《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》是浙江大學寧波理工學院於2012年4月27日申請的專利，該專利的申請號為201210128147X，公布號為CN102627473A，授權公布日為2012年8月8日，發明人是金偉良、夏晉、郭柱、章思穎。
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》公開了一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，包括位於混凝土中作為陰極的鋼筋、槽口與所述的混凝土表面密封配合的電解槽、位於電解槽內的電解液、浸入所述的電解液中的陽極、以及向所述的陰極與陽極供電的直流電源，其中所述的電解槽帶有電解液的進、出口，還設有pH指示計，該pH指示計的探頭貫穿所述電解槽的槽壁且與電解液接觸。該發明裝置既能及時更換電解液，有利於氯離子的充分排出，又能實時監控電解液pH值，適用於各種形狀的混凝土結構；該發明裝置結構簡單、操作方便；該發明能有效地除去混凝土保護層中的氯離子，去除效率達到60％左右；使已鏽蝕鋼筋的腐蝕電位提高，鏽蝕速率降低，實現再鈍化，最大程度地修復鹽害混凝土結構。
2016年12月7日，《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法
- 公布號：CN102627473A
- 授權日：2012年8月8日
- 申請號：201210128147X
- 申請日：2012年4月27日
- 申請人：浙江大學寧波理工學院
- 地址：浙江省寧波市錢湖南路1號
- 發明人：金偉良、夏晉、郭柱、章思穎
- Int.Cl.：C04B41/00(2006.01)I
- 代理機構：杭州天勤智慧財產權代理有限公司
- 代理人：胡紅娟
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
處於海水及海洋氣候等惡劣環境中的混凝土結構，其工程壽命能否達到人們設計時所期望的百年要求，是一個相當嚴峻的問題。中國沿海地區鋼筋混凝土建築物一般在建成後10年左右會有不同程度的鏽蝕破壞，嚴重的甚至危及建築物的安全。引起混凝土鋼筋鏽蝕的原因有很多，而各種氯鹽的侵入是引起鋼筋鏽蝕的主要元兇。混凝土鹽污染主要是指混凝土中氯化物的大量存在，通過化學反應使混凝土中鋼筋去鈍化，造成鋼筋鏽蝕，使混凝土構築物受損的一種現象。混凝土鹽害污染嚴重會使其存在不同程度的耐久性問題，耐久性不足則會造成巨大的經濟損失，如何對已發生鹽害污染的混凝土結構進行修復，延長其使用壽命，已日益成為一個迫切需要解決的世界性問題。
針對混凝土受鹽污染嚴重的問題，2012年4月前中國國內外主要採用的修複方法有傳統修補法、遷移型阻銹劑的使用以及電化學除氯技術。傳統修補方法是將已經劣化的混凝土保護層鑿除，對鋼筋進行除銹、防鏽處理後，再用環丙砂漿、丙乳砂漿等進行修補復原，但該方法不能有效去除混凝土中的氯離子，且處於新舊混凝土中的鋼筋表面存在電位差，所以，鋼筋很有可能再次鏽蝕。遷移型阻銹劑雖然憑藉濃度差能向混凝土內部滲透，但當混凝土保護層較厚或混凝土密實度較大時，阻銹劑不能到達鋼筋表面或鋼筋附近阻銹劑濃度不足，進而無法起到應有的阻銹效果。電化學除氯技術雖能有效地去除混凝土保護層中的氯離子，但電化學除氯技術僅消除了誘發鋼筋鏽蝕的外部因素。電化學除氯後，若鋼筋仍處於活化狀態，則鋼筋將繼續鏽蝕。上述常規混凝土修複方法多為一步法，修復效果不夠理想，混凝土中有害離子析出率較低。
授權公告號為CN101787534B的中國專利公開了一種基於用BE阻銹劑電滲鹽污染構築物的修複方法及裝置，所述的方法包括在構築物表面設定阻銹劑；向阻銹劑-電解液保持、循環系統中注入BE阻銹劑及電解液；將陽極置於所述的阻銹劑-電解液保持、循環系統中；將陽極與直流電源的正極相連，而將直流電源的負極與構築物中的鋼筋相連；控制電流密度，連續通電，直至被修復的混凝土中鋼筋附近富集BE電滲阻銹劑有效基團，在鋼筋表面形成保護膜。該方法在電場作用下具有排除氯離子的效果，但是混凝土中有害離子析出效率不高。
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》提供了一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，結構簡單、操作方便，提高了鹽害混凝土結構有害離子析出率，延長鹽害混凝土結構的使用壽命。
一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，包括位於混凝土中作為陰極的鋼筋、槽口與所述的混凝土表面密封配合的電解槽、位於電解槽內的電解液、浸入所述的電解液中的陽極、以及向所述的陰極與陽極供電的直流電源，其中所述的電解槽帶有電解液的進、出口，其特徵在於，設有pH指示計，該pH指示計的探頭貫穿所述的電解槽的槽壁且與電解液接觸。
所述的電解槽與混凝土的表面相接觸的部位設有遇水膨脹的止水壓條，所述的止水壓條與混凝土的表面間設有止水帶。
