晨，金偉良，黃 楠，吳航通，毛江鴻，夏 晉

（1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江，杭州310058；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波315100）

雙向電滲（bidirectional electromigration rehabilitation，BIEM）是一種新型的氯鹽侵蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無損修復(fù)延壽技術(shù).該方法以結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，在結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)不銹鋼網(wǎng)片或鈦合金網(wǎng)片作為陽極，并施以直流電壓.在電場作用下，阻銹劑被引入保護層，同時混凝土中的氯離子被遷出混凝土.該方法結(jié)合了目前應(yīng)用廣泛的電化學(xué)除 氯 法 （electrochemical chloride extraction，ECE）［1-3］和新興的碳化混凝土電滲阻銹劑法［4-6］的優(yōu)點，在消除誘發(fā)鋼筋銹蝕外因的同時引入阻銹劑，對鋼筋進行主動保護［7-8］.目前，該技術(shù)在國內(nèi)外尚處于研究階段，尚無系統(tǒng)的研究資料.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所從1995年起深入研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，從機理上研究了混凝土內(nèi)部的離子傳輸過程［9-10］，并系統(tǒng)地從阻銹劑的阻銹效果、電遷移能力以及環(huán)境友好性等方面出發(fā)，通過大量實驗研究比較了適用于雙向電滲的電遷移型阻銹劑［11-12］，篩選出了適用于雙向電滲修復(fù)技術(shù)的胺類阻銹劑，并證實該類阻銹劑能夠?qū)︿摻钇鸬搅己玫淖桎P效果.

在目前已有的電化學(xué)修復(fù)方法中，以電化學(xué)除氯技術(shù)應(yīng)用最廣.在電化學(xué)除氯過程中，混凝土保護層中的陰離子在電場作用下向陽極遷移，而陽極電解液中的陽離子則向陰極移動，其中甚至發(fā)生了水化產(chǎn)物的溶解以及新結(jié)晶或沉淀的生成.在雙向電滲過程中，也存在類似變化，只是向陰極遷移的陽離子有所不同，其中阻銹劑陽離子須重點考慮.這些變化都可能造成混凝土保護層孔隙分布、密實程度的變化，進而影響混凝土的表面強度.在電化學(xué)除氯方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，認(rèn)為經(jīng)過電化學(xué)除氯后，混凝土中有新的晶體產(chǎn)生，保護層的孔隙大小和分布也發(fā)生明顯的變化［13-15］，混凝土強度在經(jīng)過電化學(xué)除氯后會發(fā)生變化，處理后靠近陽極的混凝土強度大于靠近陰極的混凝土強度［16］.在雙向電滲過程中，除了上述可能發(fā)生的影響外，還存在胺類阻銹劑的作用.

目前已有學(xué)者對應(yīng)用于混凝土表面的自遷移型阻銹劑和摻入混凝土內(nèi)的有機阻銹劑對混凝土強度的影響進行了研究，但是由于具體阻銹劑或應(yīng)用方式的不同，得到的實驗結(jié)果有所差異.S?ylev等［17］的研究表明，當(dāng)應(yīng)用胺類阻銹劑作為遷移型阻銹劑應(yīng)用于混凝土表面時，不會對混凝土強度造成不利影響.但是Schutter等［18］的研究認(rèn)為，將胺類阻銹劑摻入混凝土?xí)斐苫炷翉姸认陆?0%～30%.Heren等［19］的研究認(rèn)為混凝土強度的下降會隨著摻入阻銹劑濃度的升高而增加.目前尚無學(xué)者對基于電遷移原理的雙向電滲修復(fù)法對混凝土材料或結(jié)構(gòu)性能所造成的影響進行研究.其中，與含阻銹劑的電解液直接接觸的混凝土表面，在各種復(fù)雜的物理化學(xué)變化影響下，材料是否會發(fā)生劣化進而導(dǎo)致強度降低，是雙向電滲實際工程應(yīng)用中必須關(guān)心的問題.另一方面，混凝土表面的材料劣化可能會破壞其孔隙特征，影響密實程度，導(dǎo)致各種腐蝕介質(zhì)更易進入混凝土保護層；而由材料劣化導(dǎo)致的表面強度的降低則會影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，保護層在應(yīng)力作用下更易發(fā)生開裂.

