钢筋混凝土结构电场阻盐防护计算与验证

朱雅仙，蔡伟成，游 日，吴 烨，李森林，胡少伟

(南京水利科学研究院，水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京 210029)

目前，世界上新建和拟建的跨海大桥、隧道和高速公路大型桥涵等重大基础设施工程，均要求100 a以上的使用寿命.大量调研和工程实践证明，在氯盐等严酷环境中，要达到100 a以上的设计使用寿命，必须采取有效的腐蚀防护措施.

图1 电场阻盐(ERC)防护技术原理Fig.1 The principle of prevention technology of ERC

对于处于氯盐环境中的钢筋混凝土结构而言，氯盐的侵入是导致其腐蚀破坏的主要原因［1］.本文针对钢筋腐蚀机理，提出了氯盐环境中钢筋混凝土结构外加电场阻盐(ERC)防护技术，其原理是在钢筋保护层之间施加一个阴极电场，使带有负电荷的Cl－向外迁移，以阻滞因浓度梯度造成的向内扩散作用.同时在钢筋上进行的微弱阴极反应产生了少量的OH－，从而保证钢筋周围的化学环境持久保持在无Cl－含量、高pH值的钝化条件，其原理见图1.

20世纪80年代末首先由挪威学者［2］根据氯离子在电场作用下的电迁移原理提出了电化学脱盐技术，目前该技术已用于修复受氯盐污染腐蚀破坏的钢筋混凝土结构［3］;L.Tang等利用该原理，测量氯离子在混凝土中的扩散系数［4－5］;胡少伟等［6］对外加电场作用下钢筋混凝土结构中氯离子含量分布进行了数值计算，表明在钢筋混凝土保护层之间施加一个微小电场，就能有效阻滞氯离子的侵入，为电场阻盐防护技术提供了依据.本文进行混凝土试件的电场阻盐试验，以验证数值计算的可靠性，并通过计算分析了阻盐的长期效果.

1 电场阻盐(ERC)防护技术的数学模型

当钢筋混凝土处于氯盐环境中时，扩散是离子向混凝土中传输的主要方式［7］，对其施加一阴极电场时，带有负电荷的氯离子将在电场作用下向敷设在混凝土表面的阳极迁移，因此在电场和质量分数双重作用下，氯离子向混凝土内部的总迁移量为:

在匀强电场E下的一维迁移条件下，混凝土保护层内x深度处氯离子质量分数随时间的变化为:

式中:tCl－为氯离子的迁移数;R为气体常数;T为温度;F为法拉第常数;z为氯离子的化合价;D为氯离子扩散系数;c为深度x处氯离子质量分数.

2 理论计算的可靠性验证

2.1 试件制作

为了验证式(2)数值计算结果的可靠性，按JTJ 270－1998《水运工程混凝土试验规程》成型了配合比为水∶水泥∶砂∶石=0.45∶1.00∶1.75∶2.61，尺寸为100 mm×100 mm×90 mm，钢筋保护层厚度为5 cm 的钢筋混凝土试件，进行电场阻盐试验.同时成型了相同配合比，尺寸为Φ100 mm×60 mm的混凝土试件，以测量氯离子扩散系数随时间的关系.试件所用的原材料有PO42.5水泥、细度模数为2.5的人工砂、最大粒径为20 mm的碎石、食盐、自来水、NaCl(分析纯)、9.5 cm长的Ф10圆钢，钢筋酸洗除锈处理，一端焊接出阴极电缆，焊接处用环氧封闭，用无水乙醇和丙酮去脂.

2.2 试验方法

混凝土试件在(20±3)℃饱和氢氧化钙溶液中养护一定龄期后，按JTJ 270－1998《水运工程混凝土试验规程》中7.9节方法测量氯离子相对扩散系数，并用自然扩散法校正，得到氯离子扩散系数随龄期的变化.

钢筋混凝土试件标准养护28 d后，将宽为0.76 cm的条状MMO阳极敷设在试件浇筑面，在阳极上焊接出阳极电缆，焊接处用环氧封闭，用砂浆层覆盖阳极，室温养护14 d，以0.75和1.00 V电压进行ERC试验，在阻盐试件和对比试件上每天喷洒10%NaCl溶液.试验结束后，钻芯取样，按JTJ 270－1998《水运工程混凝土试验规程》分析各深度层混凝土粉样中水溶性氯离子含量.

