許 晨，金偉良，黃 楠，吳航通，毛江鴻，夏 晉

（1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江，杭州310058；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波315100）

雙向電滲（bidirectional electromigration rehabilitation，BIEM）是一種新型的氯鹽侵蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無損修復(fù)延壽技術(shù).該方法以結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，在結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)不銹鋼網(wǎng)片或鈦合金網(wǎng)片作為陽極，并施以直流電壓.在電場作用下，阻銹劑被引入保護(hù)層，同時(shí)混凝土中的氯離子被遷出混凝土.該方法結(jié)合了目前應(yīng)用廣泛的電化學(xué)除 氯 法 （electrochemical chloride extraction，ECE）［1-3］和新興的碳化混凝土電滲阻銹劑法［4-6］的優(yōu)點(diǎn)，在消除誘發(fā)鋼筋銹蝕外因的同時(shí)引入阻銹劑，對(duì)鋼筋進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)［7-8］.目前，該技術(shù)在國內(nèi)外尚處于研究階段，尚無系統(tǒng)的研究資料.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所從1995年起深入研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，從機(jī)理上研究了混凝土內(nèi)部的離子傳輸過程［9-10］，并系統(tǒng)地從阻銹劑的阻銹效果、電遷移能力以及環(huán)境友好性等方面出發(fā)，通過大量實(shí)驗(yàn)研究比較了適用于雙向電滲的電遷移型阻銹劑［11-12］，篩選出了適用于雙向電滲修復(fù)技術(shù)的胺類阻銹劑，并證實(shí)該類阻銹劑能夠?qū)︿摻钇鸬搅己玫淖桎P效果.

在目前已有的電化學(xué)修復(fù)方法中，以電化學(xué)除氯技術(shù)應(yīng)用最廣.在電化學(xué)除氯過程中，混凝土保護(hù)層中的陰離子在電場作用下向陽極遷移，而陽極電解液中的陽離子則向陰極移動(dòng)，其中甚至發(fā)生了水化產(chǎn)物的溶解以及新結(jié)晶或沉淀的生成.在雙向電滲過程中，也存在類似變化，只是向陰極遷移的陽離子有所不同，其中阻銹劑陽離子須重點(diǎn)考慮.這些變化都可能造成混凝土保護(hù)層孔隙分布、密實(shí)程度的變化，進(jìn)而影響混凝土的表面強(qiáng)度.在電化學(xué)除氯方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，認(rèn)為經(jīng)過電化學(xué)除氯后，混凝土中有新的晶體產(chǎn)生，保護(hù)層的孔隙大小和分布也發(fā)生明顯的變化［13-15］，混凝土強(qiáng)度在經(jīng)過電化學(xué)除氯后會(huì)發(fā)生變化，處理后靠近陽極的混凝土強(qiáng)度大于靠近陰極的混凝土強(qiáng)度［16］.在雙向電滲過程中，除了上述可能發(fā)生的影響外，還存在胺類阻銹劑的作用.

目前已有學(xué)者對(duì)應(yīng)用于混凝土表面的自遷移型阻銹劑和摻入混凝土內(nèi)的有機(jī)阻銹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，但是由于具體阻銹劑或應(yīng)用方式的不同，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異.S?ylev等［17］的研究表明，當(dāng)應(yīng)用胺類阻銹劑作為遷移型阻銹劑應(yīng)用于混凝土表面時(shí)，不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度造成不利影響.但是Schutter等［18］的研究認(rèn)為，將胺類阻銹劑摻入混凝土?xí)斐苫炷翉?qiáng)度下降10%～30%.Heren等［19］的研究認(rèn)為混凝土強(qiáng)度的下降會(huì)隨著摻入阻銹劑濃度的升高而增加.目前尚無學(xué)者對(duì)基于電遷移原理的雙向電滲修復(fù)法對(duì)混凝土材料或結(jié)構(gòu)性能所造成的影響進(jìn)行研究.其中，與含阻銹劑的電解液直接接觸的混凝土表面，在各種復(fù)雜的物理化學(xué)變化影響下，材料是否會(huì)發(fā)生劣化進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，是雙向電滲實(shí)際工程應(yīng)用中必須關(guān)心的問題.另一方面，混凝土表面的材料劣化可能會(huì)破壞其孔隙特征，影響密實(shí)程度，導(dǎo)致各種腐蝕介質(zhì)更易進(jìn)入混凝土保護(hù)層；而由材料劣化導(dǎo)致的表面強(qiáng)度的降低則會(huì)影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，保護(hù)層在應(yīng)力作用下更易發(fā)生開裂.