本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上［11-12］，應(yīng)用雙向電滲技術(shù)，對摻氯鹽的混凝土試件進行實驗研究，對試件在經(jīng)過雙向電滲處理前后的表面強度進行測量.由于電化學(xué)修復(fù)過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通電量、試件情況等因素都會對其修復(fù)效果造成影響［20］，為達到理想的修復(fù)效果須選擇優(yōu)化的參數(shù)組合.本文針對前期選定的系統(tǒng)參數(shù)（如：通電參數(shù)、水灰比、摻入氯鹽濃度以及碳化等因素），研究這些變量的變化對表面強度的影響，并對比雙向電滲和電化學(xué)除氯對混凝土表面強度的影響，以獲得指導(dǎo)雙向電滲技術(shù)在實際工程應(yīng)用中的合理限制參數(shù)和注意事項.

1 雙向電滲試驗原理

雙向電滲技術(shù)的基本原理如圖1所示，電滲修復(fù)時將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，在結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)不銹鋼或鈦合金網(wǎng)片作為陽極，在陽極和結(jié)構(gòu)表面的范圍內(nèi)布設(shè)含阻銹劑的陰極電解液，并在陰陽極之間施以直流電壓.在外加電場作用下，電解液中的阻銹劑陽離子進入保護層，并向陰極（鋼筋）遷移，而試件中的Cl-將向陽極遷移，遷出混凝土［11］.當(dāng)阻銹劑在鋼筋表面濃度達到一定值時，在鋼筋表面形成一層密實的保護膜，將氯離子、氧氣等腐蝕介質(zhì)與鋼筋隔離開，從而起到阻銹的作用［21］. 從雙向電滲的基本原理來看，選擇一種合適的阻銹劑是該技術(shù)的關(guān)鍵.該阻銹劑須在氯鹽環(huán)境下有較好的阻銹能力且易溶于水，在溶液中有相當(dāng)數(shù)量帶正電的阻銹劑粒子.通過系統(tǒng)實驗研究，綜合考慮阻銹劑的阻銹效果、電遷移能力以及環(huán)境友好性等方面，選定某胺類有機物作為雙向電滲阻銹劑［11］.

圖1 雙向電滲技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of BIEM

2 實驗方法

本文主要研究氯鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)在雙向電滲修復(fù)前后表面強度的變化情況.實驗分別以電流密度、通電時間、混凝土水灰比以及摻入氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制變量，測試各種工況下試件混凝土保護層的表面強度.本文另設(shè)置3組對比實驗，其中組1為未經(jīng)過電化學(xué)處理的未碳化和表面碳化試件；組2為經(jīng)過同等條件下電化學(xué)除氯處理的未碳化試件；組3為經(jīng)過同等條件下雙向電滲處理的表面碳化試件.此外，為了對表面強度的變化進行深入分析，引入壓汞實驗對電化學(xué)處理前后試塊表面的孔隙率進行分析.

2.1 試件制作

采用的鋼筋混凝土試塊的尺寸為150mm×150 mm×300mm（如圖2所示），保護層厚度為40mm，內(nèi)置2根直徑為12mm 的HPB235圓鋼.澆筑試件的配合比及摻入氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.其中，水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥，砂子為Ⅱ區(qū)天然河砂，石子為5～16 mm 的連續(xù)級配碎石，NaCl為分析純.ρw、ρce、ρc和ρf分別表示水、水泥、細(xì)骨料以及粗骨料的密度，摻入NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω（NaCl）為NaCl質(zhì)量占水泥質(zhì)量的百分比.混凝土采用機械攪拌、振搗，振搗成型后24h拆模，并在鋼筋外露部分連接導(dǎo)線，固定后涂抹環(huán)氧樹脂進行密封，防止其銹蝕.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后，至其齡期達到3月后進行實驗.