所述的電解槽的槽口部位帶有用於壓緊止水壓條和止水帶的外翻邊，該外翻邊與混凝土的表面之間通過螺栓固定。
所述的陽極為鋼絲網或不鏽鋼網，為防止陽極材料在短期內被腐蝕損壞，減少對混凝土表面的污染，所述的陽極優選為不鏽鋼網。
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》還提供了一種使用上述兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置修復鹽害混凝土結構的方法，將電解液A注入電解槽中，然後開始連續通電進行電化學除氯，施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為1～5安/平方米，當電解液A的pH低於6時，更換為電解液B，然後再開始連續通電進行雙向電滲處理，控制施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為1～5安/平方米，通電時間5～20天后，結束通電；所述的電解液A為飽和的Ca（OH）2水溶液（室溫），所述的電解液B為含有阻銹劑的LiOH水溶液。
所述的電解液B中阻銹劑的濃度為0.5～1.0摩爾/升，所述的LiOH水溶液的濃度為0.002～0.02摩爾/升。
所述的利用電解液A進行電化學除氯時的通電時間為5～10天，以提高電滲阻銹效果。
所述的阻銹劑為烯胺基、脂肪胺基、醇胺基有機阻銹劑或胍類有機阻銹劑，它們在一定pH值下可以近似完全解離成陽離子，可以在電場作用下向混凝土內部鋼筋附近加速遷移，並且有較好的阻銹能力，為了提高阻銹效果，所述的阻銹劑優選為烯胺基有機阻銹劑，更優選地，所述的阻銹劑為三乙烯四胺。
由於上述阻銹劑溶於水後，溶液pH值較大，溶液偏鹼性，為了使阻銹劑在電解液中獲得充分的解離，電解液的pH必須維持在阻銹劑解離常數Ka之下，通常使用磷酸、亞磷酸或焦磷酸來調節溶液的pH，但pH值若過小則不利於氯離子的排出，且酸性溶液會對混凝土表面產生腐蝕，因此所述的電解液B的pH優選為6～12。
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》所採用的止水壓條、止水帶均為市售產品，止水壓條為一種遇水能吸水體積膨脹的止水條，是由高分子、無機吸水膨脹材料與橡膠及助劑合成的一種新型建築防水材料；止水帶為橡膠止水帶，是由天然橡膠與各種合成橡膠為主要原料，摻加各種助劑及填充料，經塑膠、混煉，壓製成型得到的。
在電化學除氯與電滲過程中，一般可採用恆電壓或恆電流通電方法，在該發明的電化學除氯與電滲過程中，採用的是恆電流通電的方法，以電流密度為控制參數，電壓隨混凝土結構的密實程度、保護層厚度等因素的不同而不同。
在外加電場作用下，陽離子會向電場的負極方向遷移，而陰離子則會向電場的正極方向發生遷移，在該發明兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置中，混凝土結構中鋼筋與直流電源的負極相連，浸入電解液（或含有阻銹劑的電解液）中的陽極與直流電源的正極相連，在外加電場作用下，混凝土孔隙液中的有害陰離子，如氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子等，會向混凝土外部遷移，電解液（或電解液中的阻銹劑）的陽離子會向混凝土內部遷移，並在鋼筋表面形成一層緻密的保護膜，將氯離子、氧氣等有害物質隔離開，從而達到阻銹的作用。
由於在構建修復鹽害混凝土結構的裝置前採取了鑽孔取粉或鑽芯取樣從而對混凝土結構產生了破壞，因此在電滲處理之後必須對混凝土結構進行砂漿修復，同時為了阻止氯離子再次侵入，可以在混凝土結構表面塗上防止氯離子侵入的材料，如抗氯離子滲透塗料；對於鋼筋嚴重鏽蝕已經出現膨脹裂縫的區域，在雙向電滲前，應先採取局部挖除的修複方法。
改善效果
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》裝置結構簡單、操作方便，適用於各種形狀的混凝土結構；其進水口和出水口可以及時更換溶液，有利於氯離子的充分排出；設定的pH指示計口埋入pH指示計，可以實時監控電解液pH值；該發明的方法能提高陽離子阻銹劑的遷移能力，使阻銹劑在較短時間內電滲到鋼筋表面；採用該發明裝置和方法，能有效地除去混凝土保護層中的氯離子，其去除效率達到60％左右；同時可以使已鏽蝕鋼筋的腐蝕電位提高，鏽蝕速率降低，實現再鈍化，最大程度地修復鹽害混凝土結構，延長了混凝土結構使用壽命。
附圖說明
圖1為《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》裝置的結構示意圖。
圖2為鹽害混凝土結構中氯離子含量隨保護層深度的變化曲線圖。
圖3為修復後的鹽害混凝土結構中阻銹劑含量隨保護層深度的變化曲線圖。
技術領域
《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》涉及電化學修復技術領域，尤其是一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法。
權利要求