本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上［11-12］，應(yīng)用雙向電滲技術(shù)，對(duì)摻氯鹽的混凝土試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)試件在經(jīng)過雙向電滲處理前后的表面強(qiáng)度進(jìn)行測量.由于電化學(xué)修復(fù)過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通電量、試件情況等因素都會(huì)對(duì)其修復(fù)效果造成影響［20］，為達(dá)到理想的修復(fù)效果須選擇優(yōu)化的參數(shù)組合.本文針對(duì)前期選定的系統(tǒng)參數(shù)（如：通電參數(shù)、水灰比、摻入氯鹽濃度以及碳化等因素），研究這些變量的變化對(duì)表面強(qiáng)度的影響，并對(duì)比雙向電滲和電化學(xué)除氯對(duì)混凝土表面強(qiáng)度的影響，以獲得指導(dǎo)雙向電滲技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的合理限制參數(shù)和注意事項(xiàng).

1 雙向電滲試驗(yàn)原理

雙向電滲技術(shù)的基本原理如圖1所示，電滲修復(fù)時(shí)將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為陰極，在結(jié)構(gòu)外表面鋪設(shè)不銹鋼或鈦合金網(wǎng)片作為陽極，在陽極和結(jié)構(gòu)表面的范圍內(nèi)布設(shè)含阻銹劑的陰極電解液，并在陰陽極之間施以直流電壓.在外加電場作用下，電解液中的阻銹劑陽離子進(jìn)入保護(hù)層，并向陰極（鋼筋）遷移，而試件中的Cl-將向陽極遷移，遷出混凝土［11］.當(dāng)阻銹劑在鋼筋表面濃度達(dá)到一定值時(shí)，在鋼筋表面形成一層密實(shí)的保護(hù)膜，將氯離子、氧氣等腐蝕介質(zhì)與鋼筋隔離開，從而起到阻銹的作用［21］. 從雙向電滲的基本原理來看，選擇一種合適的阻銹劑是該技術(shù)的關(guān)鍵.該阻銹劑須在氯鹽環(huán)境下有較好的阻銹能力且易溶于水，在溶液中有相當(dāng)數(shù)量帶正電的阻銹劑粒子.通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，綜合考慮阻銹劑的阻銹效果、電遷移能力以及環(huán)境友好性等方面，選定某胺類有機(jī)物作為雙向電滲阻銹劑［11］.

圖1 雙向電滲技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of BIEM

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要研究氯鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)在雙向電滲修復(fù)前后表面強(qiáng)度的變化情況.實(shí)驗(yàn)分別以電流密度、通電時(shí)間、混凝土水灰比以及摻入氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制變量，測試各種工況下試件混凝土保護(hù)層的表面強(qiáng)度.本文另設(shè)置3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中組1為未經(jīng)過電化學(xué)處理的未碳化和表面碳化試件；組2為經(jīng)過同等條件下電化學(xué)除氯處理的未碳化試件；組3為經(jīng)過同等條件下雙向電滲處理的表面碳化試件.此外，為了對(duì)表面強(qiáng)度的變化進(jìn)行深入分析，引入壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)電化學(xué)處理前后試塊表面的孔隙率進(jìn)行分析.

2.1 試件制作

采用的鋼筋混凝土試塊的尺寸為150mm×150 mm×300mm（如圖2所示），保護(hù)層厚度為40mm，內(nèi)置2根直徑為12mm 的HPB235圓鋼.澆筑試件的配合比及摻入氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.其中，水泥為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，砂子為Ⅱ區(qū)天然河砂，石子為5～16 mm 的連續(xù)級(jí)配碎石，NaCl為分析純.ρw、ρce、ρc和ρf分別表示水、水泥、細(xì)骨料以及粗骨料的密度，摻入NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω（NaCl）為NaCl質(zhì)量占水泥質(zhì)量的百分比.混凝土采用機(jī)械攪拌、振搗，振搗成型后24h拆模，并在鋼筋外露部分連接導(dǎo)線，固定后涂抹環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，防止其銹蝕.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，至其齡期達(dá)到3月后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix proportion of concrete specimen

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

雙向電滲實(shí)驗(yàn)采用的陽極電解液為1mol／L的阻銹劑溶液，使用弱酸將pH 值調(diào)節(jié)至適當(dāng)值［11］.通電前將試件側(cè)面用石蠟密封，以防止在非實(shí)驗(yàn)面上發(fā)生離子交換.以試件中埋置的鋼筋作為陰極，以不銹鋼網(wǎng)片作為陽極，分別連接直流電源的負(fù)極和正極，如圖3所示.另設(shè)置電化學(xué)除氯實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照組，其陽極電解液為飽和Ca（OH）2溶液，連接方法、電化學(xué)參數(shù)均與雙向電滲保持一致.實(shí)驗(yàn)中所使用的試劑除阻銹劑為化學(xué)純外，其余均為分析純.

