电化学除盐后混凝土微观结构及离子迁移的试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 6 期 (总 第 2 9 6 期 ) N u mb e r 6 i n 2 0 1 4 ( T o m1 No 2 9 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 6 0 0 4 电化学除盐后混凝土微观结构及离子迁移的试验研究 郑秀梅 。李南海 ，彭新新 ，王少剑 ，吕政儒 。陈乃凡 ( 佳木斯大学 建筑工程学院 ，黑龙江 佳木斯 1 5 4 0 0 2 ) 摘要 ： 采用电化学除盐技术可以在无需破坏原混凝土结构保护层的条件下， 使侵入混凝土的氯盐排出， 同时又可以使 已经活 化并开始锈蚀的钢筋表面重新钝化 ， 从而实现对氯盐污染 的钢筋混凝土结构进行无损 、 低成本 、 快速修复。 在得 出电化学除盐效 率后， 研究了电化学除盐对混凝士微观结构及离子迁移与分布的影响。 关键词 ： 电化学除盐；微观结构 ；离子迁移 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 1 3 0 3 E x p e r i me n t a l s t u d y o f t h e m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e a n d i o n s m i g r a t i on i n c o n c r e t e s t r u c t u r e Z H E N GX i u me i 。 L I N a n h a i ， P E N GX i n x i n ， WA N GS h a o j i a n ， L DZ h e n g r u ， C H E NNa i f a n ( B u i l d i n g P r o j e c t D e p a r t m e n t ， J i a m u s i U n i v e r s i t y ， J i a m u s i 1 5 4 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r act： Th e e l e c t r o c he mi s t r y me t h o d c a l l r e l e a s e the c h l o rin e s a l t i n the p r o t e c t i ve l a y e r wi tho u t d e s t r u c t i o n o ft he o rig i na l p r o t e c t i ve l a y e r At t h e s a me t i me， i t C a ll ma ke t he a l r e a d y a c t i v e a n d r u s t - e a t e n s ur f a c e p a s s i va t i o n a g a in Th us ， i t C an r e a l i z e t he q ui c k r e pa i r o f t he c o n c r e t e s t r u c t u r e wi th c hl o rin e s a l t e r o s i o n i n l ow c o s t an d wi tho ut l os s e s S t u d y i e d t h e i nfl ue nc e o f e l e c t r o c he mi c a l c hl o ride e x tra c t i o n o n mi c r os c o p i c s t r uc t ur e an d i o n s mi g r a t i o n a fte r g e t t i ng c hl o rid e e x t r a c t i o n e ffi c i e n c y K e ywo r d s ： e l e c t r o c h e mi c a l c h l o ri d e e x tr a c t i o n ( E C E ) ； mi c r o s c o p i c s t r u c t u r e ； i o n s mi gra t i o n 0引言 1 试验概况 由于材料 比较广泛易得 ， 目前 ， 我国基础建设 的主要 结构形 式仍然是钢筋混凝土结构 ， 在农 田、 水利 、 国防 、 科 技等领域的建设 中占有 主要地位 ， 并且随着我国对沿海地 区的建设及海洋资源的开发 ， 钢筋混凝土又将大量的应用 于海洋的各种 建设 中。 