本發明涉及一種鋼筋混凝土電化學除氯的改進方法，屬于鋼筋混凝土電化學領域，可用于結構混凝土的無損修補與加固。
背景技術：
：鋼筋混凝土因其良好的結構性能和耐久性被廣泛用于土木工程中，但在鋼筋混凝土結構服役過程中，由于外界環境侵蝕引起的鋼筋銹蝕是目前混凝土結構最常見的破壞形式。但從大多數鋼筋混凝土的破壞形式來看，氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕是破壞鋼筋混凝土結構的主要元兇。目前，電化學脫鹽是鋼筋混凝土結構除氯的主要方式，在電場的作用下，以混凝土中鋼筋為陰極，通過外加陽極形成閉合回路。鋼筋混凝土中帶正電的離子向鋼筋附近區域移動，而帶負電的Cl-在電場的驅動下向外加陽極方向遷移，達到除氯效果。現有的除氯技術中，常見的外部陽極材料有普通鋼絲網、鈦網和水泥基導電層，常見的電解液有Ca(OH)，LiOH，NaOH以及含有陽離子阻銹劑或Na2B4O7·10H2O的飽和堿溶液。但上述除氯裝置在除氯過程中存在一定弊端：普通鋼絲網除氯過程中容易銹蝕，除氯效果不佳；鈦網價格昂貴，大面積鋪設困難；水泥及導電層適合大垂直面結構，應用范圍受限。同時，除氯對鋼筋混凝土性能有不利影響，所用電解液對混凝土內部結構修補效果差。因此，提出了以磷酸鎂水泥膠結碳纖維布作外部陽極，實現混凝土結構的除氯與加固，選用改性納米硅酸鈣為電解液，在除氯的同時對混凝土內部進行修補的新方法。該方法能夠在除氯的同時實現混凝土結構的加固，簡化了傳統方法中先除氯后加固的過程，納米硅酸鈣的引入促進了混凝土中未反應顆粒的水化，起到一定的修補作用，為鋼筋混凝土無損修補與加固方法的應用奠定基礎。技術實現要素：本發明主要解決的技術問題是：針對混凝土除氯傳統方法的改進，實現除氯加固一體化，改善除氯后鋼筋混凝土性能損失嚴重的問題。因此，公布了一種以磷酸鎂水泥膠結碳纖維布作外部陽極，以改性納米硅酸鈣為電解液，萃取混凝土中氯離子的新方法。本發明的技術特征：通過對導電性差的磷酸鎂水泥進行改性，用其粘結碳纖維布得到外部陽極材料，以改性納米硅酸鈣為電解液，在除氯加固的同時對混凝土內部結構進行修補。所述材料配比及參數如下：(1)MgO(M)與磷酸鹽(P)的摩爾比例M/P：4～5；(2)緩凝劑摻量：是氧化鎂質量的5～10wt％；(3)水膠比：0.14～0.16；(4)導電材料摻量：是氧化鎂質量的0.01％～0.05％；(5)電解液質量百分比濃度：10％～15％；(6)碳纖維布：抗拉強度≥2500MPa，每米電阻：35～40Ω/m。所述的磷酸鎂水泥為1600℃煅燒鎂砂；死燒MgO的煅燒溫度在1600℃以上，所述的磷酸鹽為工業級磷酸二氫鉀；所述的緩凝劑為硼砂；所述的導電材料為碳納米管；所述的電解液為采用十六烷基三甲基溴化銨改性過的納米硅酸鈣溶液。具體操作為：將質量比為1:4的十六烷基三甲基溴化銨與納米硅酸鈣混合均勻，在BILON-1000Y型細胞破碎儀中進行分散，破碎儀頻率為22±1KHz，分散時間5min，得到改性納米硅酸鈣電解液，測得其Zeta電位為50.32mV，粒徑分布在50～100nm。一種電化學萃取混凝土中氯離子的方法，其特征在于，改性磷酸鎂水泥粘接碳纖維布作混凝土電化學除氯外部陽極，在改性納米硅酸鈣電解液中實現混凝土構件氯離子的萃取，實施步驟如下：①混凝土表面的處理：將養護至28d的混凝土取出，對其表面進行打磨至平整，將其置于比其直徑大的PVC管的中心；②改性磷酸鎂水泥制備：將磷酸鹽、緩凝劑及導電材料混合均勻，加水攪拌5min，隨后加入死MgO，攪拌均勻，水膠比為0.14～0.16；③外部陽極的制備：將拌合好的磷酸鎂水泥延PVC管壁澆注進去，待磷酸鎂水凝結后取出試件，用碳纖維布對試件進行包裹；在高度方向，應保證碳纖維布高出混凝土上表面25mm，用于電極的連接；將包裹好的試件再次置于PVC管中，進行磷酸鎂水泥的二次澆注；澆注完畢，待表層磷酸鎂水泥凝結后取出試件，養護28d，得到磷酸鎂水泥粘結碳纖維布陽極材料；④混凝土試件除氯：將③中養護好的二次澆注試件置于改性納米硅酸鈣溶液中，液面高度控制在與試件上表面平齊，以碳纖維布做陽極，混凝土芯部鋼筋為陰極，用導線連接起來，外加直流電源，采用間歇式通電，前14d電流密度控制在2A/m2，斷電7d，隨后電流密度控制在1A/m2，電流密度大小是以相對于鋼筋的比表面積來計算的；整個周期為28d，對混凝土試件進行除氯。