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix proportion of concrete specimen

2.2 實驗方法

雙向電滲實驗采用的陽極電解液為1mol／L的阻銹劑溶液，使用弱酸將pH 值調(diào)節(jié)至適當(dāng)值［11］.通電前將試件側(cè)面用石蠟密封，以防止在非實驗面上發(fā)生離子交換.以試件中埋置的鋼筋作為陰極，以不銹鋼網(wǎng)片作為陽極，分別連接直流電源的負(fù)極和正極，如圖3所示.另設(shè)置電化學(xué)除氯實驗作為對照組，其陽極電解液為飽和Ca（OH）2溶液，連接方法、電化學(xué)參數(shù)均與雙向電滲保持一致.實驗中所使用的試劑除阻銹劑為化學(xué)純外，其余均為分析純.

圖2 混凝土試件尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of reinforced concrete specimen

圖3 雙向電滲試驗裝置示意圖Fig.3 Pull-off strength test by BIEM

由于試件保護層較薄，且在經(jīng)過電化學(xué)處理后，表面和內(nèi)部強度可能產(chǎn)生差異.為測得靠近處理面的保護層強度變化，不宜采用取芯法或后裝拔出檢測法這類對保護層造成較大程度破壞的測試方法；而回彈法不適用于表層與內(nèi)部質(zhì)量有明顯差異的混凝土構(gòu)件，且其對測區(qū)數(shù)量要求較高，故在本實驗中也不宜使用.采用LIMPET 拔出試驗測試儀.LIMPET 拔出試驗測試儀測試混泥土的表面強度由英國貝爾法斯特女王大學(xué)研發(fā)，適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面強度的檢測，該儀器操作簡單、結(jié)果可靠、輕便易用并且對結(jié)構(gòu)損傷較小，目前已得到較廣泛的應(yīng)用［22-24］，已被納入英國國家標(biāo)準(zhǔn)（BS1881-207：1992及BSEN1542：1999）和北美國家標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1583-04）.國內(nèi)學(xué)者對LIMPET 拔出試驗儀的應(yīng)用也進行了研究，并通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得到針對國內(nèi)混凝土拔出強度和混凝土立方體抗壓強度關(guān)系的擬合曲線［24］，將拔出強度換算成混凝土抗壓強度.曲線表達式為

式 中：fc，c為 換 算 抗 壓 強 度（converted compressive strength）.fp，lim為拔出強度（pull-off strength）.

待通電過程結(jié)束之后，將試件表面擦干，并搬到陰涼通風(fēng)處晾24h.然后將直徑為50mm 的鋼制圓餅用環(huán)氧樹脂粘在試件工作面，一個試件工作面粘貼3個鋼制圓餅（如圖4所示）.待膠黏劑粘結(jié)強度達到要求之后，用LIMPET 拔出強度測試儀測試其表面的拉拔強度，加載速度按相關(guān)規(guī)范保持在1N／（s·mm）以下，將3 個鋼制圓餅逐個拔出如圖5所示.實驗結(jié)束后將得到的破壞荷載除以破壞面的表面積，即試件表面的拔出強度，最后結(jié)果取3處平均值.檢測裝置及實驗布置如圖6和7所示.

圖4 LIMPET測試儀配套鋼制圓餅粘結(jié)位置Fig.4 Location of cylindrical metal blocks for LIMPET

圖5 LIMPET拔出強度測試儀試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of pull-off strength test by LIMPET

圖6 LIMPET拔出強度實驗Fig.6 Photo of LIMPET pull-off strength test

圖7 混凝土試件的破壞面Fig.7 Failure surfaces of concrete specimen

3 實驗結(jié)果與分析

在測試結(jié)束后，將LIMPET 測出的拔出強度fp，lim依照式（1）轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的換算抗壓強度fc，c，并分別計算處理前后表面強度相對初始強度的變化率，進行比較和討論.

3.1 雙向電滲和電化學(xué)除氯對混凝土表面強度的影響對比

如圖8所示，圖（a）中橫坐標(biāo)為時間t，左側(cè)縱坐標(biāo)為拔出強度σP，右側(cè)縱坐標(biāo)為抗壓強度σ，單位均為N／mm2；圖（b）中縱坐標(biāo)為試件表面強度的變化率η.混凝土試件經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，其表面強度并未降低，反而有很大程度的升高.這可能是由于混凝土試件在經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，陽極電解液中的鈣離子與混凝土當(dāng)中排出的OH-結(jié)合，形成一些難溶的水化產(chǎn)物，對孔隙起到一定的填充作用，使得保護層表層的孔隙率減小，變得更加密實［14，25］.