但 是 ， 因为钢筋的锈蚀 而致使混凝 土结构的力学性能及耐久性能下降， 甚至破坏失效 ， 造成 的直接或间接损失非常巨大 ， 已经在全世界引起 了高度重 视 ， 各 国的相关科研人员也把钢筋锈蚀作为此领域 的难题 进行攻关。 研究表明1 ， 钢筋锈蚀的最主要原因是 由于氯盐 侵入混凝土的含量过高 ， 从而导致钢筋表面的保护膜破坏 ， 进而锈蚀钢筋 。 电化学除氯技术是指在不破坏原钢筋混凝土结 构外 保护层 的情况下 ， 通过外加电场及电解质溶液 ， 使 混凝土 内多余 的氯盐排 出混凝土 ， 同时使已经锈蚀的钢筋表面重 新钝化以防止氯盐进一步侵害闭 。 因电化学除盐后混凝土 的微观结构及内部离子分布直接影响其宏观性能 ， 故本研 究对固定参数除氯后的钢筋混凝土进行了除氯效率 、 微观 结构及离子迁移的试验研究。 1 1 试验材料 试验所用水泥为哈尔滨水 泥有限公 司生产 的 P O 4 2 5 级水泥 ； 粗集料选用粒径 5 2 5 m m 的石灰 岩质碎石 ， 连 续级配 ， 压碎指 标为 4 7 ； 细集 料采用 江砂 ， 中砂 、 I I 区 级配 ， 细度模数 2 8 2 ； 减水剂使用萘系高效减水剂 ， 掺量为水泥质量 的 0 7 1 2 ； 所 用钢筋为直径 1 0 mm 的普通光 面钢筋 ； 掺 入的氯化钠 为纯度大 于 9 6 的工业 纯产品 。 1 2混 凝 土 配合 比 试验混凝土的 W C为 0 4 ， 在搅拌过程 中掺人适量减 水剂 ， 使混凝 土坍落度为 1 8 2 0 c m， 试件成型质量好。 为在 混凝土中引入氯离子 ， 在原材料中掺入水泥质量 3 的氯化 钠 ， 具体配合比见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 试件 水灰 比 用水量 水泥用量 细骨料粗骨料减水剂N a C 1 编号 W C ( k g m 3 ) ( k g m3 ) ( k g m3 ) ( k g m3 ) ( k g m3 ) C 1 04 1 6 0 4 0 0 6 7 2 1 1 98 2 4 80 0 C。 2 04 1 6 0 4 0 0 6 6 2 1 1 98 2 4 80 3 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 2 1 8 基金项 目：佳木斯大学“ 2 0 1 2 年大学生创新创业训练计划” 校级项 目资1 ( 2 0 1 2 x j 0 1 5 ) ； 黑龙江省教育厅科技项 目基金资助( 1 2 5 4 1 8 0 5 ) 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3试件 成型 试验制作 q b l 0 0 m mx l 5 0 m m的圆柱体混凝土试件， 在试件轴 心位置预埋一根经过除锈处理的 q 0 1 0 x 1 5 0 m m光 面钢筋。 钢筋沿轴心方向露出混凝土约 5 0 mm， 内埋 1 0 0 mm， 外露部分用环氧树脂表面涂层 ， 以防止钢筋锈蚀 。 试件成 型 1 d 后拆模 ， 编号后使用塑料布密封 ， 并放入标准养护室 中进行养护 ， 至 2 8 d 龄期时 ， 进行相应试验研究 。 2试 验 方 法 因电化学除氯 尚没有现成的设备可用 ， 故项 目组参照 其他科研单位的试验设 备 ， 自行研制 了一套适合本试验的 除盐设备 ， 如图 1 所示。 图中所示 电解液为 c a ( O H) ： 饱和 溶液 ， 所用 阳极为钛 网， 在电路 中接有变阻器 、 电压表及 电 流表。 钛 网 电解液 图 1除盐 装置 不薏 图 对 C 一 2 试件接入直流稳压电源 ， 电流密度为 2 A m2 ， 持 续能电 4 周后， 结束除氯。 为了保持电解质溶液的碱浓度， 降低氯离子浓度及加快氯离子排除速度， 在除盐期间每 2 d 更换电解质溶液 ， 并测定换下溶液 中的氯离子含量。 除盐结束后 ， 将试件在 室内 自然 晒干 ， 并 除去表面残 留的晶体 ， 进行混凝土 内部离子含量与分布 的测定试验 。 具体方法为 ： 将试件 自钢筋处径 向切切开 ， 剖面见 图 2 ， 沿 轴 向均匀取 四个层面 ， 编号为 I 、 I I 、 I I I 和 I V； 横将混凝土分 为内 、 中、 外 3 层 。 在 I 、 I I 、 I 、 层与 内、 中、 外层交点处对 取样 ， 见图中黑色点 即为取样点 。 取样 时应剔 除粗 骨料及 较 大颗粒 细骨料 ， 只选取 细密砂浆 部分 。 将样 品研磨成细 度如水泥的粉末 ， 定量后用蒸馏水进行充分溶解 1 周 ， 然后 用精密离子计测定试样溶液 中的氯离子 、 钠离子及钾离子 含量。 再折算成混凝土中的质量含量进行数据分析 3 1 。 