專利名稱：碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)，具體為碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電化學(xué)再堿化方法。
背景技術(shù)：
混凝土是人類使用的最大宗建筑結(jié)構(gòu)材料，鋼筋混凝土被廣泛應(yīng)用于港口、大壩、公 路、橋梁、市政、海工等現(xiàn)代化工程建設(shè)中。然而，混凝土結(jié)構(gòu)由于受到各種環(huán)境條件， 如大氣、水、氣候等物理或化學(xué)的侵蝕作用，即使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、施工正確，其在服役期 間也往往發(fā)生劣化、未達(dá)不到預(yù)期壽命而破壞，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。縱觀混凝土結(jié) 構(gòu)的各類環(huán)境破壞機(jī)理，混凝土劣化過(guò)程(物理、化學(xué)和生物的)和鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā) 生劣化的主要原因有凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕、收縮開(kāi)裂和氯離子或碳化引起 的鋼筋銹蝕等。這些混凝土結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)往往需要修補(bǔ)、修復(fù)與防護(hù)。
碳化引起混凝土中堿度降低是引起鋼筋銹蝕的主要誘因之一。要延長(zhǎng)已老化混凝土結(jié)構(gòu) 的使用壽命，關(guān)鍵是要恢復(fù)鋼筋周?chē)膲A性環(huán)境。因此，如何實(shí)現(xiàn)碳化混凝土中堿度升高一 直工程界研究的熱點(diǎn)之一。將電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用到碳化混凝土的修復(fù)中是一門(mén)新技術(shù)。以前已 經(jīng)有過(guò)對(duì)提高碳化混凝土內(nèi)堿度的工藝的報(bào)道，如歐洲專利No. 264421和美國(guó)專利 No. 4865702。在該發(fā)明中，電流在外電極與作為陰極的混凝土內(nèi)鋼筋之間流過(guò)，其中外電 極則與涂于混凝土外表面的堿性電解液相接觸。在此工藝中發(fā)生兩個(gè)效應(yīng)堿性電解液流進(jìn) 混凝土，在陰極區(qū)含堿量增加。使得鋼筋再次鈍化，滲進(jìn)混凝土的電解液層在具有足夠高的 pH值的鋼筋上方及周?chē)３忠粋€(gè)覆蓋區(qū)，以使鋼筋保持鈍化。這一工藝已熟知為再堿化工藝。 作為本工藝的堿性電解液，歐洲專利No. 264421提供了液態(tài)的或吸收于諸如石棉、纖維素、 鋸屑、砂、粘土之類多孔介質(zhì)中的鈣、鈉和或鉀鹽的含水溶液，或者電解液可以是強(qiáng)緩凝的 混凝土、灰漿、水泥漿或石灰槳。英國(guó)專利申請(qǐng)No. 2271123A公布了一種工藝，其中含水電 解液中使用了碳酸鈉或硼酸鈉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為利用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)特性與環(huán)境條件，將電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用到各類混凝土結(jié)構(gòu)的再堿化修復(fù)中，采用電化學(xué)再堿化方法在水溶液電解質(zhì)中恢復(fù)碳化鋼筋混凝土 的堿度，從而解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)堿度恢復(fù)這一技術(shù)難題。
本發(fā)明的原理是作為陰極的碳化鋼筋混凝土界周內(nèi)鋼筋與陽(yáng)極之間建立一定的電流， 在電化學(xué)作用下，使得陰極與陽(yáng)極附近分別發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)，在電場(chǎng)作用下，OH一等 負(fù)離子從電解質(zhì)中通過(guò)混凝土分別向陽(yáng)極遷移，從而實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部的堿度提高。如圖1 所示。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，提出如下技術(shù)方案 一種碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，包括下列步驟
1) 以碳化鋼筋混凝土界周內(nèi)鋼筋作為陰極與直流電源負(fù)極相連，將陽(yáng)極與直流電 源正極相連；
2) 將陽(yáng)極浸于電解液中，并將需再堿化的碳化鋼筋混凝土表面浸于電解液中；
3) 調(diào)整直流電源電壓，控制電流密度為為O. 1 6A/m2，使混凝土內(nèi)部pH值升高， 鋼筋再鈍化。電流密度指單位混凝土表面積的電流量大小，電流密度的大小根 據(jù)所應(yīng)用的電解質(zhì)溶液類型與濃度、再堿化的時(shí)間所確定， 一般上述電流密度 一般為0. 1 6A/m2，較佳的為0. 5 3A/m2，最佳為1 2A/m2。
上述碳化鋼筋混凝土是指曝露于大氣中已碳化的混凝土結(jié)構(gòu)。較佳的，上述碳化鋼筋混 凝土為鋼筋混凝土柱、樁或其他類似的支柱結(jié)構(gòu)。