圖2 混凝土試件尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of reinforced concrete specimen

圖3 雙向電滲試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Pull-off strength test by BIEM

由于試件保護(hù)層較薄，且在經(jīng)過電化學(xué)處理后，表面和內(nèi)部強(qiáng)度可能產(chǎn)生差異.為測得靠近處理面的保護(hù)層強(qiáng)度變化，不宜采用取芯法或后裝拔出檢測法這類對(duì)保護(hù)層造成較大程度破壞的測試方法；而回彈法不適用于表層與內(nèi)部質(zhì)量有明顯差異的混凝土構(gòu)件，且其對(duì)測區(qū)數(shù)量要求較高，故在本實(shí)驗(yàn)中也不宜使用.采用LIMPET 拔出試驗(yàn)測試儀.LIMPET 拔出試驗(yàn)測試儀測試混泥土的表面強(qiáng)度由英國貝爾法斯特女王大學(xué)研發(fā)，適用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面強(qiáng)度的檢測，該儀器操作簡單、結(jié)果可靠、輕便易用并且對(duì)結(jié)構(gòu)損傷較小，目前已得到較廣泛的應(yīng)用［22-24］，已被納入英國國家標(biāo)準(zhǔn)（BS1881-207：1992及BSEN1542：1999）和北美國家標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1583-04）.國內(nèi)學(xué)者對(duì)LIMPET 拔出試驗(yàn)儀的應(yīng)用也進(jìn)行了研究，并通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得到針對(duì)國內(nèi)混凝土拔出強(qiáng)度和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系的擬合曲線［24］，將拔出強(qiáng)度換算成混凝土抗壓強(qiáng)度.曲線表達(dá)式為

式 中：fc，c為 換 算 抗 壓 強(qiáng) 度（converted compressive strength）.fp，lim為拔出強(qiáng)度（pull-off strength）.

待通電過程結(jié)束之后，將試件表面擦干，并搬到陰涼通風(fēng)處晾24h.然后將直徑為50mm 的鋼制圓餅用環(huán)氧樹脂粘在試件工作面，一個(gè)試件工作面粘貼3個(gè)鋼制圓餅（如圖4所示）.待膠黏劑粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求之后，用LIMPET 拔出強(qiáng)度測試儀測試其表面的拉拔強(qiáng)度，加載速度按相關(guān)規(guī)范保持在1N／（s·mm）以下，將3 個(gè)鋼制圓餅逐個(gè)拔出如圖5所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將得到的破壞荷載除以破壞面的表面積，即試件表面的拔出強(qiáng)度，最后結(jié)果取3處平均值.檢測裝置及實(shí)驗(yàn)布置如圖6和7所示.

圖4 LIMPET測試儀配套鋼制圓餅粘結(jié)位置Fig.4 Location of cylindrical metal blocks for LIMPET

圖5 LIMPET拔出強(qiáng)度測試儀試驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of pull-off strength test by LIMPET

圖6 LIMPET拔出強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)Fig.6 Photo of LIMPET pull-off strength test

圖7 混凝土試件的破壞面Fig.7 Failure surfaces of concrete specimen

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在測試結(jié)束后，將LIMPET 測出的拔出強(qiáng)度fp，lim依照式（1）轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的換算抗壓強(qiáng)度fc，c，并分別計(jì)算處理前后表面強(qiáng)度相對(duì)初始強(qiáng)度的變化率，進(jìn)行比較和討論.

3.1 雙向電滲和電化學(xué)除氯對(duì)混凝土表面強(qiáng)度的影響對(duì)比

如圖8所示，圖（a）中橫坐標(biāo)為時(shí)間t，左側(cè)縱坐標(biāo)為拔出強(qiáng)度σP，右側(cè)縱坐標(biāo)為抗壓強(qiáng)度σ，單位均為N／mm2；圖（b）中縱坐標(biāo)為試件表面強(qiáng)度的變化率η.混凝土試件經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，其表面強(qiáng)度并未降低，反而有很大程度的升高.這可能是由于混凝土試件在經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，陽極電解液中的鈣離子與混凝土當(dāng)中排出的OH-結(jié)合，形成一些難溶的水化產(chǎn)物，對(duì)孔隙起到一定的填充作用，使得保護(hù)層表層的孔隙率減小，變得更加密實(shí)［14，25］.

值得注意的是，雙向電滲對(duì)保護(hù)層的表面強(qiáng)度的影響與電化學(xué)除氯相反，經(jīng)過雙向電滲處理后試件保護(hù)層的表面強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢.這2種技術(shù)造成的不同影響應(yīng)該與不同的陽極電解液有關(guān)，胺類阻銹劑的存在可能對(duì)混凝土的成分或材料結(jié)構(gòu)具有破壞作用，并且這種作用的大小很可能與阻銹劑在混凝土中的單位混凝土質(zhì)量摩爾濃度有關(guān).因此，有必要針對(duì)通電量、試件情況等因素對(duì)雙向電滲后試件表面強(qiáng)度的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，以選擇優(yōu)化的參數(shù)組合.在保證修復(fù)效果的同時(shí)，盡量減小對(duì)結(jié)構(gòu)表面的影響.

