双向电渗对钢筋混凝土修复效果的试验研究——保护层阻锈剂、氯离子和总碱度的变化规律

为提高氯盐侵蚀环境下钢筋混凝土结构的无损修复效果,对受氯盐侵蚀的钢筋混凝土试件采用双向电渗技术,在排出氯离子的同时向混凝土保护层内引入阻锈剂.为考察该技术的修复效果,采用有机元素分析法和自动电位滴定法,结合电流密度、通电时间、水灰比、初始氯盐掺量4个影响因素,研究混凝土保护层内阻锈剂、氯离子分布的变化情况,并对保护层的总碱度进行测量;同时设置电化学除氯组作为对照.结果表明:双向电渗处理后试件保护层内氯离子含量降低,总碱度提高;通过对各参数的合理控制,阻锈剂迁移至钢筋表面的浓度足以起到较好的阻锈效果.双向电渗的效果随电流密度、通电时间、试件水灰比的增加而提高,而受初始氯盐掺量的影响较小.双向电渗在对混凝土氯离子迁出和总碱度提高的效果方面与电化学除氯有所差异.在双向电渗后,Cl-质量摩尔浓度沿着保护层厚度方向由内向外成增高趋势;而电化学除氯后整个保护层内Cl-质量摩尔浓度分布相对均匀.对保护层碱度变化来说,两种处理方式效果接近.     

双向电渗对钢筋混凝土修复效果的试验研究——保护层阻锈剂、氯离子和总碱度的变化规律

为提高氯盐侵蚀环境下钢筋混凝土结构的无损修复效果,对受氯盐侵蚀的钢筋混凝土试件采用双向电渗技术,在排出氯离子的同时向混凝土保护层内引入阻锈剂.为考察该技术的修复效果,采用有机元素分析法和自动电位滴定法,结合电流密度、通电时间、水灰比、初始氯盐掺量4个影响因素,研究混凝土保护层内阻锈剂、氯离子分布的变化情况,并对保护层的总碱度进行测量;同时设置电化学除氯组作为对照.结果表明:双向电渗处理后试件保护层内氯离子含量降低,总碱度提高;通过对各参数的合理控制,阻锈剂迁移至钢筋表面的浓度足以起到较好的阻锈效果.双向电渗的效果随电流密度、通电时间、试件水灰比的增加而提高,而受初始氯盐掺量的影响较小.双向电渗在对混凝土氯离子迁出和总碱度提高的效果方面与电化学除氯有所差异.     

泡沫混凝土的抗氯离子渗透性能研究

对泡沫混凝土试件开展抗压强度试验及抗氯离子渗透性能试验,研究发泡剂稀释倍数、泡沫混凝土水灰比、发泡剂含量对泡沫混凝土抗压强度、非稳态氯离子迁移系数和孔隙率的影响,验证泡沫混凝土作为保护层提高普通混凝土抗氯离子渗透性能的可行性。结果表明:当发泡剂稀释倍数为60倍、水灰质量比为0.5、发泡剂质量分数为0.6%时,泡沫混凝土抗氯离子渗透性能最佳,其非稳态氯离子迁移系数为5.81×10~(-12)m~2/s。     

电化学除氯处理后的混凝土微观结构研究

为了研究电化学除氯对混凝土中离子分布和微观结构的影响规律,采用压汞法、SEM电子显微镜分析等方法对电化学除氯后不同水灰比混凝土试件中钢筋附近和表面层的氯离子和钾钠离子含量、孔隙结构、显微结构进行对比分析.结果显示,电化学除氯后,钢筋附近混凝土与外层混凝土相比,氯离子含量约为1/2,钾离子含量约为5～10倍,钠离子含量约为8～18倍,水化物颗粒间结合不连续、部分水化产物分解.钢筋附近区域混凝土中的氯离子含量明显低于外表层混凝土,钾、钠离子在钢筋阴极附近大量聚集.经过电化学处理后的混凝土试件钢筋附近区域的孔隙率和大孔含量增多,结构疏松;而外表层混凝土结构致密,孔隙细化,水化产物成网络状结合良好.     