钢 筋孔 内 中 外 l 4 内 中 外 图 2 除盐后试件剖面取样示意图 同时将各试件外表面及钢筋附近的混凝土试样镀金 粉干燥后， 进行电镜扫描及能谱分析， 对除氯前后混凝土 结构 的组成成分 、 孔隙情况及水泥石 与钢筋界面接触层的 形貌等微观结构测试和分析 ， 进而研究不 同参数下 电化学 除氯对混凝 土微观结构及离子分布的影响情况 。 3 试验 结果 与分析 3 1 电化学除氯效果 通过测定除氯过程 中每 2 d电解质溶液中氯离子排 出 量数据 ， 计算得到排 出离子 的累积量 ， 得到氯离子排 出浓 度随时间变化规律 ， 见图 3 示 。 0 0 7 O O6 0 0 5 0 04 0 0 3 o 0 2 O 0l 0 2 4 6 8 l 0 l 2l 41 6 l 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 除盐时 间 ， d 图 3氯离 子排 出浓 度 随时 间变化 规律 从 图中的单次排 出浓度 曲线可以看 出， 在除氯参数为 2 A m2 电流密度及 C a ( O H) 饱和溶液的情况下 ， 除氯最初 1 周排出氯离子 的浓度较高 ， 特别是第 2 天 ， 也就是第一次 得到 的氯离子浓度最高 ， 分析其原 因 ， 一是试件表 面存 留 的部分氯盐遇溶液溶解增加浓度 ， 二是浅表面孑 L 隙的氯盐 的排 出也增加 了离子浓度 。 随着除氯时 间的延长 ， 氯离子 排 出量也逐渐趋于平衡 ， 除氯 2 周后的氯离子浓度几乎相 同， 但仍然在继续排出。 从 累积浓度 的曲线可以看 出， 除氯 前 1 周的排氯总量占整个除氯周期总排氯量的一半以上， 而 2 8 d 总排氯量吉达试件总含氯量的 8 0 ， 氯离子排 出量 效果明显。 3 2 除氯后 离子迁移与分布除氯前后混凝土微观 结 构 的 变化 ( 1 ) 除氯后混凝土内部离子迁移与分布分析 根据对除氯后混凝土内部定点取样分析数据 ， 分别得 到除氯后混凝土中氯离子 、 钠离子 、 钾离子含量分布图。 见 图 6示 。 从 图 4 可 以看出 ， 电化学除氯后混凝土 内部的氯 离子 含量分布依钢筋距离呈递增趋势 ， 即， 靠近钢筋层 的混凝 土 中氯离子含量最少 ， 而远离钢筋 的混凝土中氯离子含量 I I I I I I I V 沿钢 筋纵 向分布点 图 4 除盐后试件内部氯离子分布 O O O O O 0 0 O O 柏 踮 加 一 、 咖姐 犍艟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从 图 6 可 以看 出， 弹体以不同速度正侵彻细观靶体 ， 随着侵彻速度增加弹体轴向加速度逐渐增大 ， 与侵彻均匀 混凝土靶体响应规律相似 。 结合图 5 可 以看 出， 在轴 向加 速度曲线 中出现多个峰值 ， 其峰值分别是在侵彻成坑以及 弹体头部冲击骨料的时刻 出现 ， 此时弹体 出现径 向偏转 ， 径向偏转加速度和位移随侵彻速度增加而增大。 由于混凝土组成的砂浆与骨料之间密度 、 强度 、 模量 等物理力学性能存在较大的差异 ， 砂浆强度 、 模量等力学 性能较骨料低得多 ， 因此在弹体侵彻砂浆过程受到的作用 力较侵彻骨小得多 ， 在弹体侵彻 过程 中遇到骨料 时 ， 弹体 头部将 向阻力小的一侧偏 转 ， 即偏向砂 浆一侧 。 由于骨料 分布的随机性 ， 弹体偏转方 向也具有一定 的随机性 。 4结语 进行了三维细观数值建模方法研究 ， 并进行 了三维细 观侵彻数值模拟 ， 获得 了以下初步结果 ： ( 1 ) 采用分区投放与射线延 拓法 ， 提高 了骨料 随机投 放过程 中的效率问题。 采用背景网格划 分法 ， 建 立了三维 高效侵彻数值模型 ； ( 2 ) 由于骨料与砂浆 之间力 学性能相差较大 ， 弹体侵 彻过程 中受到载荷不均匀 ， 侵彻过程中侵彻弹道 、 弹体轴 向和过载 、 速度及位移与均质靶之 间存在一定的差异 ； ( 3 ) 由于骨料 分布具有一定 的随机 性 ， 弹体侵彻细观 靶体径 向过载和径 向偏转位移与骨料分布相适应 ， 也具有 一 定 的随机性 。 由于影响弹体侵彻 响应的因素较多而且非常复杂 ， 本 研究仅开展一种小尺寸弹丸侵彻数值模拟 ， 其弹体偏转规 律还需开展进一步的研究。 参考文献： 【 1 】T E YME N A， K AR AHAN O T h e i n fl u e n c e o f a g g r e g a t e t y p e o n t h e s t r e n g t h a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e 阴C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 8 ( 3 0 ) ： 2 9 0 2 9 6 2 】M a r i a L 6 p e z d e M u r p h y C h a r a c t e r i z a t i o n ， m o d e l i n g a n d s i z e e f f e c t 上接第 1 5页 ( 2 ) 电化学除氯后 ， 混凝土试件 中氯 、 钠 、 钾离子含 量 及分布具有一定 的规律性 ： 氯离子含量 由靠近钢筋层混凝 土 自内由向外呈放射状递增趋势 ； 钾钠离子含量则 自内向 外呈梯度递减， 且内外含量相关悬殊 。 ( 3 ) 除氯后靠近钢筋 的混凝 土中部分 c s H凝胶被分 解成 C a ( O H) 晶体 。 分解后的 S i O 4 在外电场的作用下向 外部迁移 ， 造成 内层混凝土 C a S i 比明显大于外层 。 参考文献： 【 1 】 孙文博 电化学除氯对混凝土性能影响规律的研究 D 】 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学论文， 2 0 0 9 【 2 】 郑秀梅 ， 李厂军 ， 支秀兰 电化学除盐对钢筋与混凝土间黏结力 的影响 J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 4 6 4 8 ， 5 1 3 13郑秀梅， 高小建， 巴恒静 电解质溶液对电化学除盐效果的影响叨 混凝土， 2 0 1 0 ， 2 4 8 ( 6 ) ： 5 3 5 7 o f c o n c r e t e e p o x y i n t e r f a c e s D T h e P e n n s y l v a n i a S t a t e Un i v e r s i t y 3 0 0 No r t h Z e e b Ro a d， 2 0 06 【 3 】秦川， 郭长青， 张楚汉 基于背景网格的混凝土细观力学预处理 方法I J 1 水利学报 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 8 ) ： 9 4 1 9 4 8 4 HAU - KI T Ma n ， I AN J M， v a n Mi e r S i z e e f f e c t o n s t r e n g t h a n d f r a c t u r e e n e r g y f o r n u me ri c a l c o n c r e t e wi t h r e a l i s t i c a g g r e g a t e s h a p e s 【J J I n t J F r a c t ， 2 0 0 8 ( 1 5 4 ) ： 6 1 7 2 5 5 高政 国， 刘光廷 二维混凝土随机骨料模型研究【 J J _ 清华大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 5 ) ： 7 1 0 7 1 4 6 】D U C h e n g b i n ， S U N L i g u o ， N u m e r i c al S i m u l a t i o n o f A g g r e g a t e S h a p e s o f T w o D i me n s i o n al C o n c r e t e a n d I t s Ap p l i c a t i o n J J o r u n a l o f Ae r o s p a c e En g i n e e r i n g， 2 0 0 7： 1 71 1 7 7 7 马怀发 ， 毕书贞 ， 陈厚群 一种混凝土随机凸多边形骨料模型生 成方法 J 中国水利水电科学研究院学报 ， 2 0 0 6 ， 3 ( 4 ) ： 1 9 6 2 0 2 8 WANG Z M， K WAN A K H_ Ma c r o s c o p i c s t u d y o f c o n c r e t e I ： g e n - e r a t i o n o f r a n d o m a g g r e g a t e s t r u c t u r e s a n d f i n i t e e l e me n t me s hJ C o m p u t e r s a n d s t r u c t u r e ， 2 0 0 9 ( 7 0 ) ： 5 3 3 5 4 4 【 9 刘光廷 ， 高政国 三维凸型混凝土骨料 随机投放算法l J 1 清华大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 8 ) ： 1 1 2 0 1 1 2 3 【 1 0 】 程伟峰_ ： 昆 凝土三维随机凸型骨料模型生成方法研究 j J _ 水利学 报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 5 ) ： 6 0 9 6 1 5 1 l l WARR E N T L ， F O S S U M AF ， F