圖8 雙向電滲和電化學(xué)除氯后的試件表面強(qiáng)度及其變化率Fig.8 Surface strength and its change rates for specimens after BIEM and ECE

3.2 雙向電滲對(duì)混凝土表面強(qiáng)度的影響及控制

3.2.1 電流密度對(duì)雙向電滲后混凝土表面強(qiáng)度的影響 為研究電流密度的影響，本組實(shí)驗(yàn)中控制試件類型（1類混凝土，w（NaCl）＝3%）、通電時(shí)間（15d）不變，通過改變電流密度得到不同電流密度作用下混凝土表面強(qiáng)度的變化.如圖9所示為經(jīng)過不同電流密度的雙向電滲處理后，混凝土表面強(qiáng)度的變化.其中橫坐標(biāo)I為電流密度.

由圖9可以看出，在雙向電滲中使用胺類阻銹劑對(duì)試件進(jìn)行耐久性修復(fù)后，混凝土試件的表面強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低，說明胺類阻銹劑的雙向電滲過程對(duì)混凝土試件的表面強(qiáng)度會(huì)造成不良影響.同時(shí)由圖9可知，試件保護(hù)層表面強(qiáng)度呈現(xiàn)出降低的趨勢，降低程度隨著電流密度的增大而增大當(dāng)I＝1A／m2時(shí)，其保護(hù)層表面強(qiáng)度減小的程度與I＝3A／m2時(shí)大致相當(dāng)，拔出強(qiáng)度減小了18%～19%，換算抗壓強(qiáng)度減小了22%～24%.當(dāng)通電電流密度超過3A／m2時(shí)，表面強(qiáng)度急劇減小，當(dāng)通電電流增大5A／m2時(shí)，拔出強(qiáng)度減小了43%，換算抗壓強(qiáng)度減小了51%.因此，在采用雙向電滲法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)時(shí)，須嚴(yán)格控制通電電流.雖然通電電流的增大會(huì)在某種程度上增加離子的遷移速度，增強(qiáng)修復(fù)效果，但是電流太大不僅會(huì)對(duì)鋼筋性能造成不良影響［26］，還會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)的表面強(qiáng)度大幅度的降低，甚至引起表面混凝土的開裂.

圖9 不同電流密度作用下試件表面強(qiáng)度及其變化率Fig.9 Surface strength and change rate for specimens under different current density

3.2.2 通電時(shí)間對(duì)雙向電滲后混凝土表面強(qiáng)度的影響 類似地，對(duì)同類型試件進(jìn)行不同時(shí)長的雙向電滲處理，實(shí)驗(yàn)中控制試件類型（1類混凝）、電流密度（I＝3A／m2）不變，跟蹤經(jīng)過不同時(shí)長的雙向電滲作用后試件表面強(qiáng)度的變化.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出試件表面強(qiáng)度隨通電時(shí)間的變化圖（如圖10 所示）.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件的表面強(qiáng)度隨著通電時(shí)間的延長而下降，近乎成線性關(guān)系.當(dāng)t＝7d時(shí)，試件表面強(qiáng)度的變化較小，拔出強(qiáng)度減小12%，換算抗壓強(qiáng)度減小15%.而t＝30d時(shí)，試件表面強(qiáng)度下降較多，拔出強(qiáng)度減小44%，換算抗壓強(qiáng)度減小52%.這也說明在雙向電滲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)合理控制通電時(shí)間的長短，通電時(shí)間太長對(duì)試件表面存在著較大的損害.

3.2.3 水灰比對(duì)雙向電滲后混凝土表面強(qiáng)度的影響 在該組實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同配合比的混凝土試件（1類、2類、3類混凝土，w（NaCl）＝3%進(jìn)行同等條件下的雙向電滲處理，I＝3A／m2，t＝15d.試件經(jīng)過處理前后的表面強(qiáng)度變化如圖11所示，其中mw／mc為水灰比.

圖10 不同通電時(shí)間作用下試件表面強(qiáng)度及其變化率Fig.10 Surface strength and change rate for specimens under different conduction time

不同水灰比的混凝土試件在經(jīng)過胺類阻銹劑的雙向電滲處理后，表面強(qiáng)度均有所降低.表面強(qiáng)度的降低幅度隨著水灰比的增加而略有增大，但變化不大：拔出強(qiáng)度的變化率大約為-20%～-16%，而換算抗壓強(qiáng)度的變化率約為-24%～-20%.

圖11 不同水灰比試件雙向電滲前后的表面強(qiáng)度及其變化率Fig.11 Surface strength and change rate for specimens before and after BIEM under different water cement ratios

3.2.4 初始氯離子濃度對(duì)雙向電滲后混凝土表面強(qiáng)度的影響 類似地，對(duì)摻入氯鹽含量不同的混凝土試件（1類混凝土，w（NaCl）＝1%，3%，5%）也進(jìn)行同等條件下的雙向電滲實(shí)驗(yàn)，I＝3A／m2，t＝15 d.試件在雙向電滲修復(fù)前后的表面強(qiáng)度變化測試結(jié)果如圖12所示.