值得注意的是，雙向電滲對保護層的表面強度的影響與電化學(xué)除氯相反，經(jīng)過雙向電滲處理后試件保護層的表面強度呈現(xiàn)降低的趨勢.這2種技術(shù)造成的不同影響應(yīng)該與不同的陽極電解液有關(guān)，胺類阻銹劑的存在可能對混凝土的成分或材料結(jié)構(gòu)具有破壞作用，并且這種作用的大小很可能與阻銹劑在混凝土中的單位混凝土質(zhì)量摩爾濃度有關(guān).因此，有必要針對通電量、試件情況等因素對雙向電滲后試件表面強度的影響進行系統(tǒng)研究，以選擇優(yōu)化的參數(shù)組合.在保證修復(fù)效果的同時，盡量減小對結(jié)構(gòu)表面的影響.

圖8 雙向電滲和電化學(xué)除氯后的試件表面強度及其變化率Fig.8 Surface strength and its change rates for specimens after BIEM and ECE

3.2 雙向電滲對混凝土表面強度的影響及控制

3.2.1 電流密度對雙向電滲后混凝土表面強度的影響 為研究電流密度的影響，本組實驗中控制試件類型（1類混凝土，w（NaCl）＝3%）、通電時間（15d）不變，通過改變電流密度得到不同電流密度作用下混凝土表面強度的變化.如圖9所示為經(jīng)過不同電流密度的雙向電滲處理后，混凝土表面強度的變化.其中橫坐標(biāo)I為電流密度.

由圖9可以看出，在雙向電滲中使用胺類阻銹劑對試件進行耐久性修復(fù)后，混凝土試件的表面強度出現(xiàn)不同程度的降低，說明胺類阻銹劑的雙向電滲過程對混凝土試件的表面強度會造成不良影響.同時由圖9可知，試件保護層表面強度呈現(xiàn)出降低的趨勢，降低程度隨著電流密度的增大而增大當(dāng)I＝1A／m2時，其保護層表面強度減小的程度與I＝3A／m2時大致相當(dāng)，拔出強度減小了18%～19%，換算抗壓強度減小了22%～24%.當(dāng)通電電流密度超過3A／m2時，表面強度急劇減小，當(dāng)通電電流增大5A／m2時，拔出強度減小了43%，換算抗壓強度減小了51%.因此，在采用雙向電滲法對結(jié)構(gòu)進行修復(fù)時，須嚴(yán)格控制通電電流.雖然通電電流的增大會在某種程度上增加離子的遷移速度，增強修復(fù)效果，但是電流太大不僅會對鋼筋性能造成不良影響［26］，還會使混凝土結(jié)構(gòu)的表面強度大幅度的降低，甚至引起表面混凝土的開裂.

圖9 不同電流密度作用下試件表面強度及其變化率Fig.9 Surface strength and change rate for specimens under different current density

3.2.2 通電時間對雙向電滲后混凝土表面強度的影響 類似地，對同類型試件進行不同時長的雙向電滲處理，實驗中控制試件類型（1類混凝）、電流密度（I＝3A／m2）不變，跟蹤經(jīng)過不同時長的雙向電滲作用后試件表面強度的變化.根據(jù)實驗結(jié)果繪制出試件表面強度隨通電時間的變化圖（如圖10 所示）.從實驗結(jié)果可以看出，試件的表面強度隨著通電時間的延長而下降，近乎成線性關(guān)系.當(dāng)t＝7d時，試件表面強度的變化較小，拔出強度減小12%，換算抗壓強度減小15%.而t＝30d時，試件表面強度下降較多，拔出強度減小44%，換算抗壓強度減小52%.這也說明在雙向電滲技術(shù)的實際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)合理控制通電時間的長短，通電時間太長對試件表面存在著較大的損害.

3.2.3 水灰比對雙向電滲后混凝土表面強度的影響 在該組實驗中，對不同配合比的混凝土試件（1類、2類、3類混凝土，w（NaCl）＝3%進行同等條件下的雙向電滲處理，I＝3A／m2，t＝15d.試件經(jīng)過處理前后的表面強度變化如圖11所示，其中mw／mc為水灰比.

