碳化混凝土电化学再碱化技术及其性能劣化规律分析.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01l No 8 Au g us t 碳化混凝土电化学再碱化技术及其 性能劣化规律分析 李天艳 , 周 华新 ( 江 苏省建 筑科 学研 究 院有 限公 司 , 南 京 2 1 0 0 2 8 ) 摘要 : 研 究 了 阳极 电解 液 对 碳 化 混 凝 土 再 碱 化 效 果 的影 响 , 重 点 讨 论 了再 碱 化 过 程 中混 凝 土 抗 压 强 度 、 钢 筋 与 混 凝 土 粘 结 性 能及 腐蚀 电位 与 总 电量 之 间的 关 系。 试
2、 验 结 果 表 明 : 锂 的碱 性 溶 液 作 为 阳极 电 解 液 比钠 的碱 性 溶 液 好 ; 电化 学再 碱 化 处 理 能使 碳 化 混凝 土 中 的碱 性 和 钢 筋 自然 电位 恢 复 到 碳 化 以前 水 平, 使 活 化 钢 筋 重 新 处 于钝 化 状 态; 再碱化过程 中混凝土性能劣化与总电量( 碱 化时间与电流密度的乘积) 之 间存在较好的线性 关系, 可根 据回归的 线 性 方程 合理 设 计 再 碱 化 过 程 。 关键词 : 碳化混凝土 ; 电化 学再碱化 ; 力学性能 ; 腐蚀 电位 Ab s t r a c t :T h e e f f e c t s o
3、 f a n o d e e l e c t r o l y t e o n e l e c t r o c h e roi c a l r e a l k a l i s a t i o n o f c a r b 0 n a t e d c o n c r e t e a r e i n v e s t i g a t e d I n a ddi t i o n ,s e v e r a l me c h an i c a l p r o p er t i e s i nc l ud i ng c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ,b o n d s
4、t r e n gt h a n d t he r e l a t i o n s h i p b e t we en c o r r o s i o n p o t e n t i a l a n d t o t a 1 e l e c t ri c q u a n t i t y a r e d i s c u s s e d T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t a l k a l i n e s o l u t i o n o f 1 i t h i u m u s e d a s a n a no de e
5、 l e c t r o l y t e i s b e t t e r t h a n s o d i u m,a n d t h e o pe n c i r c ui t p o t e nt i a l a nd pH v a l ue n e a r b y t h e r e ba r i n di c a t es t ha t t h e r e a l ka l i s a t i on s u c c e s s f ul l y r e t urns t o t he c a r bo n i z a t i o n s t a t e ,an d c o n c r e
6、 t e pr o p e r t i es ar e c l e a r l y r e l a t e d wi t h t he i n f l u e n c e p a r a me t e r ,d e fi n e d a s t h e p r o d u c t o f t h e p o l a riz a t i o n t i me a n d c a t h o d i c c u r r e n t d e n s i t y , u n i fi e d r e g r e s s i v e c u e s a r e o b t a i n e d t o d