由圖12可知，摻不同含量氯鹽的試件在經(jīng)過雙向電滲處理后，表面強(qiáng)度都有所下降.當(dāng)w（NaCl）＝5%時(shí)，其表面強(qiáng)度的變化率和w（NaCl）＝3%的試件基本持平：拔出強(qiáng)度降低約18%～19%，換算抗壓強(qiáng)度降低約23%～24%.但是，當(dāng)w（NaCl）＝1%時(shí)，試件表面強(qiáng)度的降低幅度較大，拔出強(qiáng)度和換算抗壓強(qiáng)度的降低率分別達(dá)到了29%和35%.該結(jié)果表明：對(duì)于受氯鹽侵蝕程度較輕的混凝土，采用雙向電滲修復(fù)技術(shù)對(duì)混凝土表面的損傷較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇.

圖12 摻不同比例NaCl試件雙向電滲前后表面強(qiáng)度及其變化率Fig.12 Surface strength and its change rate for specimens after BIEM under different ratios of NaCl

3.2.5 表面碳化對(duì)雙向電滲后混凝土表面強(qiáng)度的影響 實(shí)驗(yàn)前選取4組配合比相同的試件（1類混凝土，w（NaCl）＝3%），放入碳化箱中，進(jìn)行加速碳化實(shí)驗(yàn).碳化28d 后測量試件的碳化深度，為13.7 mm.然后對(duì)碳化和未碳化的試件同時(shí)進(jìn)行雙向電滲實(shí)驗(yàn)，I＝3A／m2，t＝15d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示.可得，碳化后，混凝土表面強(qiáng)度升高了35%.經(jīng)過雙向電滲技術(shù)處理之后，其表面強(qiáng)度同樣表現(xiàn)出下降趨勢，且下降幅度隨著通電時(shí)間延長而增加.混凝土試件表面碳化后，其表面強(qiáng)度的降低率大于經(jīng)過同等條件處理后的未碳化試件.這可能是由于碳化試件表面的pH 值較低，使得電滲進(jìn)入保護(hù)層表面的阻銹劑濃度增大［4］.但由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，經(jīng)雙向電滲處理后碳化試件的表面強(qiáng)度絕對(duì)值大于經(jīng)過相同條件處理后的未碳化試件，碳化會(huì)造成混凝土保護(hù)層的堿度降低，易導(dǎo)致鋼筋脫鈍并銹蝕，進(jìn)而造成保護(hù)層開裂甚至剝落.雙向電滲將阻銹劑遷移至鋼筋表面，并通過陰極反應(yīng)提高鋼筋附近乃至整個(gè)保護(hù)層的pH 值，對(duì)消除碳化造成的不良影響有利.同時(shí)，碳化作用使得混凝土的密實(shí)度增加，使試件表面強(qiáng)度提高，可在一定程度上抵消雙向電滲對(duì)于結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度的影響.由于實(shí)際受到氯鹽侵蝕比較嚴(yán)重而須要進(jìn)行修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)，往往服役時(shí)間較長，表面伴有碳化現(xiàn)象，在該種情況下應(yīng)用雙向電滲技術(shù)，可以產(chǎn)生較理想的效果.

圖13 表面碳化和未碳化試件雙向電滲前后表面強(qiáng)度及其變化率Fig.13 Surface strength and its change rates before and after IBEM for specimens on-carbonated and carbonated

3.3 電化學(xué)處理后保護(hù)層孔隙率的變化

3.3.1 經(jīng)雙向電滲處理后保護(hù)層孔隙分布的變化 經(jīng)過雙向電滲處理之后，保護(hù)層的孔隙率和孔隙分布發(fā)生了變化.經(jīng)過雙向電滲處理后，保護(hù)層混凝土孔隙率下降.其孔隙率的具體變化如表2和圖14所示，其中P 為總孔隙率.從圖14 可以看出，孔隙率隨通電時(shí)間的延長而下降，且陰極附近的混凝土孔隙率低于陽極附近的混凝土孔隙率.

