电化学除盐对钢筋

电化学除盐对钢筋-混凝土界面粘结的影响彭宝利唐山学院东校区邮编：063020摘要：电化学除盐是一种针对钢筋锈蚀而研发的钢筋混凝土无损修复技术，但由于在理论和技术上尚存在一些问题，特别是使用不当时会出现钢筋与混凝土界面粘结力下降的问题，使之未能在实际工程中得到广泛应用。本文在对电化学除盐后钢筋混凝土间粘结力变化进行分析的基础上，提出了电流作用弱化钢筋-混凝土界面的见解；认为只有对钢筋所处的整个弱化区进行全面剖析，才能发现克服或减小电化学除盐对钢筋混凝土界面产生不利影响的技术途径。关键词：电化学除盐；粘结力；弱化区；钢筋混凝土TheEffectofElectrochemicalRemovalofChloridesontheBondStrengthbetweenSteelandConcreteLIjingrongLIUhongfangPENGbaoliTangShanCollegeEastDistrict063020Abstract:Electrochemicalremovalofchlorideisamethodtorehabilitatechloride-contaminatedconcretestructures.Forthereasonofthedecreaseofcohesivestrengthbetweensteelandconcreteafterelectrochemicalremovalofchlorideandsomeotherfactorsthemethodhasnotbeenwidelyappliedinpractice.Basedonthediscussiononthereasonforthedecreaseofthecohesiveforceandtherelevantmechanismstheauthorsbelievethatforovercomingorreducingtheminuseffectoftheprocessofelectrochemicalremovalofchlorideonthecohesivestrengthawholeinvestigationintotheweakenzoneisneeded.Keywords:ElectrochemicalRemovalofChloride,Cohesivestrength,Weakenzone,Reinforcedconcrete.0前言混凝土硬化后与钢筋之间产生良好的粘结能力，使钢筋混凝土在荷载、温度、收缩等外界因素作用下能够共同工作，改善了混凝土结构的韧性，提高了其抗拉、抗弯性能。另一方面，混凝土隔离了钢筋与外界，特别是侵蚀性介质的接触，其碱性环境又维持着钢筋表层的钝化，防止了钢筋的锈蚀。因此，它们的结合被认为是水泥混凝土工业中一次重要的技术革命，钢筋混凝土组合结构也成为当今土木和各种建筑工程中最广泛应用的结构形式。然而，众多的工程事例表明[1]，由于钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏问题，已日益突出，成为影响钢筋混凝土耐久性的首要因素，而氯离子的侵入和存在则是导致钢筋活化腐蚀、结构过早破坏的祸首。因此，对正在服役且由于各种原因正在遭受氯离子侵害作用的钢筋混凝土建筑物，采取技术上可行、经济上合理的防锈和修复方法以及针对性地开展钢筋锈蚀防治与修复的新技术、新方法的研究具有重大的社会意义与经济价值，同时，对提高混凝土结构，特别是海工工程和沿海土木、建筑工程的使用性能和耐久性也具有重要指导意义。针对钢筋锈蚀问题，工程中一般都是采取“以防为主”的措施[2]，如提高混凝土密实性和抗裂性能、掺加掺合料、钢筋表面涂层、阴极保护、掺加阻锈剂等；对于已经建成且正在遭受氯离子诱发钢筋锈胀的混凝土结构，通常使用迁移性阻锈剂或者凿除膨胀开裂处的混凝土，将钢筋作除锈、防锈处理，再用新的优质混凝土或聚合物乳胶改性水泥砂浆进行修补。但是，此类方法不能有效清除已侵入混凝土内层的Cl－，更不能使已经活化腐蚀的钢筋表面恢复钝化保护状态，特别是新修补的砂浆和旧混凝土之间存在的电位差，依然可能会导致钢筋锈蚀。