1、相關機理及參數說明如下：(1)磷酸鎂水泥相關說明：磷酸鎂水泥是以氧化鎂、磷酸鹽，緩凝劑及礦物摻合料按一定比例配制，其反應實質是酸堿中和的放熱反應，凝結硬化迅速。磷酸鎂水泥各組分比例對其性能影響很大：M/P過低和過高，體系中磷酸鹽和氧化鎂殘留量過多，對磷酸鎂水泥強度影響較大。故通過實驗研究，確定M/P為4～5時，磷酸鎂水泥的性能最佳；緩凝劑的加入主要是為了減緩反應速率，緩凝劑可以在氧化鎂顆粒表面形成包覆膜，阻止鎂離子的溶出，降低反應速率。最常用的緩凝劑為硼砂，當其摻量小于5％時，緩凝效果較差，大于10％時，緩凝時間雖然有所延長，但是磷酸鎂水泥的強度損失較大。因此，通過實驗研究，確定緩凝劑的摻量為5％～10％。水膠比對磷酸鎂水泥的影響也較大，水膠比過小，磷酸鎂水泥的流動性差，水膠比過大，磷酸鎂水泥強度損失嚴重。因此，通過實驗研究，確定水膠比為0.14～0.16。(2)導電材料：碳納米管具有良好的導電性，它的加入對導電性差的磷酸鎂水泥有很好的改善。同時，碳納米管有很高的抗拉強度，將其加入磷酸鎂水泥中，可使磷酸鎂水泥粘結碳纖維布復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。(3)電解液：傳統電解液都是一些堿溶液，用其萃取之后，鋼筋-混凝土內部微區出現軟化、多孔現象，對混凝土性能損傷嚴重。納米硅酸鈣通過改性后，表面帶正電，在電場作用下進入混凝土內部，一方面，因其納米效應，可以細化混凝土內部空隙，另一方面引入的SiO32-可以和混凝土中的Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，對混凝土內部結構進行修復。(4)碳纖維布的選用：傳統應用最為廣泛的為鈦網陽極，之所以選擇碳纖維布，首先，其導電率為鈦網陽極的15倍左右，能夠提高氯離子的萃取效率；其次，其可以與磷酸鎂水泥一起粘結使用，對混凝土結構進行加固的同時達到萃取效果。2、實現混凝土中氯離子萃取的具體操作步驟如下：(1)混凝土試樣的制備：混凝土試樣的配合比為：P·O42.5水泥480kg/m3，細骨料622kg/m3，粗骨料1106kg/m3，聚羧酸減水劑1.5L/m3，水192L/m3，內摻氯鹽(NaCl)含量為水泥質量的4％。按上述配比，設計混凝土試樣尺寸為Φ150×300，鋼筋直徑D＝10mm，鋼筋在混凝土中的插入深度為250m，將露出混凝土表面的鋼筋用環氧樹脂包裹起來，在標準條件下養護28d。(2)混凝土表面的處理：將養護至一定齡期的混凝土取出，對其表面進行打磨至平整，將其置于比其直徑大10mm的PVC管的中心。(3)改性磷酸鎂水泥制備：將磷酸二氫鉀、硼砂及導電材料碳納米管按一定比例混合均勻，加水攪拌5min，隨后加入死燒氧化鎂，攪拌均勻。(4)外部陽極的制備：將拌合好的磷酸鎂水泥延PVC管壁澆注進去，待磷酸鎂水凝結后取出試件，用碳纖維布對試件進行包裹，在高度方向，應保證碳纖維布高出混凝土上表面25mm，用于電極的連接。將包裹好后的時間再次置于PVC管中，進行磷酸鎂水泥的二次澆注。澆注完畢，待表層磷酸鎂水泥凝結后取出試件，置于標準環境下養護28d，得到磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的陽極材料。