表2 雙向電滲處理前后保護(hù)層孔隙率變化Tab.2 Porosity changes after BIEM %

圖14 雙向電滲處理后保護(hù)層混凝土總孔隙率Fig.14 Total porosity of concrete cover after BIEM

1973年吳中偉院士提出了孔徑D 分級(jí)概念：無害孔（D＜20nm），少害孔（D＝20nm～100nm）、有害孔 （D＝100nm～200nm）和 多 害 孔（d ＞200 nm），并指出只有減少100nm 以上的有害孔，才能改善水泥基混凝土材料的宏觀性能和耐久性［27］.為了進(jìn)行深入分析，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過雙向電滲處理前后保護(hù)層混凝土孔隙的分布情況，如圖15（a）和（b）所示，分別是靠近陽極和陰極的混凝土孔隙分布情況，其中CG 為空白對(duì)照組.由圖15可以看出，對(duì)試件施加雙向電滲處理后，包括多害孔、有害孔和少害孔在內(nèi)的大孔孔隙率（n）減少，其中少害孔的減少程度隨著通電時(shí)間的延長而增加.對(duì)于孔徑在20nm 以下的無害孔，當(dāng)通電時(shí)間為7d和15d時(shí)，其孔隙率增加，且15d時(shí)無害孔的孔隙率大于7d時(shí)孔隙率；但當(dāng)通電時(shí)間增長到30d時(shí)，陰極附近的無害孔孔隙率低于通電時(shí)間15d時(shí)的無害孔孔隙率；而陽極附近的無害孔孔隙率反而較未處理的試件有所減少.結(jié)合圖14可以看出，當(dāng)通電時(shí)間達(dá)到30d時(shí)，混凝土保護(hù)層的總孔隙率降低程度較大，各孔徑范圍內(nèi)的孔隙率均有所下降.陽極附近混凝土無害孔的孔隙率整體高于陰極附近，而陽極附近混凝土有害孔的孔隙率則整體低于陰極附近.

圖15 經(jīng)雙向電滲后保護(hù)層混凝土孔隙分布的變化情況Fig.15 Porosity distribution of concrete cover after BIEM

由以上分析可以得出，雙向電滲可以對(duì)混凝土保護(hù)層的孔隙分布形成有利的影響.其中大孔減少、小孔增加的原因可能是在電滲過程中，部分水化產(chǎn)物分解、離子溶解，形成孔徑較小的孔隙；這些溶于混凝土的孔隙液離子，在電場作用下定向移動(dòng)，在移動(dòng)過程中堵塞了部分孔徑較大的孔隙［25］.由于在鋼筋附近的陰極反應(yīng)中，部分水電解產(chǎn)生氫氣，氫氣的逸出過程可能會(huì)導(dǎo)致鋼筋附近混凝土疏松、孔隙率增加［28～31］，靠近陰極處混凝土的孔隙率高于靠近陽處混凝土的孔隙率.

由之前的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可知，試件在經(jīng)過雙向電滲處理后，保護(hù)層表面強(qiáng)度降低.然而，由壓汞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，保護(hù)層表面的孔隙率下降.由此可以推斷，由于三乙烯四胺阻銹劑的應(yīng)用和滲入，混凝土表面水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或成分可能發(fā)生了一定的改變，強(qiáng)度下降；或是由于部分水化產(chǎn)物分解、溶解、移動(dòng)以及與阻銹劑結(jié)合等原因，使得保護(hù)層表面區(qū)域內(nèi)骨料和水化產(chǎn)物之間界面過渡區(qū)變得薄弱，微觀裂縫等缺陷增加.

3.3.2 經(jīng)電化學(xué)除氯處理后保護(hù)層孔隙分布的變化經(jīng)過電化學(xué)除氯處理后，保護(hù)層的孔隙率和孔徑分布也發(fā)生了變化.經(jīng)過電化學(xué)除氯處理的試件保護(hù)層混凝土孔隙率亦表現(xiàn)出下降趨勢.如圖16 所示，混凝土孔隙率隨通電時(shí)間的增加而下降，陽極附近的混凝土孔隙率下降幅度較陰極附近混凝土大.陽極附近混凝土在通電時(shí)間增加至15d時(shí)，下降幅度增加較大.但是與雙向電滲相比，電化學(xué)除氯對(duì)孔隙率的影響較小.

表3 電化學(xué)除氯處理前后保護(hù)層孔隙率的變化Tab.3 Porosity changes before and after ECE %

圖16 經(jīng)電化學(xué)除氯處理后保護(hù)層混凝土的總孔隙率Fig.16 Total porosity of concrete cover after ECE

圖17 經(jīng)電化學(xué)除氯后保護(hù)層混凝土孔隙分布的變化情況Fig.17 Porosity distribution of concrete cover after ECE

對(duì)保護(hù)層的孔隙分布進(jìn)行分析，分別繪制靠近陽極和陰極的混凝土孔隙分布圖，如圖17所示.由圖中可以看出，與雙向電滲對(duì)混凝土保護(hù)層的影響類似，經(jīng)電化學(xué)除氯后混凝土保護(hù)層的小孔增加，大孔減少.其中，孔徑為20～100nm 的少害孔的減少量與通電時(shí)間成正比.陽極附近混凝土孔徑小于20 nm 的無害孔在通電初期增長較大，隨后增長幅度逐漸減小.與陰極附近的混凝土相比，陽極附近混凝土多害孔、少害孔以及無害孔的孔隙率整體較低，而有害孔的孔隙率較高.

由這一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電化學(xué)除氯過程使得混凝土保護(hù)層表面強(qiáng)度提高，這一結(jié)果與其孔隙率下降的結(jié)果相吻合.相對(duì)引入三乙烯四胺作為阻銹劑的雙向電滲而言，電化學(xué)除氯由于氫氧化鈣電解液的運(yùn)用，沒有對(duì)保護(hù)層表面區(qū)域水化產(chǎn)物的成分、結(jié)構(gòu)造成不利影響，反而對(duì)其強(qiáng)度提高有利.由此可知，在電化學(xué)方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的應(yīng)用中，電解液的選擇會(huì)對(duì)混凝土保護(hù)層的質(zhì)量造成不同程度的影響.