基于离子在电场作用下将产生定向迁移的特性，上世纪70年代人们提出了一种以混凝土中钢筋作阴极，在混凝土表面敷置电解质溶液（如氢氧化钙、氢氧化锂溶液等），并以金属网作为临时阳极，在金属网和钢筋之间施加一电场的除盐理论及方法，称之为电化学除盐技术（ElectrochemicalRemovalofChlorides），其作用原理如图1所示。图1电化学除盐原理示意图在该外加电场的作用下，混凝土中的氯等阴离子向阳极迁移而进入电解质溶液，氯离子因而得以排除；另一方面，电解液及混凝土中的阳离子将向钢筋部位聚集。由于钢筋周围所产生的阴极反应，产生大量的OH－,周围pH值提高，使钢筋重新处于强碱性环境下，表面又得以再钝化。因此，对于那些正在服役且遭受氯离子侵蚀的钢筋混凝土结构而言，采用电化学除盐方法可对其进行有效的修复。1电化学除盐对钢筋-混凝土界面粘结的影响 电化学除盐法自提出以来，引起了众多科研工作者和工程技术人员的兴趣，其作为一种无损修复技术，具有经济、方便和劳动强度低等特点。自Saskatchewan高速公路1994年采用电化学除盐技术以后，国外相继出现较多电化学除盐技术应用于工程实践的报道；近年来，国内已有部分关于电化学除盐方法对混凝土组成、结构和性能影响的研究和小规模的工程应用事例报道。但是，相对于每年钢筋锈蚀对混凝土结构造成破坏的工程事例与损失而言，电化学除盐技术在工程中的应用还是微乎其微。其主要原因是人们对电化学除盐技术中还存在一些疑问和担心，其中首当其冲的是电化学除盐后混凝土与钢筋间的粘结力下降问题。1993年，Rasheeduzzafar等[3]在高强钢筋混凝土中采用钢筋阴极保护方法时，曾发现在电流作用下钢筋和混凝土的界面粘结强度下降；N.M.Ihekwaba[4]和J.C.Orellan[5]在不同试验条件下都证实了这一现象的存在；王新祥等[6]配制强度等级为C30含氯混凝土，其中预埋光面钢筋，在电流密度为0.25~2A/m2（以混凝土表面为计算面积）的条件下除盐15~30天，发现钢筋与混凝土之间的粘结力明显下降，试验结果见表1所示。表1电化学除盐前后钢筋-混凝土粘结力的变化编号电流密度（A/m2）通电量(×106C/m通电时间（days）拉拔力(KN)粘结力损失（%）000023.3010.51.296306.870.7212.592305.875.331.53.888303.784.040.50.648158.065.7511.296155.974.9622.592154.281.8由表1可见，电流作用明显降低了钢筋与混凝土之间的粘结力，且随着电流密度和总通电量的提高，粘结力下降幅度明显增大。这种影响将直接削弱钢筋与混凝土材料间的复合作用，威胁着混凝土结构的安全性和耐久性。因此，如何减小或消除电流作用下钢筋-混凝土粘结力下降的问题，成为制约电化学除盐技术在实际工程中得到应用与推广的一个关键问题。2电化学除盐对钢筋-混凝土界面区的影响电化学除盐后钢筋混凝土间粘结力下降的事实虽然已被众多试验所证实，且自上世纪90年代以来，人们也将电流作用对混凝土结构耐久性的影响当作研究重点之一。然而，就电流作用与粘结力变化的关系、粘结力下降的实质原因等根本问题各家众说纷纭，未有明确答案，因而也就难以探索有效减小或消除这种负面影响的科学理论与技术方法。目前，人们认为粘结力下降的可能原因是：（1）电解产生氢气众多科研人员都认为电流作用下钢筋附近会发生电解反应和产生氢气，并引起钢筋产生氢脆。Bennetetal[7]应用20A/m2的电流处理一块钢筋混凝土板，他们最后认为在电流的作用下，钢筋附近的水电解生成氢气，而当氢气生成速率大于其向混凝土内部扩散速率时，钢筋附近氢气富集，产生一定压力，剥离钢筋与混凝土的粘结。但是，一般除盐试验及工程中所使用的工作电流不到3～5A/m2，远小于其所使用的20A/m2，因而实际是否会电解产生氢气？由于验证工作的复杂性，此问题至今未有明确的定论。（2）水化产物的软化N.M.Ihekwaba等[4]发现电流密度越大，混凝土中所含氯离子越多和通电时间越长，钢筋与混凝土间粘结力的下降幅度就越大。