圖10 不同通電時間作用下試件表面強度及其變化率Fig.10 Surface strength and change rate for specimens under different conduction time

不同水灰比的混凝土試件在經(jīng)過胺類阻銹劑的雙向電滲處理后，表面強度均有所降低.表面強度的降低幅度隨著水灰比的增加而略有增大，但變化不大：拔出強度的變化率大約為-20%～-16%，而換算抗壓強度的變化率約為-24%～-20%.

圖11 不同水灰比試件雙向電滲前后的表面強度及其變化率Fig.11 Surface strength and change rate for specimens before and after BIEM under different water cement ratios

3.2.4 初始氯離子濃度對雙向電滲后混凝土表面強度的影響 類似地，對摻入氯鹽含量不同的混凝土試件（1類混凝土，w（NaCl）＝1%，3%，5%）也進行同等條件下的雙向電滲實驗，I＝3A／m2，t＝15 d.試件在雙向電滲修復(fù)前后的表面強度變化測試結(jié)果如圖12所示.

由圖12可知，摻不同含量氯鹽的試件在經(jīng)過雙向電滲處理后，表面強度都有所下降.當(dāng)w（NaCl）＝5%時，其表面強度的變化率和w（NaCl）＝3%的試件基本持平：拔出強度降低約18%～19%，換算抗壓強度降低約23%～24%.但是，當(dāng)w（NaCl）＝1%時，試件表面強度的降低幅度較大，拔出強度和換算抗壓強度的降低率分別達到了29%和35%.該結(jié)果表明：對于受氯鹽侵蝕程度較輕的混凝土，采用雙向電滲修復(fù)技術(shù)對混凝土表面的損傷較大，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇.

圖12 摻不同比例NaCl試件雙向電滲前后表面強度及其變化率Fig.12 Surface strength and its change rate for specimens after BIEM under different ratios of NaCl

3.2.5 表面碳化對雙向電滲后混凝土表面強度的影響 實驗前選取4組配合比相同的試件（1類混凝土，w（NaCl）＝3%），放入碳化箱中，進行加速碳化實驗.碳化28d 后測量試件的碳化深度，為13.7 mm.然后對碳化和未碳化的試件同時進行雙向電滲實驗，I＝3A／m2，t＝15d，實驗結(jié)果如圖13所示.可得，碳化后，混凝土表面強度升高了35%.經(jīng)過雙向電滲技術(shù)處理之后，其表面強度同樣表現(xiàn)出下降趨勢，且下降幅度隨著通電時間延長而增加.混凝土試件表面碳化后，其表面強度的降低率大于經(jīng)過同等條件處理后的未碳化試件.這可能是由于碳化試件表面的pH 值較低，使得電滲進入保護層表面的阻銹劑濃度增大［4］.但由實驗結(jié)果可見，經(jīng)雙向電滲處理后碳化試件的表面強度絕對值大于經(jīng)過相同條件處理后的未碳化試件，碳化會造成混凝土保護層的堿度降低，易導(dǎo)致鋼筋脫鈍并銹蝕，進而造成保護層開裂甚至剝落.雙向電滲將阻銹劑遷移至鋼筋表面，并通過陰極反應(yīng)提高鋼筋附近乃至整個保護層的pH 值，對消除碳化造成的不良影響有利.同時，碳化作用使得混凝土的密實度增加，使試件表面強度提高，可在一定程度上抵消雙向電滲對于結(jié)構(gòu)表面強度的影響.由于實際受到氯鹽侵蝕比較嚴(yán)重而須要進行修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)，往往服役時間較長，表面伴有碳化現(xiàn)象，在該種情況下應(yīng)用雙向電滲技術(shù)，可以產(chǎn)生較理想的效果.