基于双向电迁移的开裂混凝土除氯阻锈效果

采用双向电迁移（BIEM）方法对沿海环境下的开裂混凝土进行修复,以排除裂缝附近富集的氯离子,并对钢筋进行阻锈防护. 通过测定阻锈剂浓度、氯离子质量分数以及钢筋极化曲线,研究不同裂缝宽度下BIEM的作用效应,并通过氯离子迁移特征试验对氯离子的迁移规律加以验证. 试验结果表明：开裂混凝土双向电迁移后,钢筋腐蚀电位均能恢复至较高水平;当裂缝宽度较小时,混凝土保护层中氯离子的迁移规律与未裂混凝土相近;当裂缝宽度大于0.3 mm时,裂缝处的氯离子排出效率随裂缝宽度的增加有所提高,但离裂缝较远处的氯离子排出效率有所降低.     

电化学除氯过程钢筋网周围电场与氯离子分布特征试验研究

探明电化学除氯过程混凝土内部的电场分布特征有利于研究混凝土除氯后的氯离子非均匀分布现象。为进一步研究电化学除氯过程中混凝土内部电场对氯离子迁出的影响,将一种屏蔽式预埋电极阵列应用于内蕴氯盐的钢筋网布置混凝土试件电化学除氯试验中,探究钢筋网周围电场及氯离子的分布特征。结果表明,混凝土内电场分布影响氯离子的迁出,电场强度大的区域,氯离子迁出速率高,残余氯离子浓度低;电场强度小的区域,氯离子迁出速率低,氯离子存在堆积现象。     

水胶比对混凝土渗透性能的影响研究

配制四组不同混凝土配合比的试件,采用基于离子扩散和电迁移提出的NEL法对饱盐混凝土试件的氯离子扩散系数进行测定.通过对试件渗透试验结果的分析,得出了高强度等级、添加矿物掺合料的、较低水胶比的混凝土抗渗性能好的结论.验证了水胶比对高性能混凝土渗透性也基本存在着线性关系.     

饱和状态下开裂混凝土内的氯离子输运

为得出饱和状态下氯离子在开裂混凝土内的输运规律,将饱和状态分为溶液静止和溶液流动2种情况;同时分别考虑表面氯离子质量分数与氯离子扩散系数的时变性和氯离子在混凝土内的线性结合理论,对前者采用传统的双重孔隙介质模型,对后者则采用二维扩散模型进行分析.基于Fick第二定律得出氯离子在裂缝和开裂附近混凝土内输运的计算方程,并根据裂缝自愈的影响对2种模型进行了修正.分别采用这2种模型对所设计的氯离子在预开裂混凝土试件内的侵蚀进行了计算.对比裂缝附近不同时间混凝土内氯离子质量分数的试验结果表明：短期侵蚀采用2种模型计算的结果均接近于试验值,长期侵蚀采用二维扩散模型能得到更加精确的结果.该结果为氯盐侵蚀下的混凝土结构耐久性设计与评估提供了参考.     

不同环境条件下混凝土构件氯离子侵蚀试验

为研究不同环境条件下混凝土构件氯离子侵蚀劣化规律,开展弯拉应力构件的氯离子浸泡侵蚀试验和无应力构件的盐雾侵蚀试验.基于氯离子质量分数、构件弯拉强度及弯拉应变等测试结果,研究了侵蚀时间、环境温度、应力水平、环境氯离子质量分数及侵蚀方式等因素对氯离子扩散特征和构件抗弯性能的影响.试验结果表明:浸泡环境中混凝土内部氯离子质量分数较盐雾环境高;试件内部氯离子质量分数随腐蚀时间、环境温度、环境氯离子质量分数及应力水平的增大而增大;氯离子扩散系数随应力水平和环境温度的提高而增大;在较低应力水平、较低环境温度和较短的侵蚀时间内,混凝土构件极限弯拉强度有小幅度上升趋势,然后随侵蚀时间的增长而衰减;混凝土构件的极限弯拉应变随各影响因素的增大而降低.研究结果可为钢筋混凝土构件在氯盐侵蚀环境下的耐久性评估及设计提供依据,具有一定工程实际意义.     

电势条件对混凝土结构电化学修复数值模拟的影响

通过试验研究和理论分析,对比3类电势条件（常电势条件、电中性条件和高斯定理）对混凝土结构电化学修复过程数值模拟结果的影响. 利用物质守恒定律、Nernst-Planck方程和电势条件构建电化学修复过程的数值模型,通过数值模型比较电化学修复过程电势、氯离子浓度、净电荷数和电流密度等参数在混凝土内部的分布. 结果表明,在常电势条件下,除氯前端的氯离子浓度梯度较大;当采用电中性条件与高斯定理时,模拟氯离子浓度分布和电势分布结果较为相似,混凝土分别在辅助阳极与阴极钢筋区域形成电迁移加速作用区与抑制作用区. 试验研究电化学除氯过程的氯离子浓度分布. 试验结果与数值模拟结果的对比表明,采用电中性条件或高斯定理模拟氯离子浓度分布更接近试验测试结果,适用于钢筋混凝土结构电化学修复的仿真分析.     