上述電解液為堿性電解質(zhì)溶液，可以是選自碳酸鋰、碳酸鈉或碳酸鉀的水溶液，也可以 直接是水。較佳的，碳酸鹽溶液的濃度為O. l摩爾/升至飽和濃度，優(yōu)選O. 5摩爾/升至飽和濃 度。電解液中優(yōu)選碳酸鋰電解質(zhì)溶液，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該電解質(zhì)溶液在較低濃度時(shí)即可獲得顯著 的再堿化效果，有效節(jié)約成本，此外，該電解液溶液還可以有效防止傳統(tǒng)工藝因混凝土中堿 度提高、堿金屬鈉、鉀離子的引入而引起混凝土結(jié)構(gòu)的堿骨料反應(yīng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)?？蓪⑻妓徜嚒?碳酸鈉或碳酸鉀加到水中制備電解質(zhì)溶液。碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀化合物達(dá)到工業(yè)級(jí)即可， 也即其純度大于99%。電解質(zhì)溶液方便地通過(guò)盛電解質(zhì)溶液并可移動(dòng)地置于混凝土表面的槽 與混凝土表面相接觸。盛電解質(zhì)溶液槽的使用使電解液能與傾斜的、垂直的和頂上的表面保 持接觸，并使該工藝可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的下面。
上述陽(yáng)極可以采用惰性的鈦網(wǎng)或鈦板，也可以采用活性的鋼絲網(wǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，陽(yáng) 極可包裹于碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的周?chē)ｊ?yáng)極的大小取決于所修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)的大小及狀況。陽(yáng)極具體大小并無(wú)嚴(yán)格限制， 一般應(yīng)覆蓋碳化混凝土結(jié)構(gòu)所需再堿化的區(qū)域即可。
直流電源可以采用蓄電池電源、發(fā)電機(jī)等。直流電源電壓的大小根據(jù)所修復(fù)的結(jié)構(gòu)大小 所確定的。直流電壓大小主要取決于所需的電流密度大小。 一般，直流電壓大小在10 110V 范圍內(nèi)。例如對(duì)于長(zhǎng)10m、直徑0.5m混凝土結(jié)構(gòu)樁，合適的陽(yáng)極大小應(yīng)是1000平方厘米。 直流電源輸出功率至少應(yīng)達(dá)到1000瓦特。根據(jù)所修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)，要求必須具有達(dá)15 60伏直流電壓，輸出的電流密度控制在0.1 6A/m2，最好在0.5至3A/m2范圍。
混凝土中堿度可通過(guò)測(cè)定pH值的方法檢測(cè)，例如將酚酞指示劑噴在新取樣的混凝土斷 面上，當(dāng)pH值大于10.5，通常大于ll左右，再堿化工藝即可結(jié)束。測(cè)量pH值確定工藝結(jié) 束的區(qū)域離表面的距離通常與測(cè)試前第一次選擇的區(qū)域離表面的距離一致。
與其他方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要有本發(fā)明所提供的電化學(xué)再堿化方法可修復(fù)各 類受環(huán)境侵蝕而碳化的混凝土結(jié)構(gòu)，特別適合于修復(fù)各類鋼筋混凝土柱、樁或其他類似的 支柱結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程修復(fù)工作。修復(fù)成本低、方法簡(jiǎn)單、修復(fù)效果好、可靠。


圖l:碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化工作原理示意圖
圖2:碳化鋼筋混凝土樁結(jié)構(gòu)的電化學(xué)再堿化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 附圖標(biāo)記
1.直流電源整流器；2.陽(yáng)極網(wǎng)；3.堿性電解質(zhì)溶液；4.碳化混凝土； 5.鋼筋；6.電壓表；7.電流表
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1碳化混凝土結(jié)構(gòu)樁的修復(fù) 多年暴露大氣中己碳化的混凝土結(jié)構(gòu)樁長(zhǎng)10m、直徑0.5m。 直流電源蓄電池電源
將碳化混凝土結(jié)構(gòu)樁中的鋼筋作為電解回路的陰極，用多股電線連接起來(lái)，電線與鋼筋 間錫焊或電焊連接，以增強(qiáng)與鋼筋的電路連接，連接處采用絕緣材料如硅酮或環(huán)氧進(jìn)行密 封隔離，而后連接在直流電源的負(fù)極。
陽(yáng)極采用惰性的鈦板，先將陽(yáng)極與直流電源正極連接，再將陽(yáng)極浸入盛有0.5mol/l的碳酸鉀溶液的有機(jī)玻璃槽中，將槽包裹于碳化混凝土結(jié)構(gòu)周?chē)圻吘壟c混凝土結(jié)構(gòu)表面接觸 部分用密封膠密封以防止電解液滲漏，使得碳酸鉀溶液與需修復(fù)得混凝土結(jié)構(gòu)樁表面充分接
觸，陽(yáng)極的大小為陽(yáng)極大小應(yīng)是iooo平方厘米。
修復(fù)示意圖如圖2所示。
調(diào)節(jié)直流電源電壓，獲得lA/n^的電流密度。
通電一周時(shí)間后，將酚酞指示劑噴在新取樣的混凝土斷面上，如果pH值大于ll，表明 成功恢復(fù)了碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的堿度。
實(shí)施例2
對(duì)內(nèi)部pH值已降到10以下的碳化的混凝土梁長(zhǎng)5m、寬0.5m、高0.3m。 直流電源蓄電池電源
同樣，將碳化混凝土梁中的鋼筋作為電解回路的陰極，用多股電線連接起來(lái)，電線與鋼 筋間錫焊或電焊連接，以增強(qiáng)與鋼筋的電路連接，連接處采用絕緣材料如硅酮或環(huán)氧進(jìn)行 密封隔離，而后連接在直流電源的負(fù)極。
陽(yáng)極采用惰性的鈦網(wǎng)，陽(yáng)極面積為9m2，先將陽(yáng)極與直流電源正極連接，再將陽(yáng)極浸入盛 有0.5mol/l的碳酸鉀溶液的有機(jī)玻璃槽中，將槽包裹于碳化混凝土結(jié)構(gòu)周?chē)?，槽邊緣與混凝 土結(jié)構(gòu)表面接觸部分用密封膠密封以防止電解液滲漏。