图2 试件中氯离子质量分数的测量和计算结果Fig.2 The calculated and measured results of chloride content in concrete

2.3 试验结果分析

对混凝土试件不同龄期的氯离子扩散系数D进行测试，得出当龄期分别为28，68和90 d时，氯离子扩散系数分别为5.51×10－12，4.30×10－12和3.97×10－12m2/s.将以上3 组数据进行拟合，得到氯离子扩散系数与时间的关系为:

将式(3)代入式(2)，采用有限元方法计算了阻盐电0.75和1.00 V，暴露240 d时氯离子质量分数随深度x布，式(2)的初始条件为t=0，若x＞0时，c=0;边界条件为0，若 t＞0 时，c=cs(cs为 Cl－在混凝土表面的质量分数).在运行过程中，混凝土中孔隙液中各组分的含量不是一值，因此氯离子迁移数也不是定值.有研究［8－9］报道，当混凝土孔隙液含有0.5 mol/L的NaOH和0.5 mol/L的NaCl时，Cl－的迁移数为0.28，本文计算时取0.2.计算结果与氯离子随深度分布的实测结果见图2.

由图2可见:(1)混凝土氯离子质量分数的实测值与计算结果基本吻合，两者相关系数大于0.98，表明理论计算结果较为可靠，可用于计算已知氯离子扩散系数D的混凝土结构，在给定阻盐电压下时间t时混凝土中氯离子质量分数分布，同样也能计算保证钢筋混凝土结构达到一定使用年限所需的阻盐电压值.(2)在小试件上短期试验证实ERC有显著的阻盐效果.随着阻盐电压的升高，外加电场强度的增大，氯离子的渗透量减少，系统阻盐效果越明显，与对比试件相比，在阻盐电压为0.75和1.00 V下运行240 d时，阻盐率分别达到39%和52%.

3 长期阻盐效果的计算分析

钢筋混凝土结构保护层厚度为50 mm，钢筋间距为20 cm，处于海洋浪溅区，环境平均气温为25℃，设计使用年限为100 a.目前氯盐环境中重要的配筋混凝土工程，一般采用高性能混凝土，因此本文氯离子扩散系数随时间的关系取为偏于不利的角度，cs取 2.0%(相对于混凝土).

不同阻盐电压下100 a时，混凝土中氯离子质量分数分布计算结果见图3;距表面50 mm处氯离子质量分数随服役时间变化的计算结果见图4.

图3 100 a后氯离子质量分数沿深度的分布计算结果Fig.3 The calculated result of chloride content in concrete with depth after 100 years

图4 深度50 mm处氯离子质量分数随服役时间变化Fig.4 Change of chloride content at 50 mm depth with service time

从图3可见，在没有采用ERC(0V)的混凝土中，100 a时钢筋周围的氯离子质量分数已达到0.5%，远大于0.059% ～0.107%的钢筋腐蚀的氯离子临界值［10］，钢筋早就发生了腐蚀.而采用0.75和1.00 V电压进行ERC的混凝土结构，服役100 a时钢筋周围的氯离子质量分数只有0.04%和0.01%，低于腐蚀的临界值，可以期望钢筋仍处于钝化状态.

由图4可见，以上模拟钢筋混凝土结构，服役10～15 a时保护层50 mm处钢筋就开始腐蚀，而当采取0.75和1.00 V电压进行ERC后，服役100 a时间内50 mm深度处氯离子质量分数一直保持很低的水平.

以上计算结果表明，对处于氯盐环境钢筋混凝土结构采取小电压ERC防护，可有效阻滞氯离子的侵入，保持混凝土结构在100 a使用寿命内不因钢筋的腐蚀而破坏.

4 结语

(1)利用外加电场以阻滞环境中氯离子向混凝土中渗透，提出了电场阻盐防护新技术.

(2)混凝土试件电场阻盐试验表明，在不同电压阻盐情况下，氯离子分布的实测结果和理论计算较为吻合.因此对于特定的钢筋混凝土结构，所需阻盐电压可以采用阻盐数学模型进行设计计算.

(3)采用小电压对氯盐环境中钢筋混凝土结构进行阻盐防护，能阻止环境中氯离子的侵入，保证钢筋周围氯离子含量长期小于腐蚀临界值.该新技术的提出为氯盐环境中钢筋混凝土结构长期使用提供了科学依据.

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