7、 e s i g n a s u i t a b l e r e a l k a l i s a t i o n p r o c e s s Ke y wo r ds :Ca r bo n i z e d c o n c r e t e ;El ec t r o c h e mi c a l r e a l k a l i s a t i o n;Me c h a n i c a l p r o pe r t i e s ;Co rro s i o n p o t e n t i a l 中图分 类号 : T U 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 (
8、 2 0 1 1 ) 0 8 - 1 6 - 0 5 0前言 在钢 筋 混凝 土 中 , 混 凝 土孔 溶 液 中 的碱 性环 境 为钢筋提供 了良好的保护 , 钢筋表面的钝化膜为钢 筋提供了良好的屏障, 抵抗腐蚀 的耐久性能依赖于 钝化膜的稳定性【 。资料显示 , 钢筋钝化膜形成的 最低 p H值为 1 1 5 , 在某特定环境条件下依赖于混凝 土的性能和结构特征 , 钝化膜 的性能主要 由混凝 土 孔 溶液 的性 能决定 3 - 4 1 。碳化 对 混凝 土 本 身是 无 害 的 , 其 主要 的 问题 是 当 碳 化 至 钢筋 表 面 时 , 孔溶 液 的 p H值降低 ,最终导致混凝土
9、孔溶液不能提供充 足 的碱性环境维持钝化膜 的稳定 ,从 而破坏氧化 膜 , 导 致钢 筋 锈 蚀 , 给 混凝 土 的 耐久 性 带 来 不 利影 响l 5 - N 。 从 预 防腐 蚀方 面 而言 , 恢 复 碳化 混凝 土孔 溶液 的碱度 是 非常 重要 的 ,根 据 国 内外研 究 资料 显示 , 主 要有 两种 再 碱化 技术 , 即 电化学 再 碱化 和被 动再 碱 化7 1 。被 动再 碱 化过 程 是在 混凝 土 表 面覆 盖一 层 波 特兰 水 泥硬 化层 ,碱 度 由水 泥水 化 产 物提 供 , 碱 度 向混 凝 土 内部 扩 散 非 常 慢 , 因此 , 这 种方 法
10、的再 碱化 效果也 非常 慢 。电化 学再碱 化 主要是 通过在 内 一 1 6 一 部钢筋和外置阳极网之间施加低电压 电流 , 人为将 外界碱性物质转移到混凝 土孑 L 溶液 中, 因此 , 电化 学再碱化越来越引起人们的关注。已有研究资料表 明 , 电化 学再 碱 化过 程 能有 效恢 复碳 化 混 凝土 的碱 性 8 , 对再碱化过程产生 的负面影响报道资料较少 , 本 文 从 阳极 电解 液 对再 碱 化 效 果 的影 响 以及再 碱 化 过 程 中混 凝 土 性 能 与再 碱 化 电量 之 问 的关 系着 手 , 重 点研 究 了再 碱化 过 程 总 电量对 混 凝 土抗 压强 度
11、、混凝土与钢筋粘结强度及腐蚀电位 的影响, 旨 在探索达到较好修复效果 的同时使负面影 响降低 到最小 的技术 途径 。 1 试 验 1 1 电化学 再碱 化试 验方法 设计 ( 1 ) 模 拟试 验方 法设计 设计试验模拟再碱化过程 :加工两个容器 , 每 个容器有一个小室 , 将 已碳化混凝土试块放在两个 容器 中间 ,用螺栓将两个容器和试块 固定在一起 , 在容 器 的小 室 中分别 插 入 电极 ,连上 直 流 电源 , 设 置 为 阴极 区和 阳极 区 , 电极 为 金属 导 电 材料 。为 与 真实 情 况 保 持 一 致 , 混 凝 土 试 块 预 先 进 行碳 化 ( 完 李天
12、艳 , 周华新 碳化混凝土电化学再碱化技术及其性能劣化规律分析 全 碳 化 ) 。为模 拟 碳 化混 凝 土 中 的孔 溶 液 , 在 阴极 区 加 入 蒸馏 水 作 为 阴极 电解液 , 在 阳极 区加 入 碱 性 溶 液作 为 阳极 电解液 。碳 化混凝 土 再碱 化模 拟试 验 的 试 验原 理如 图 1 所示 。 采用 多 通道 0 6 0 V可 调直 流 电源 控制 电流 , 通 过 可调 电阻 保证 每 个 通 道 的 电 流 相 同。 电流表 直流 电源 图 l 碳 化 混 凝 土 冉 碱 化 模 拟 试 验 恿 图 ( 2 ) 电解 液 浸泡 试验 方法 设计 碳 化 混 凝
13、土 电化 学 再 碱 化 技 术 电 解 液 浸 泡 试 验方法 , 是直接将外裹金属片 ( 网) 的试件浸泡于电 解 液 中 , 外部 金 属 网 ( 阳极 ) 和试 件 中钢 筋 ( 阴极 ) 形 成通路。这种方法与模拟试验方法的差别在于 , 电 解液浸 泡试 验方法可以检测钢筋周 围混凝土保 护 层 碱 度 的变 化 以及 钢 筋性 能 的变 化 , 更 接 近 于 实 际 工程的再碱化修复 , 而模拟试验方法可 以直观地发 现再碱化过程中的一些电化学现象。同样, 以试件中 钢筋为阴极, 外裹金属网为阳极, 用导线分别与直流 电源连接( 图 2 ) , 再碱化参数与模拟试验方法一致。 1