電解質(zhì)溶液選擇碳酸鈉飽和溶液，
調(diào)節(jié)直流電源電壓，獲得1.5A/n^的電流密度。
通電3天時(shí)間后，便獲得良好的效果。將酚酞指示劑噴在新取樣的混凝土斷面上，如果 pH值大于11，表明成功恢復(fù)了碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的堿度。
實(shí)施例3
對(duì)內(nèi)部pH值己降到9.5以下的碳化的混凝土路面長(zhǎng)20m、寬5m、厚0.3m。 直流電源蓄電池電源
同樣，將碳化混凝土路面中的鋼筋作為電解回路的陰極，用多股電線連接起來(lái)，電線與 鋼筋間錫焊或電焊連接，以增強(qiáng)與鋼筋的電路連接，連接處釆用絕緣材料如硅酮或環(huán)氧進(jìn) 行密封隔離，而后連接在直流電源的負(fù)極。
陽(yáng)極采用活性的鋼絲網(wǎng)，陽(yáng)極面積為100m2，先將陽(yáng)極與直流電源正極連接，再將電解質(zhì)溶液置于混凝土路面上，四周采用有機(jī)玻璃槽密封，防止電解質(zhì)溶液流失。 電解質(zhì)溶液選擇碳酸鋰溶液，濃度O. lmol/L。 調(diào)節(jié)直流電源電壓，獲得lA/r^的電流密度。
通電8天時(shí)間后，混凝土路面內(nèi)部的堿度便得以恢復(fù)。將酚酞指示劑噴在新取樣的混凝 土斷面上，如果pH值大于ll，表明成功恢復(fù)了碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的堿度。
權(quán)利要求
1. 一種碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，包括下列步驟1)以碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋作為陰極與直流電源負(fù)極相連，將陽(yáng)極與直流電源正極相連；2)將陽(yáng)極浸于電解液中，并將需再堿化的碳化鋼筋混凝土表面浸于電解液中；3)調(diào)整直流電源電壓，控制電流密度為0.1～6A/m2，使混凝土內(nèi)部pH值升高，鋼筋再鈍化。
2. 如權(quán)利要求1所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述電流密度 為0. 5 3A/m2。
3. 如權(quán)利要求2所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述電流密度 為1 2A/m2。
4. 如權(quán)利要求l所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述電解液為 堿性電解質(zhì)溶液。
5. 如權(quán)利要求4所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述堿性電解 液為碳酸鋰或碳酸鈉或碳酸鉀的水溶液，或者是水。
6. 如權(quán)利要求4所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述堿性電解 液濃度為O. l摩爾/升至飽和濃度。
7. 如權(quán)利要求6所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述堿性電解 液濃度為O. 5摩爾/升至飽和濃度。
8. 如權(quán)利要求1所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述陽(yáng)極選自 惰性的鈦網(wǎng)或鈦板，或者為活性的鋼絲網(wǎng)。
9. 如權(quán)利要求1所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述陽(yáng)極包裹 于碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的周?chē)蛘吲c粘結(jié)層一起包裹在碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面。
10. 如權(quán)利要求1所述碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，其特征在于，所述陽(yáng)極的大 小與再堿化混凝土結(jié)構(gòu)四周表面積相當(dāng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼筋混凝土的修復(fù)。公開(kāi)了一種碳化鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化方法，包括下列步驟以碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋作為陰極與直流電源負(fù)極相連，將附加陽(yáng)極與直流電源正極相連；將陽(yáng)極浸于一定濃度的碳酸鈉、碳酸鋰或碳酸鉀電解液中，并使再堿化的碳化鋼筋混凝土表面浸于電解液中；調(diào)整直流電源電壓，控制電流密度為0.1～6A/m²之間，使混凝土內(nèi)部的pH值恢復(fù)到11以上，從而使得鋼筋再鈍化。本發(fā)明一種現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)碳化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部堿度的方法，可現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)因各類受環(huán)境侵蝕而碳化的混凝土結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C04B32/02GK101412635SQ20071004710
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月16日
發(fā)明者孫振平, 王培銘, 蔣正武 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)