RE W D J P e n e t r a t i o n i n t o l o w s t r e n g t h ( 2 3 M P a )c o n c r e t e ： t a r g e t c h a r a c t e r i z a t i o n a n d s i m u l a t i o n s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f I m p a c t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 5 ) ： 4 7 7 5 0 3 1 2 HO L MQUI S T T J ， J OHNS ON G R， C O OK W HA c o mp u t a t i o n a l c o n s t i t u t i v e mo d e l f o r c o n c r e t e s u b j e c t e d t o l a r g e s t r a i n s ， h i g h s t r a i n r a t e s ， a n d h i g h p r e s s u r e s C J AC K S ON N， DI C K E RT S T h e 1 4 t h I n - t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o n Ba l l i s t i c s US A： Ame r i c a n De f e ns e P r e p a r e d ne s s As s o c i a t i o n， 1 9 9 3： 591 - 60 0 1 3 A UT O DY N U s e r s Ma n u al Z C a l i f o r n i a ： C e n t u r y D y n a mi c s C o r p o - r a t i o n， 2 0 05 作者简介 ： 联 系地址 联 系 电话 梁斌 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博士 ， 高工 ， 主要从事常规战斗部 研 制。 四J _ I 绵阳市 9 1 9信箱 4 1 4分箱( 6 2 1 9 0 0 ) 1 3 7 7 81 2 06 6 4 【 4 高小建 ， 郑秀梅 ， 杨英姿 电 沈阳工业大学学报， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 5 ) ： 5 7 9 5 8 4 5 ME HT A P K， BU RRO WS R WB u i l d i n g d u r a b l e s t ruc t u r e s i n t h e 2 1 s t c e n t u ry J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 3 )： 5 7 6 3 【 6 】外电场作用下混凝土中离子的迁移与分布规律研究 混凝土 与水泥制品 ， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 9 - 1 4 【 7 】S I EG WA RT M，Ch a n g e o f p o r e s i z e i n c o n c r e t e d u e t o e l e c t r o c h e mi c a l e x t r a c t i o n a n d p o s s i bl e i mp l i c a t i o n s f o r t h e mi gra t i o n o f i o n s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h ， 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 1 2 1 1 1 2 2 1 8 】 王文仲 ， 郑秀梅 ， 刘晓丹 电化学除盐对混凝土微观结构的影响l J 】 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 2 8 3 0 ， 7 1 作者简介 联系地址： 联系电话： 郑秀梅( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 副教授， 硕士。 主要从事高性能与 智能混凝土研究。 黑龙江省1圭木斯大学三区 A院建筑工程学院( 1 5 4 0 0 2 ) 1 8 2 4 54 7 8 6 9 6 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m