綜上所述，雙向電滲和電化學(xué)除氯對(duì)于混凝土保護(hù)層孔隙分布的影響類似，總體上小孔增加，大孔減少，總孔隙率下降.但是，雙向電滲對(duì)混凝土保護(hù)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響程度更大，保護(hù)層孔隙率降低更為明顯.孔隙率降低對(duì)混凝土抵抗氯離子、氧氣腐蝕介質(zhì)的再侵入更有利［32］.從這個(gè)方面來說，雙向電滲對(duì)混凝土耐久性提升的長期影響更加有利.

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用LIMPET 拔出強(qiáng)度測試儀對(duì)混凝土試件在經(jīng)過雙向電滲處理前后的表面強(qiáng)度進(jìn)行了測試，證明在經(jīng)過雙向電滲修復(fù)處理后，試塊表面拔出強(qiáng)度和換算抗壓強(qiáng)度均有所下降.對(duì)于混凝土試件在本文所選用的通電參數(shù)下，試塊表面拔出強(qiáng)度和換算抗壓強(qiáng)度下降幅度約為10%～50%.

（1）混凝土試件在接受雙向電滲處理后，其表面強(qiáng)度的降低幅度隨通電時(shí)間、電流密度的增加而增加.

（2）混凝土受氯鹽侵蝕的程度對(duì)表面強(qiáng)度的影響較大，初始氯鹽比例較低的混凝土試件，其表面強(qiáng)度降低幅度較大，因此，對(duì)于受氯鹽侵蝕程度較輕的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)慎重選用雙向電滲修復(fù)技術(shù).

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙向電滲技術(shù)應(yīng)用于碳化后試件時(shí)，其表面強(qiáng)度降低更為明顯，一般情況下碳化過程可以將混凝土表面強(qiáng)度提高30%左右.綜合分析可知，通過合理地設(shè)計(jì)修復(fù)參數(shù)和修復(fù)進(jìn)程，可以控制經(jīng)過雙向電滲處理后的混凝土表面強(qiáng)度的降低程度.

（4）雙向電滲和電化學(xué)除氯都造成混凝土保護(hù)層整體孔隙率的下降.其中經(jīng)過雙向電滲處理的試件，保護(hù)層孔隙率下降程度較大.混凝土試件在經(jīng)過雙向電滲和電化學(xué)除氯處理后，保護(hù)層孔隙分布發(fā)生變化，孔徑在20nm 以下的無害孔增加，而孔徑在20nm 以上的少害孔以及有害孔以及多害孔均有所減少.

（

）：

［1］FAJARDO G，ESCADEILLAS G，ARLIGUIE G.Electrochemical chloride extraction（ECE）from steel-reinforced concrete specimens contaminated by“artificial”sea-water［J］.Corrosion Science，2006，48（1）：110-125.

［2］MIRANDA J M，GONZáLEZ J A，COBO A，et al.Several questions about electrochemical rehabilitation methods for reinforced concrete structures［J］.Corrosion Science，2006，48（8）：2172-2188.

［3］YEIH W，CHANG J J，HUNG C C.Selecting an adequate procedure for the electrochemical chloride removal［J］.Cement and Concrete Research，2006，36（3）：562-570.

［4］SAWADA S，PAGE C L，PAGE M M.Electrochemical injection of organic corrosion inhibitors into concrete［J］.Corrosion Science，2005，47（8）：2063-2078.

［5］SAWADA S，KUBO J，PAGE C L，et al.Electrochemical injection of organic corrosion inhibitors into carbonated cementitious materials：Part 1.effects on pore solution chemistry［J］.Corrosion Science，2007，49（3）：1186-1204.

［6］KUBO J，SAWADA S，PAGE C L，et al.Electrochemical inhibitor injection for control of reinforcement corrosion in carbonated concrete［J］.Materials and Corrosion，2008，59（2）：107-114.

［7］唐軍務(wù)，李森林，蔡偉成，等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電滲阻銹技術(shù)研究［J］.海洋工程.2008，26（3）：83-88.TANG Jun-wu，LI Sen-lin，CAI Wei-cheng，et al.Investigation of inhibitor electromigration anticorrosion technology on reinforced concrete［J］.The Ocean Engineering，2008，26（3）：83-88.

［8］洪定海，王定選，黃俊友.電遷移型阻銹劑［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2006，36（增刊2）：154-159.HONG Ding-hai，WANG Ding-xuan，HUANG Junyou.Electro-migrating corrosion inhibitors［J］.Journal of Southeast University：Natural Science，2006，36（supple.2）：154-159.

［9］張奕.氯離子在混凝土中的輸運(yùn)機(jī)理研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008，21-23.ZHANG Yi.Mechanics of chloride ions transportion in concrete［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2008，21-23.

