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)研和工程實踐證明，在氯鹽等嚴(yán)酷環(huán)境中，要達到100 a以上的設(shè)計使用壽命，必須采取有效的腐蝕防護措施.

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

對于處于氯鹽環(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］.本文針對鋼筋腐蝕機理，提出了氯鹽環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外加電場阻鹽(ERC)防護技術(shù)，其原理是在鋼筋保護層之間施加一個陰極電場，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)擴散作用.同時在鋼筋上進行的微弱陰極反應(yīng)產(chǎn)生了少量的OH－，從而保證鋼筋周圍的化學(xué)環(huán)境持久保持在無Cl－含量、高pH值的鈍化條件，其原理見圖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，測量氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)［4－5］;胡少偉等［6］對外加電場作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子含量分布進行了數(shù)值計算，表明在鋼筋混凝土保護層之間施加一個微小電場，就能有效阻滯氯離子的侵入，為電場阻鹽防護技術(shù)提供了依據(jù).本文進行混凝土試件的電場阻鹽試驗，以驗證數(shù)值計算的可靠性，并通過計算分析了阻鹽的長期效果.

1 電場阻鹽(ERC)防護技術(shù)的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)鋼筋混凝土處于氯鹽環(huán)境中時，擴散是離子向混凝土中傳輸?shù)闹饕绞剑?］，對其施加一陰極電場時，帶有負(fù)電荷的氯離子將在電場作用下向敷設(shè)在混凝土表面的陽極遷移，因此在電場和質(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:

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

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;D為氯離子擴散系數(shù);c為深度x處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 理論計算的可靠性驗證

2.1 試件制作

為了驗證式(2)數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，按JTJ 270－1998《水運工程混凝土試驗規(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，鋼筋保護層厚度為5 cm 的鋼筋混凝土試件，進行電場阻鹽試驗.同時成型了相同配合比，尺寸為Φ100 mm×60 mm的混凝土試件，以測量氯離子擴散系數(shù)隨時間的關(guān)系.試件所用的原材料有PO42.5水泥、細度模數(shù)為2.5的人工砂、最大粒徑為20 mm的碎石、食鹽、自來水、NaCl(分析純)、9.5 cm長的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，用無水乙醇和丙酮去脂.

2.2 試驗方法

混凝土試件在(20±3)℃飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護一定齡期后，按JTJ 270－1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》中7.9節(jié)方法測量氯離子相對擴散系數(shù)，并用自然擴散法校正，得到氯離子擴散系數(shù)隨齡期的變化.

鋼筋混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后，將寬為0.76 cm的條狀MMO陽極敷設(shè)在試件澆筑面，在陽極上焊接出陽極電纜，焊接處用環(huán)氧封閉，用砂漿層覆蓋陽極，室溫養(yǎng)護14 d，以0.75和1.00 V電壓進行ERC試驗，在阻鹽試件和對比試件上每天噴灑10%NaCl溶液.試驗結(jié)束后，鉆芯取樣，按JTJ 270－1998《水運工程混凝土試驗規(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)的測量和計算結(jié)果Fig.2 The calculated and measured results of chloride content in concrete

2.3 試驗結(jié)果分析

對混凝土試件不同齡期的氯離子擴散系數(shù)D進行測試，得出當(dāng)齡期分別為28，68和90 d時，氯離子擴散系數(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)進行擬合，得到氯離子擴散系數(shù)與時間的關(guān)系為:

將式(3)代入式(2)，采用有限元方法計算了阻鹽電0.75和1.00 V，暴露240 d時氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度x布，式(2)的初始條件為t=0，若x＞0時，c=0;邊界條件為0，若 t＞0 時，c=cs(cs為 Cl－在混凝土表面的質(zhì)量分?jǐn)?shù)).在運行過程中，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，Cl－的遷移數(shù)為0.28，本文計算時取0.2.計算結(jié)果與氯離子隨深度分布的實測結(jié)果見圖2.

由圖2可見:(1)混凝土氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實測值與計算結(jié)果基本吻合，兩者相關(guān)系數(shù)大于0.98，表明理論計算結(jié)果較為可靠，可用于計算已知氯離子擴散系數(shù)D的混凝土結(jié)構(gòu)，在給定阻鹽電壓下時間t時混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，同樣也能計算保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達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證實ERC有顯著的阻鹽效果.隨著阻鹽電壓的升高，外加電場強度的增大，氯離子的滲透量減少，系統(tǒng)阻鹽效果越明顯，與對比試件相比，在阻鹽電壓為0.75和1.00 V下運行240 d時，阻鹽率分別達到39%和52%.

3 長期阻鹽效果的計算分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度為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，因此本文氯離子擴散系數(shù)隨時間的關(guān)系取為偏于不利的角度，cs取 2.0%(相對于混凝土).

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

圖3 100 a后氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿深度的分布計算結(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)隨服役時間變化Fig.4 Change of chloride content at 50 mm depth with service time

從圖3可見，在沒有采用ERC(0V)的混凝土中，100 a時鋼筋周圍的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)已達到0.5%，遠大于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電壓進行ERC的混凝土結(jié)構(gòu)，服役100 a時鋼筋周圍的氯離子質(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，以上模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，服役10～15 a時保護層50 mm處鋼筋就開始腐蝕，而當(dāng)采取0.75和1.00 V電壓進行ERC后，服役100 a時間內(nèi)50 mm深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直保持很低的水平.

以上計算結(jié)果表明，對處于氯鹽環(huán)境鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取小電壓ERC防護，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

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

(2)混凝土試件電場阻鹽試驗表明，在不同電壓阻鹽情況下，氯離子分布的實測結(jié)果和理論計算較為吻合.因此對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)模型進行設(shè)計計算.

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

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