14、 一阳极 不 锈 钢 片 ( 网 ) ; 2 -阴 极 钢 筋 ; 3 - 环 氧除 层 ; 4 一塑 料 薄 膜 ; 5 一 碳化混凝土试件 ; 6 - 1 mo l L碳 酸钠溶液 ; 7 - 绝缘容器 。 图 2碳 化 混 凝 土 再 碱 化 技 术 电解 液 浸 泡试 验 示 意 图 1 2 试件设计与制备 试 验 原 材料 : P I I 4 2 5级 硅 酸盐 水 泥 ;洁净 河 砂 , 中砂 ; 粒径 小 于 1 5 mm 的碎 石 ; 直 径 1 2 mm 的 螺纹 钢筋 。 混凝 土 配合 比 : 水泥 : 水 : 砂 : 石= 1 : 0 4 5 : 2 1 6 : 3 3
15、 8 。 试 件 : ( 1 ) 立 方 体试 件 : 1 0 0 mmx 1 0 0 m r n x 1 0 0 m m, 用 于 电化 学再 碱化 试 验 和抗 压 强 度 的测 试 ;( 2 )圆 柱 体试 件 : 0 1 O O mmx 1 8 0 ram,一 种是 在 中心 预埋 0 1 2 mm x L 2 5 0 m m螺纹钢筋, 钢筋一端焊出导线( 供通 电和 测量 用 ) , 两 端用 环 氧 封 涂 , 用 于 电化学 再 碱 化 试 验 , 并 进行 腐 蚀 电位 和钢 筋 与混 凝 土 粘结 强 度 测 试 ; 另 一 种 为 不 配 钢 筋 的辅 助 试 件 , 用
16、于 观 测 试 件 的碳 化进 展 。 所 有 试件 一 次 浇 注完 成 , 试 件 拆 模后 在温 度 为 ( 2 0 3 ) 、湿度 为 9 0以上 的标 准养护室 中养护 2 8 d 。养 护 结 束后 需 要 碳 化 的试 件 放 入碳 化 箱 进 行 加 速碳 化 , 直至 完 全碳 化 。碳 化 混 凝 土 电化 学 再 碱 化过程 中, 阳极和阴极溶液的 p H值采用 p H计直接 测定 ,再碱化深度用浓度为 1 的酚酞酒精溶液进 行测 试 。 1 3 再碱化技术参数及试验设计 ( 1 ) 采 用 模 拟 试 验 方 法 进 行 再 碱 化 试 验 , 选 用 l m o l
17、L碳 酸 钠 、 l m o l L碳 酸 氢 钠 、 0 5 m o l L氢 氧 化 钠 、 l mo l L碳 酸 锂及 0 5 mo l L氢 氧 化锂 分 别 作 为 阳 极 电解 液 , 控 制每 个 回路 电流 值 为 0 0 2 A, 通 电 时 间 为 1 0 d , 总 电量 为 2 5 4 7 t x A c m d , 研 究 再 碱 化 过 程 中阳极 电解 液对 再碱 化效 果 的影 响 。 ( 2 ) 采 用 模 拟 再 碱 化 试 验 方 法 , 阴极 电 解 液 为 蒸 馏 水 , 阳极 溶 液 为 1 m o l L的 碳 酸 钠溶 液 , 控 制 每 个
18、回路 电流值为 0 0 2 A,研究通 电时间对再碱化效 果 的影 响; 此外 , 恒定通电时问, 研究 回路中电流值 ( 1 0 mA、 2 0 m A、 3 0 mA、 4 0 mA) 对再碱化效果 的影响。 ( 3 ) 采 用模 拟 试 验 方法 , 阴极 电解 液 为蒸 馏 水 , 阳极 电解液为 l mo l L的碳酸钠溶液 , 试验中再碱化 过程采 用 电流值 分别 为 l O m A、 2 0 m A、 3 0 mA、 4 0 m A 时 ,通 电 l O d ,即 总 电 量 分 别 为 : 1 2 7 3 t z A c m d 、 2 5 4 7 A c mZ d 、 3
19、8 2 1 A c m d 、 5 0 9 4 A c m d , 研 究 再碱 化 过程 对混 凝 土力学 性 能 的影响 。混凝 土抗 压 强度试验参照 G B r r 5 o 0 8 l 一 2 0 0 2 普通t 昆 凝土力学性 能试验方法标准 进行。 ( 4 ) 采 用 电解 液 浸 泡 试 验 方 法 , 研 究 再 碱 化 过 程对混凝土与钢筋粘结强度 以及 钢筋腐蚀 状态 的 影响。钢筋与混凝 土的粘结强度测试参照 J T J 2 7 0 9 8 ( 水 运工 程 混 凝 土 试 验 规 程 中混凝 土 与 钢 筋 握 裹 力试 验 方 法 进 行 ,参 照美 国 A N S