圖13 表面碳化和未碳化試件雙向電滲前后表面強度及其變化率Fig.13 Surface strength and its change rates before and after IBEM for specimens on-carbonated and carbonated

3.3 電化學(xué)處理后保護層孔隙率的變化

3.3.1 經(jīng)雙向電滲處理后保護層孔隙分布的變化 經(jīng)過雙向電滲處理之后，保護層的孔隙率和孔隙分布發(fā)生了變化.經(jīng)過雙向電滲處理后，保護層混凝土孔隙率下降.其孔隙率的具體變化如表2和圖14所示，其中P 為總孔隙率.從圖14 可以看出，孔隙率隨通電時間的延長而下降，且陰極附近的混凝土孔隙率低于陽極附近的混凝土孔隙率.

表2 雙向電滲處理前后保護層孔隙率變化Tab.2 Porosity changes after BIEM %

圖14 雙向電滲處理后保護層混凝土總孔隙率Fig.14 Total porosity of concrete cover after BIEM

1973年吳中偉院士提出了孔徑D 分級概念：無害孔（D＜20nm），少害孔（D＝20nm～100nm）、有害孔 （D＝100nm～200nm）和 多 害 孔（d ＞200 nm），并指出只有減少100nm 以上的有害孔，才能改善水泥基混凝土材料的宏觀性能和耐久性［27］.為了進行深入分析，統(tǒng)計經(jīng)過雙向電滲處理前后保護層混凝土孔隙的分布情況，如圖15（a）和（b）所示，分別是靠近陽極和陰極的混凝土孔隙分布情況，其中CG 為空白對照組.由圖15可以看出，對試件施加雙向電滲處理后，包括多害孔、有害孔和少害孔在內(nèi)的大孔孔隙率（n）減少，其中少害孔的減少程度隨著通電時間的延長而增加.對于孔徑在20nm 以下的無害孔，當(dāng)通電時間為7d和15d時，其孔隙率增加，且15d時無害孔的孔隙率大于7d時孔隙率；但當(dāng)通電時間增長到30d時，陰極附近的無害孔孔隙率低于通電時間15d時的無害孔孔隙率；而陽極附近的無害孔孔隙率反而較未處理的試件有所減少.結(jié)合圖14可以看出，當(dāng)通電時間達到30d時，混凝土保護層的總孔隙率降低程度較大，各孔徑范圍內(nèi)的孔隙率均有所下降.陽極附近混凝土無害孔的孔隙率整體高于陰極附近，而陽極附近混凝土有害孔的孔隙率則整體低于陰極附近.

圖15 經(jīng)雙向電滲后保護層混凝土孔隙分布的變化情況Fig.15 Porosity distribution of concrete cover after BIEM

由以上分析可以得出，雙向電滲可以對混凝土保護層的孔隙分布形成有利的影響.其中大孔減少、小孔增加的原因可能是在電滲過程中，部分水化產(chǎn)物分解、離子溶解，形成孔徑較小的孔隙；這些溶于混凝土的孔隙液離子，在電場作用下定向移動，在移動過程中堵塞了部分孔徑較大的孔隙［25］.由于在鋼筋附近的陰極反應(yīng)中，部分水電解產(chǎn)生氫氣，氫氣的逸出過程可能會導(dǎo)致鋼筋附近混凝土疏松、孔隙率增加［28～31］，靠近陰極處混凝土的孔隙率高于靠近陽處混凝土的孔隙率.

由之前的強度實驗可知，試件在經(jīng)過雙向電滲處理后，保護層表面強度降低.然而，由壓汞實驗的結(jié)果可知，保護層表面的孔隙率下降.由此可以推斷，由于三乙烯四胺阻銹劑的應(yīng)用和滲入，混凝土表面水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或成分可能發(fā)生了一定的改變，強度下降；或是由于部分水化產(chǎn)物分解、溶解、移動以及與阻銹劑結(jié)合等原因，使得保護層表面區(qū)域內(nèi)骨料和水化產(chǎn)物之間界面過渡區(qū)變得薄弱，微觀裂縫等缺陷增加.

3.3.2 經(jīng)電化學(xué)除氯處理后保護層孔隙分布的變化經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，保護層的孔隙率和孔徑分布也發(fā)生了變化.經(jīng)過電化學(xué)除氯處理的試件保護層混凝土孔隙率亦表現(xiàn)出下降趨勢.如圖16 所示，混凝土孔隙率隨通電時間的增加而下降，陽極附近的混凝土孔隙率下降幅度較陰極附近混凝土大.陽極附近混凝土在通電時間增加至15d時，下降幅度增加較大.但是與雙向電滲相比，電化學(xué)除氯對孔隙率的影響較小.