(5)混凝土試件除氯：將(3)中養護好的二次澆注試件置于改性納米硅酸鈣溶液中，液面高度控制在與試件平齊，以碳纖維布做陽極，混凝土芯部鋼筋為陰極，用導線連接起來，外加直流電源，采用間歇式通電，早期(前14d)電流密度控制在2A/m2(相對于鋼筋的比表面積)，斷電7d，隨后電流密度控制在1A/m2，整個周期為28d，對混凝土試件進行除氯。(6)為保證電解液pH值保持在12以上，每隔2d對電解液進行更換。除氯后，對混凝土試件鉆孔取粉，測試混凝土試件中氯離子的含量。(5)、(6)中相關參數說明如下：氯離子的萃取效率隨著萃取時間延長而下降。早期，混凝土中可溶性氯離子含量高，采用高的電流密度進行萃取，隨著萃取的進行，混凝土中自由氯離子含量降低，萃取效率下降。斷電7d是為了混凝土中氯離子進一步重新分布，在氯離子含量相對較低的情況下，采用小的電流密度進行萃取，可有效降低鋼筋混凝土性能的損傷。同時，pH值大于9時能有效防止氯氣產生。具體實施方式為進一步體現出不同導電能力的磷酸鎂水泥粘接碳纖維布作外部陽極對混凝土中氯離子的萃取效果以及不同濃度的改性納米碳酸鈣對除氯后混凝土內部的修復效果，下面結合具體案例對本發明進一步詳細說明。實例1：一種電化學萃取混凝土中氯離子的改進方法，陽極材料配比及電解液濃度按所述要求如下：(1)死燒MgO(M)與磷酸二氫鉀(P)的摩爾比例：M/P＝4；(2)硼砂緩凝劑摻量：是氧化鎂質量的5wt％；(3)水膠比：W/C＝0.14；(4)碳納米管摻量：是氧化鎂質量的0.01％；(5)改性納米硅酸鈣的質量百分比濃度：10％；(6)碳纖維布：抗拉強度≥2500MPa，每米電阻：35～40Ω/m。根據要求，改性磷酸鎂水泥粘結碳纖維布作陽極材料萃取混凝土中氯離子的步驟及萃取參數如下：①混凝土表面的處理：將養護至28d的混凝土取出，對其表面進行打磨至平整，將其置于比其直徑大10mm的PVC管的中心。②改性磷酸鎂水泥制備：將磷酸二氫鉀、硼砂及導電材料碳納米管混合均勻，加水攪拌5min，隨后加入死燒氧化鎂，攪拌均勻。③外部陽極的制備：將拌合好的磷酸鎂水泥延PVC管壁澆注進去，待磷酸鎂水凝結后取出試件，用碳纖維布對試件進行包裹，在高度方向，應保證碳纖維布高出混凝土上表面25mm，用于電極的連接。將包裹好后的時間再次置于PVC管中，進行磷酸鎂水泥的二次澆注。澆注完畢，待表層磷酸鎂水泥凝結后取出試件，置于標準環境下養護28d，得到磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的陽極材料。④混凝土試件除氯：將(3)中養護好的二次澆注試件置于改性納米硅酸鈣溶液中，液面高度控制在與試件上表面平齊，以碳纖維布做陽極，混凝土芯部鋼筋為陰極，用導線連接起來，外加直流電源，采用間歇式通電，早期(前14d)電流密度控制在2A/m2(相對于鋼筋的比表面積)，斷電7d，隨后電流密度控制在1A/m2，整個周期為28d，對混凝土試件進行除氯。實例2：一種電化學萃取混凝土中氯離子的改進方法，陽極材料配比，電解液濃度按所述要求如下：(1)死燒MgO(M)與磷酸二氫鉀(P)的摩爾比例：M/P＝4.5；(2)硼砂緩凝劑摻量：是氧化鎂質量的8wt％；(3)水膠比：W/C＝0.15；(4)碳納米管摻量：是氧化鎂質量的0.03％；(5)改性納米硅酸鈣質量百分比濃度：13％；(6)碳纖維布：抗拉強度≥2500MPa，每米電阻：35～40Ω/m。根據要求，改性磷酸鎂水泥粘結碳纖維布作陽極材料萃取混凝土中氯離子的步驟及萃取參數如下：①混凝土表面的處理：將養護至28d的混凝土取出，對其表面進行打磨至平整，將其置于比其直徑大10mm的PVC管的中心。②改性磷酸鎂水泥制備：將磷酸二氫鉀、硼砂及導電材料碳納米管混合均勻，加水攪拌5min，隨后加入死燒氧化鎂，攪拌均勻。