混凝土梁电化学修复后的耐久性能及力学特征

电化学修复技术可对耐久性劣化的混凝土结构进行耐久性提升,然而也会引起黏结性能降低、混凝土孔隙结构改变、钢筋氢脆等负面效应,进而影响构件整体的服役性能.为探明电化学除氯和双向电迁处理后混凝土梁的耐久性能及力学性能,本文结合氯离子含量梯度变化和弱极化曲线等对比分析了电化学修复后梁的抗腐蚀性能,结合荷载挠度曲线、钢筋与混凝土应变、裂缝分布等对比分析了静力力学性能.研究结果表明:电化学修复能有效去除钢筋表面氯离子,使钢筋恢复钝化,但钢筋笼内氯离子迁移效率相对较低;通电参数选取较小时电化学修复不影响混凝土梁的刚度和承载能力,但通电量较大时承载能力减小,延性退化较为明显.基于试验结果,本文建议电化学修复采用的通电参数需综合考虑耐久性提升效果及对力学性能损伤作用,以满足结构耐久性和安全性的要求.     

钢筋在混凝土模拟孔溶液中的腐蚀研究

钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素.研究了模拟孔溶液pH值、Cl-浓度、SO42-浓度以及空气等对钢筋锈蚀的影响.试验结果表明：随溶液pH值降低,钢筋锈蚀程度增加.随孔溶液中Cl-浓度增加,锈蚀钢筋增重率线性增加.依据钢筋增重率判断,Cl-导致钢筋锈蚀临界值为0.065%.氯盐溶液中SO42-存在使钢筋锈蚀速度变为原来的2~3倍.将腐蚀溶液中钢筋与空气隔绝将延缓钢筋锈蚀.     

海洋大气区蒸养矿粉混凝土内部离子传输与反应

处于滨海大气区的钢筋混凝土结构容易受到氯离子、硫酸根离子等有害离子的侵害，导致结构服役寿命缩短。通过低场核磁等试验研究了蒸养、标养混凝土的孔径分布，揭示了氯离子、硫酸根离子对蒸养混凝土的侵蚀演变规律。结果表明，相比于标养混凝土，蒸养混凝土的无害孔含量降低，有害孔和多害孔含量增大，导致具有更高水化程度蒸养混凝土的抗压强度低于标养混凝土抗压强度。掺入一定量的矿粉可以显著提高蒸养混凝土抗氯离子侵蚀能力，氯离子结合能力越大，氯离子扩散系数越小，表层氯离子浓度越低。当矿粉掺量为25%时，蒸养混凝土的氯离子扩散系数较低，说明矿粉的二次水化作用优化孔径效果达到最佳；随着矿粉掺量的增加硫酸根离子反应系数逐渐降低，当矿粉掺量为50%时，由于混凝土中的钙相物质含量最低，导致硫酸根离子的反应系数最小。     

混凝土中氯离子扩散数值研究

针对混凝土氯离子扩散系数以及表面氯离子浓度受时间效应的影响,采用COMSLOL有限元软件对氯离子扩散过程进行数值模拟,将预测结果与实测试验结果相比较,验证该方法是一种有效的氯离子扩散分析方法.考虑实际环境中氯离子扩散受时间因素及不同氯侵蚀环境因素影响,分别对不同水灰比及不同龄期下的混凝土氯离子扩散进行模拟,为分析近海和除冰盐环境下结构混凝土中氯离子浓度分布提出了一种新的预测方法.     

混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

电化学除盐中混凝土内氯离子的迁移特征研究

对电化学除盐过程中混凝土内Cl-的迁移特征进行了研究,并根据单位通电量作用下氯离子的驱除效率提出了电化学除盐能效比的定义。结果表明,电化学除盐后混凝土内氯离子呈上凸曲线分布,即除盐后钢筋周围与辅助阳极附近的混凝土中Cl-浓度较低,而中部混凝土中Cl-浓度较高;电化学除盐能效比的分析发现,电化学除盐的前期,电流密度愈大,除盐能效比愈高;电化学除盐的后期,电流密度愈小,除盐能效比愈高。