表3 電化學(xué)除氯處理前后保護層孔隙率的變化Tab.3 Porosity changes before and after ECE %

圖16 經(jīng)電化學(xué)除氯處理后保護層混凝土的總孔隙率Fig.16 Total porosity of concrete cover after ECE

圖17 經(jīng)電化學(xué)除氯后保護層混凝土孔隙分布的變化情況Fig.17 Porosity distribution of concrete cover after ECE

對保護層的孔隙分布進行分析，分別繪制靠近陽極和陰極的混凝土孔隙分布圖，如圖17所示.由圖中可以看出，與雙向電滲對混凝土保護層的影響類似，經(jīng)電化學(xué)除氯后混凝土保護層的小孔增加，大孔減少.其中，孔徑為20～100nm 的少害孔的減少量與通電時間成正比.陽極附近混凝土孔徑小于20 nm 的無害孔在通電初期增長較大，隨后增長幅度逐漸減小.與陰極附近的混凝土相比，陽極附近混凝土多害孔、少害孔以及無害孔的孔隙率整體較低，而有害孔的孔隙率較高.

由這一部分實驗結(jié)果可知，電化學(xué)除氯過程使得混凝土保護層表面強度提高，這一結(jié)果與其孔隙率下降的結(jié)果相吻合.相對引入三乙烯四胺作為阻銹劑的雙向電滲而言，電化學(xué)除氯由于氫氧化鈣電解液的運用，沒有對保護層表面區(qū)域水化產(chǎn)物的成分、結(jié)構(gòu)造成不利影響，反而對其強度提高有利.由此可知，在電化學(xué)方法對混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的應(yīng)用中，電解液的選擇會對混凝土保護層的質(zhì)量造成不同程度的影響.

綜上所述，雙向電滲和電化學(xué)除氯對于混凝土保護層孔隙分布的影響類似，總體上小孔增加，大孔減少，總孔隙率下降.但是，雙向電滲對混凝土保護層孔隙結(jié)構(gòu)的影響程度更大，保護層孔隙率降低更為明顯.孔隙率降低對混凝土抵抗氯離子、氧氣腐蝕介質(zhì)的再侵入更有利［32］.從這個方面來說，雙向電滲對混凝土耐久性提升的長期影響更加有利.

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用LIMPET 拔出強度測試儀對混凝土試件在經(jīng)過雙向電滲處理前后的表面強度進行了測試，證明在經(jīng)過雙向電滲修復(fù)處理后，試塊表面拔出強度和換算抗壓強度均有所下降.對于混凝土試件在本文所選用的通電參數(shù)下，試塊表面拔出強度和換算抗壓強度下降幅度約為10%～50%.

（1）混凝土試件在接受雙向電滲處理后，其表面強度的降低幅度隨通電時間、電流密度的增加而增加.

（2）混凝土受氯鹽侵蝕的程度對表面強度的影響較大，初始氯鹽比例較低的混凝土試件，其表面強度降低幅度較大，因此，對于受氯鹽侵蝕程度較輕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)慎重選用雙向電滲修復(fù)技術(shù).

（3）實驗結(jié)果表明：雙向電滲技術(shù)應(yīng)用于碳化后試件時，其表面強度降低更為明顯，一般情況下碳化過程可以將混凝土表面強度提高30%左右.綜合分析可知，通過合理地設(shè)計修復(fù)參數(shù)和修復(fù)進程，可以控制經(jīng)過雙向電滲處理后的混凝土表面強度的降低程度.

（4）雙向電滲和電化學(xué)除氯都造成混凝土保護層整體孔隙率的下降.其中經(jīng)過雙向電滲處理的試件，保護層孔隙率下降程度較大.混凝土試件在經(jīng)過雙向電滲和電化學(xué)除氯處理后，保護層孔隙分布發(fā)生變化，孔徑在20nm 以下的無害孔增加，而孔徑在20nm 以上的少害孔以及有害孔以及多害孔均有所減少.

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