③外部陽極的制備：將拌合好的磷酸鎂水泥延PVC管壁澆注進去，待磷酸鎂水凝結后取出試件，用碳纖維布對試件進行包裹，在高度方向，應保證碳纖維布高出混凝土上表面25mm，用于電極的連接。將包裹好后的時間再次置于PVC管中，進行磷酸鎂水泥的二次澆注。澆注完畢，待表層磷酸鎂水泥凝結后取出試件，置于標準環境下養護28d，得到磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的陽極材料。④混凝土試件除氯：將(3)中養護好的二次澆注試件置于改性納米硅酸鈣溶液中，液面高度控制在與試件上表面平齊，以碳纖維布做陽極，混凝土芯部鋼筋為陰極，用導線連接起來，外加直流電源，采用間歇式通電，早期(前14d)電流密度控制在2A/m2(相對于鋼筋的比表面積)，斷電7d，隨后電流密度控制在1A/m2，整個周期為28d，對混凝土試件進行除氯。實例3：一種電化學萃取混凝土中氯離子的改進方法，陽極材料配比，電解液濃度按所述要求如下：(1)死燒MgO(M)與磷酸二氫鉀(P)的摩爾比例：M/P＝5；(2)硼砂緩凝劑摻量：是氧化鎂質量的10wt％；(3)水膠比：W/C＝0.16；(4)碳納米管摻量：是氧化鎂質量的0.05％；(5)改性納米硅酸鈣質量百分比濃度：15％；(6)碳纖維布：抗拉強度≥2500MPa，每米電阻：35～40Ω/m。根據要求，改性磷酸鎂水泥粘結碳纖維布作陽極材料萃取混凝土中氯離子的步驟及萃取參數如下：①混凝土表面的處理：將養護至28d的混凝土取出，對其表面進行打磨至平整，將其置于比其直徑大10mm的PVC管的中心。②改性磷酸鎂水泥制備：將磷酸二氫鉀、硼砂及導電材料碳納米管混合均勻，加水攪拌5min，隨后加入死燒氧化鎂，攪拌均勻。③外部陽極的制備：將拌合好的磷酸鎂水泥延PVC管壁澆注進去，待磷酸鎂水凝結后取出試件，用碳纖維布對試件進行包裹，在高度方向，應保證碳纖維布高出混凝土上表面25mm，用于電極的連接。將包裹好后的時間再次置于PVC管中，進行磷酸鎂水泥的二次澆注。澆注完畢，待表層磷酸鎂水泥凝結后取出試件，置于標準環境下養護28d，得到磷酸鎂水泥粘結碳纖維布的陽極材料。④混凝土試件除氯：將(3)中養護好的二次澆注試件置于改性納米硅酸鈣溶液中，液面高度控制在與試件上表面平齊，以碳纖維布作陽極，混凝土芯部鋼筋為陰極，用導線連接起來，外加直流電源，采用間歇式通電，早期(前14d)電流密度控制在2A/m2(相對于鋼筋的比表面積)，斷電7d，隨后電流密度控制在1A/m2，整個周期為28d，對混凝土試件進行除氯。應用實例除氯后，參照SL352—2006《水工混凝土試驗規程》測定混凝土中的水溶性氯離子濃度，計算得到的除氯效果如表1所示；按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試鋼筋-混凝土界面粘結強度，表2所示。(1)除氯效率實例1-3，通過改性磷酸鎂粘結碳纖維布作外部陽極的除氯效率如表1所示。表1改性磷酸鎂粘結碳纖維布作外部陽極的除氯效率(wt％)組號實例1實例2實例3對照組除氯效率(％)71.775.978.266.8(注：對照組為傳統鈦網陽極材料以Ca(OH)2為電解液的除氯效率)(2)鋼筋-混凝土的粘結強度損失率實例1-3，通過改性磷酸鎂粘結碳纖維布作外部陽極，以改性納米硅酸鈣作電解液除氯后鋼筋-混凝土粘結強度的損失率如表2所示表2鋼筋混凝土粘結強度的損失率(％)組號實例1實例2實例3對照組δLoss(％)8.16.24.712.5(注：對照組為傳統鈦網陽極材料以Ca(OH)2為電解液除氯后鋼筋-混凝土粘結強度的損失率)從表1和表2可以看出：以碳納米管改性磷酸鎂水泥膠結碳纖維布對混凝土構件的除氯效率均大于傳統鈦網陽極材料做陽極的除氯效率，并且以改性納米硅酸鈣作電解液萃取混凝土中氯離子時，能有效降低鋼筋-混凝土之間粘結力的損失。當前第1頁1 2 3