在探讨了钢筋附近的Na+、K+离子浓度与粘结力下降率的关系基础上，他们认为Na+、K+离子在钢筋附近的富集可能是导致粘结力下降的主要原因；Rose[8]研究了碱性条件下水泥水化产物的状态，认为水化产物在碱性环境下会发生一定的软化，而干燥后，水化产物的硬度可以恢复；河海大学王军强等[9]在0.25~1A/m2条件下试验，发现除盐后钢筋混凝土粘结强度损失率一般小于25%，但部分损失会随着脱盐后静置时间的延长得到恢复，因此他们也认可钢筋附近富集Na+、K+离子导致水泥水化产物软化而造成其粘结力下降的看法。（3）碱骨料反应Natesayer[10]等用活性骨料配制混凝土，其中碱含量0.95~2.8%，电流密度为0.4~130mA/m2，除盐24个月也没有发现任何体积膨胀的迹象；Page[11]对碱含量为25kg/m3Na2Oequiv的混凝土在电流密度为20mA/m2的条件下处理800天，没有发现碱骨料引发的膨胀，但电流密度增加到700~850mA/m2时，却导致了混凝土的体积膨胀破坏；Page和Yu[12]在综合大量电化学除盐研究结果的基础上提出“劣化点”概念，认为只有Na2O/SiO2为一定的碱硅胶才会引起最大的膨胀破坏，电流密度超过700mA/m2，总通电量为1~2×107C/m2时，ASR反应才会导致最大的体积膨胀；邱富荣、吕忆农[13]等利用0.5~2A/m（4）钢筋表面水含量的变化Miller和Nustad[14]等发现电化学除盐后钢筋表面的湿度比处理前高，他们在研究了大量钢筋表面的潮湿状态、程度与粘结力的关系后，提出粘结力下降可能是由于钢筋与混凝土界面处多余的水使得钢筋与混凝土间的摩擦力减少的缘故。（5）锈蚀产物的溶解众所周知，钢筋表面发生少量的锈蚀时会增大钢筋与混凝土之间的摩擦力，当电化学除盐后，锈蚀产物会发生溶解，这种作用直接降低了钢筋与混凝土的接触面积，导致两者间的摩擦力减小。（6）界面处水化产物组成的改变J.C.Orellan等[5]利用SEM/EDS分析了混凝土和钢筋表面，发现钢筋表面存在碱硅胶和细长型的白色物质，其中SiO2占50%左右，CaO/SiO2值较混凝土本体中的低，因而他们认为电流作用使得钢筋附近的水化硅酸钙的成分和结构发生变化，从而降低了钢筋与混凝土的粘结；南京水利科学研究院李森林[15]利用SEM观测电化学除盐后的钢筋与混凝土界面，得到脱盐后再钝化产物膜的组织结构与未发生腐蚀破坏前钢试样的组织结构相似，但没有典型的水化硅酸钙，而Ca(OH)2等六方板状的产物数量明显富集，认为这是钢筋混凝土粘结力下降的根本原因。3分析与讨论众所周知，钢筋与混凝土的界面是一个三相体系：钢筋-混凝土-液相（如图2所示），因此，钢筋-混凝土之间的粘结力主要由以下三种途径获得[?]：（1）钢筋与混凝土之间化学吸附作用力；（2）混凝土收缩与钢筋之间产生的摩擦力；（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的咬合力。一般情况下，钢筋与混凝土之间的化学结合力比较小，且当两者之间发生相对移动时，化学结合力就马上消失；而摩擦力的大小主要取决于钢筋与混凝土之间接触点的多少、接触形式和硬化水泥浆体收缩时对钢筋径向的正压力；钢筋与混凝土之间的咬合力主要受钢筋表面的粗糙程度和有无带肋的影响。当然，这三种力与混凝土自身的强度都有很大的关系，一般来说，混凝土强度越高，其与钢筋间的粘结就越强。图2钢筋与混凝土的界面粘结示意图电化学除盐后钢筋与混凝土间的粘结力下降主要是由于上述三种力的降低。由于化学结合力在粘结力中所占比例较小，因此我们认为粘结力的下降应主要归咎于摩擦力和机械咬合力的下降，而这两种力主要受钢筋与混凝土间的物理接触与摩擦、咬合程度的影响。当物理接触点减少和摩擦力与机械咬合力下降时，粘结力将相应降低。导致这一现象的原因是在电化学除盐过程中，在电流作用下钢筋表面状态及钢筋混凝土界面区组成与结构发生了变化，产生了一粘结弱化区域。王新祥等[6]在电化学除盐以后，将钢筋表面的混凝土沿径向分成三部分，利用压汞法（MIP）测试混凝土的孔隙率及孔隙分布（见图3），内层混凝土（近钢筋处）的孔隙率明显高于中层混凝土和外层混凝土。图3电流作用后钢筋表明保护层混凝土的孔隙变化如上所述，虽然已有很多资料与文献从理论与技术角度对钢筋-混凝土界面处可能发生的化学反应、界面处化学组成和微观结构等进行了一定的分析。