［10］延永東.氯離子在損傷及開裂混凝土內(nèi)的輸運(yùn)機(jī)理及作用效應(yīng)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011，47-49.YAN Yong-dong.Transportation of chloride ions in damaged and cracked concrete and its action［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2011，47-49.

［11］章思穎.應(yīng)用于雙向電滲技術(shù)的電遷移型阻銹劑的篩選［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012，11-15.ZHANG Si-ying.A study of corrosion inhibitors for bidirectional electromigration rehabilitation［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2012，11-15.

［12］章思穎，金偉良，許晨.混凝土中胺類有機(jī)物-胍對(duì)鋼筋氯鹽腐蝕的作用［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版.2013，47（3）：1-8.ZHANG Si-ying，JIN Wei-liang，XU Chen.Effectiveness of an amine-based inhibitor-guanidine for steel in chloride-contaminated simulated concrete pore solutions［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2013，47（3）：1-8.

［13］MARCOTTE T D，HANSSON C M，HOPE B B.The effect of the electrochemical chloride extraction treatment on steel-reinforced mortar Part II：microstructural characterization［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（10）：1561-1568.

［14］SIEGWART M，LYNESS J F，MCFARLAND B J.Change of pore size in concrete due to electrochemical chloride extraction and possible implications for the migration of ions［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（8）：1211-1221.

［15］王文仲，鄭秀梅，劉曉丹，等.電化學(xué)除鹽對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響［J］.混凝土.2011，（3）：28-30.WANG Wen-zhong，ZHENG Xiu-mei，LIU Xiao-dan，et al.Influence of microscopic structure in concrete by electrochemical salt releasing ［J］.Concrete，2011，（3）：28-30.

［16］IHEKWABA N M，HOPE B B.Mechanical properties of anodic and cathodic regions of ECE treated concrete［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（5）：771-780.

［17］S?YLEV T A，MCNALLY C，RICHARDSON M G.The effect of a new generation surface-applied organic inhibitor on concrete properties［J］.Cement and Concrete Composites，2007，29（5）：357-364.

［18］DE SCHUTTER G，LUO L.Effect of corrosion inhibiting admixtures on concrete properties［J］.Construction and Building Materials，2004，18（7）：483-489.

［19］HEREN Z，?LMEZ H.The influence of ethanolamines on the hydration and mechanical properties of Portland cement［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（5）：701-705.

［20］LI L Y，PAGE C L.Finite element modelling of chloride removal from concrete by an electrochemical method［J］.Corrosion Science，2000，42（12）：2145-2165.

［21］NMAI C K.Multi-functional organic corrosion inhibitor［J］.Cement and Concrete Composites，2004，26（3）：199-207.

［22］MORI K，SPAGNOLI A，MURAKAMI Y，et al.A new non-contacting non-destructive testing method for defect detection in concrete［J］.NDT and E International，2002，35（6）：399-406.

［23］BAI Y，BASHEER P，CLELAND D J，et al.State-ofthe-art applications of the pull-off test in civil engineering［J］.International Journal of Structural Engineering，2009，1（1）：93-103.

［24］丁杭杰，陳璨，趙羽習(xí)，等.采用LIMPET 測試混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.混凝土.2013，（3）：33-36.DING Hang-jie，CHEN Can，ZHAO Yu-xi，et al.Experimental research on the strength of concree measured by limpet［J］.Concrete，2013，（3）：33-36.

［25］孫文博，高小建，楊英姿，等.電化學(xué)除氯處理后的混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2009，（10）：1108-1112.SUN Wen-bo，GAO Xiao-jian，YANG Ying-zi，et al.Microstructure of concrete after electrochemical chloride extraction treatment［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，（10）：1108-1112.

［26］VAN DEN HONDEL A J，POLDER R B.Electrochemical realkalisation and chloride removal of concrete［J］.Construction Repair，1992，6（5）：19-24.

［27］吳中偉，張鴻直.膨脹混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1990.

［28］IHEKWABA N M，HOPE B B，Hansson C M.Pullout and bond degradation of steel rebars in ECE concrete［J］.Cement and Concrete Research.1996，26（2）：267-282.

［29］韋江雄，王新祥，鄭靚，等.電除鹽中析氫反應(yīng)對(duì)鋼筋-混凝土粘結(jié)力的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2009，12（9）：30-34.WEI Jiang-xiong，WANG Xin-xiang，ZHENG Jing，et al.Research on the hydrogen evolution reaction and its effect on the bond strength between reinforcement and concrete during electrochemical chloride extraction［J］.Journal of Wuhan University of technology，2009，12（9）：30-34.

［30］SIEGWART M，LYNESS J F，MCFARLAND B J.Change of pore size in concrete due to electrochemical chloride extraction and possible implications for the migration of ions［J］.Cement and Concrete Research.2003，33（8）：1211-1221.

［31］孟慶超.混凝土耐久性與孔結(jié)構(gòu)影響因素的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.MENG Qin-chao.Research on influence factors of concrete durability and pore structures［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2006.