20、I A S T MC 8 7 6 9 1 混 凝 土 中钢 筋 的半 电池 电位 试 验 标 准 , 采 用 外 置参 比电极 的方 法测 试钢 筋 的腐蚀 电位 。 2试 验 结果 与分 析 2 1 p H值 与再 碱化 深 度 一 1 7 2 0 1 1年第 8期 混 凝土 与水泥 制 品 总第 1 8 4期 ( 1 ) 阳极 电解 液对 电化学 再 碱化效 果 的影 响 阳极 电解液 对 电化 学再 碱化 效果 的影 响如 表 1 所示 。 由表 1 可 以看 出 , 选 用 碱性 较 高 的溶 液作 为 阳 极 电解 液 时 , 阳极 不 锈 钢 片有 不 同程 度 的锈 蚀 现 象
21、,以 0 5 m o l L的氢氧化钠作为 阳极电解液时 , 阳 极不锈 钢 片锈 蚀 非 常严 重 , 以 0 5 mo l L的氢 氧 化 锂 作为阳极电解液时 , 阳极材料虽然也 出现了锈蚀 现 象 , 但 其 锈蚀 程 度 明显 比氢 氧化 钠 低 , 其 主要 原 因 是 一方 面在 强 碱性 条 件和 电 流作 用下 , 阳极 金 属材 料 已被 氧 化 ,导致 阳极 不 锈 钢片 出现 锈 蚀 的现 象 ; 另一方面由于氢氧化锂 的溶解度 比较低 , 溶液碱度 比氢氧化钠低 , 所以金属材料在氢氧化锂溶液中的 活性 比在氢氧化钠溶液 中的低 , 故 阳极材料被氧化 程度低。 在
22、电流 的作 用 下 , 一 方 面 阳极 电解 液 ( 氢 氧 根 离子 ) 会 向混 凝 土 内 部渗 透 , 另 一 方 面金 属 阳离 子 ( 如 N a +L i ) 会 向阴极 迁移 , 由于锂离 子半 径 比钠 离 子小 , 更 容易 透 过? 昆凝 土迁 移到 阴极 , 因此 , 用 氢 氧 化 锂 作 为 阳极 电解 液 时 ,再 碱 化 效 果 比氢 氧 化钠 好 ; 用碳酸锂作为阳极电解液比碳酸钠溶液作为电 解液再碱化效果好 ; 虽然用碳酸氢钠作为阳极电解 液时也 能起到再碱化的效果 , 但从再碱化原理和再 碱化效果方面考虑 , 其没有碳酸锂和碳酸钠溶液作 为 电解 液效
23、果 好 ; 碳酸 锂 作 为 阳极 电解液 效 果 比碳 酸 钠溶 液效 果 好 , 而且 锂 离子 还可 以抑制 再碱 化 过 程 中的碱一 骨 料反应 。 ( 2 ) 回路电流值和通电时问对再碱化深度的影响 表 2为再碱 化过程 中回路 电流值和通 电时间 对 再 碱化深 度 的影响 。 表 1 阳极 电 解 液 对 再碱 化 效 果 的影 响 表 2电流值和通 电时间对再碱化深度 的影 响 m m 从 表 2可 以看 出 , 在 同一 电流 密 度 下 , 再 碱 化 时间越长 ( 即总电量越大 ) , 再碱化效果越好 。在相 同的再碱化时间内 ,电流密度越大再碱化 效果越 好 , 但
24、是 电流 过大 时 阳极 金属 材料 容 易被 氧 化 而影 响再碱化效 果 。 从试 验 结果 还 可 以看 出 , 在 电化 学再 碱 化 过程 中阴极溶 液 p H值 逐 渐增 大 ,即溶 液从 中性 逐 渐变 成碱 性 。根据再 碱 化技 术原 理9 - 砌, 在 阴极 主要 发生 以下 两个反 应 : H2 0+1 2 02 + 2e - - - - + 2 0H一 2 H2 O+2 e H2 +2 0H一 因 此 可 以认 为 再 碱 化 过 程 中 阴极 不 断 产 生 O H一 , 使 阴极溶 液碱性 化 。 阳极 主要 发生 以下反 应 : 一 1 8 2 0 H 一 一H
25、2 O + 1 2 0 2 + 2 e 电解 反应 H 0 1 2 O 2 + 2 H + + 2 e 一 水解反应 N C 0 3 + C 0 2 + H 2 O 一 2 N a H C O 3 中和反应 从 反应 原 理分 析得 出 ,阳 极溶 液 的 p H 值是 逐 渐 降低 的 。从表 1 试 验 结果 可 以看 出 , 再 碱化 过 程 中 阳极 溶液 p H值较 再碱 化 前降低 ,与理 论 分析 相 吻合。此外 , 随着 电流值 的增大和再碱化时间的延 长 ,阳极溶液 p H值降低会更 明显 ,最终趋于中性 化 。 2 2 抗压强度与粘结强度 碳 化 混 凝 土 电化 学再 碱
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