但这些研究主要集中在钢筋与混凝土接触面这样一个很小的范围内，未能从整体上全面分析研究电化学除盐后钢筋与混凝土间粘结力下降的本质原因，因而也就无从谈起寻求一种合理的技术途径以消除或减少电化学除盐过程对钢筋与混凝土间粘结的不利影响。4．结语综上所述，钢筋和混凝土之所以能有效地结合在一起共同工作，是因为混凝土硬化后与钢筋之间产生了良好的粘结力，使之具有较好的结构稳定性和耐久性。电化学除盐方法可有效驱除进入混凝土中的氯离子，是应用前景十分广阔的钢筋混凝土无损修复技术，但是在除盐电流密度较大或除盐时间较长时，钢筋和混凝土之间的粘结力下降，这一问题应引起注意。造成界面间粘结力下降的原因颇为复杂，只有正确认识弱化机理，从整个弱化区域着手，开展增强措施研究，才能减少和消除电化学除盐技术对混凝土结构使用和安全性能的负面影响，使得此方法在技术和理论上更加趋向完善，促进其在遭受氯离子侵蚀破坏的钢筋混凝土结构的修复、补强中的应用，发挥其重要的经济和社会效益。参考文献[1]刘晓敏，宋光铃，曹楚南等.混凝土中钢筋腐蚀破坏的研究概况[J].材料保护,1996，29（6）：17-25；[2]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京：中国铁道出版社，1998；[3]Rasheeduzzafar,M.G.Alietal.Degradationofbondbetweenreinforcingsteelandconcreteduetocathodicprotectioncurrent.ACIMaterialsJournal,1993,No.1:8-15;[4]N.M.Ihekwaba,B.B.Hopeetal.Pull-outandbonddegradationofsteelrebarsinECEconcrete.Cementandconcreteresearch1996(26):267-282;[5]J.C.Orellan,G.Escadeillas,etal.Electrochemicalchiorideextraction:efficiencyandsideeffects.Cementandconcreteresearch2004(34):227-234;[6]王新祥，邓春林，韦江雄，余其俊等.电化学除盐过程中混凝土内部离子迁移和结构变化的研究，第九届中国硅酸盐学会年会论文集(上卷):539-544；[7]BennettJ.SchueT.J.etal.ElectrochemicalchlorideremovalandprotectionofconcreteBridgecomponents:LaboratorystudiesstrategicHighwayresearchprogram,Nationalresearchcouncil,Washington[8]RoseG.E.Desalination-areviewofresearchonpossiblechangeinthesteel-to-concretebondstrength.Proceedingoftheinternationalconferenceonrepairofconcretestructures.Svolver,[9]王军强，范卫国.电化学脱盐对钢筋混凝土性能影响的初步研究.水利科技.2002（1）：50-53；[10]K.Natesayer.Ph.D.Thesis.Cornell[11]C.L.Page,G.Sergietal.Developmentofalkali-silicareactioninreinforcedconcretesubjectedtocathodicprotection,inA.B.Poole(Ed.)Proc.9thInt.conf.OnAlkali-AggregatesReactioninConcrete,Vol.104(2),ConcreteSocietyPublicationCS,London,1992:774-781;[12]C.L.Page,S.W.Yu,Potentialeffects