1.一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，包括位於混凝土（1）中作為陰極（2）的鋼筋、槽口與所述的混凝土（1）表面密封配合的電解槽（3）、位於電解槽（3）內的電解液（4）、浸入所述的電解液（4）中的陽極（5）、以及向所述的陰極（2）與陽極（5）供電的直流電源（6），其中所述的電解槽（3）帶有電解液（4）的進口（8）、出口（9），其特徵在於，設有pH指示計（7），該pH指示計（7）的探頭貫穿所述的電解槽（3）的槽壁且與電解液（4）接觸；所述的電解槽（3）與混凝土（1）的表面相接觸的部位設有遇水膨脹的止水壓條（10），所述的止水壓條（10）與混凝土（1）的表面間設有止水帶（11）；所述的電解槽（3）的槽口部位帶有用於壓緊止水壓條（10）和止水帶（11）的外翻邊，該外翻邊與混凝土（1）的表面之間通過螺栓（12）固定。
2.如權利要求1所述的兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，其特徵在於，所述的陽極（5）為鋼絲網或不鏽鋼網。
3.一種使用如權利要求1所述的兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置修復鹽害混凝土結構的方法，其特徵在於，將電解液A注入電解槽中，然後開始連續通電進行電化學除氯，施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為1～5安/平方米，當電解液A的pH低於6時，更換為電解液B，然後再開始連續通電進行雙向電滲處理，控制施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為1～5安/平方米，通電時間5～20天后，結束通電；所述的電解液A為飽和的Ca（OH）2水溶液，所述的電解液B為含有阻銹劑的LiOH水溶液，所述的阻銹劑為烯胺基、脂肪胺基、醇胺基有機阻銹劑或胍類有機阻銹劑。
4.如權利要求3所述的修復鹽害混凝土結構的方法，其特徵在於，所述的電解液B中阻銹劑的濃度為0.5～1.0摩爾/升，所述的LiOH水溶液的濃度為0.002～0.02摩爾/升。
5.如權利要求3所述的修復鹽害混凝土結構的方法，其特徵在於，利用電解液A進行電化學除氯時的通電時間為5～10天。
6.如權利要求3所述的修復鹽害混凝土結構的方法，其特徵在於，所述的阻銹劑為烯胺基有機阻銹劑。
7.如權利要求3或4所述的修復鹽害混凝土結構的方法，其特徵在於，所述的電解液B的pH為6～12。
實施方式
實施例1
如圖1所示，《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置，包括位於混凝土（1）中作為陰極（2）的鋼筋、槽口與混凝土（1）表面密封配合的電解槽（3）、位於電解槽（3）內的電解液（4）、浸入電解液（4）中的陽極（5）、向陰極（2）與陽極（5）供電的直流電源（6）以及pH指示計（7），陽極為不鏽鋼網，電解槽（3）帶有電解液（4）的進（8）、出口（9），pH指示計（9）的探頭貫穿所述電解槽（3）的槽壁且與電解液（4）接觸，電解槽（3）與混凝土（1）的表面相接觸的部位設有遇水膨脹的止水壓條（10），所述的止水壓條（10）與混凝土（6）的表面間設有止水帶（11），電解槽（1）的槽口部位帶有用於壓緊止水壓條（10）和止水帶（11）的外翻邊，該外翻邊與混凝土（1）的表面之間通過螺栓（12）固定。
實施例2 兩步法修復鹽害混凝土結構
混凝土結構各組分的質量配比為：水泥:砂:石子:水＝1:1.40:2.60:0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210千克水、429千克水泥、600千克中砂和1115千克粒徑為5～16毫米石子，其中，在混凝土澆鑄時摻入水泥質量的2％即8.58千克的氯化鈉，水灰比為0.5，保護層深度為40毫米，標準養護28天，常溫室內放置5個月後，用電化學工作站Reference600測定修復前混凝土試件中鋼筋的電化學阻抗譜和弱極化曲線，發現鋼筋已經鏽蝕。同時，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用氯離子快速測定方法（RCT）測定混凝土試件內氯離子含量，測得氯離子含量的實驗數據如表1所示，氯離子含量隨保護層深度的變化如圖2所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數。
採用實施例1所述的裝置，對混凝土進行修復，將飽和Ca（OH）2水溶液（室溫）6升注入電解槽中，開始連續通電進行電化學除氯，控制施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為3安/平方米，通電6天后，結束通電，清洗電解液保持裝置，然後將0.024克LiOH加入到84毫升水中配製LiOH水溶液，再將15.39克三乙烯四胺（純度大於95％）注入到LiOH水溶液電解液中，加入5.765克磷酸（純度為85％），配製成100毫升pH值為10.25的含有三乙烯四胺的電解液，其中三乙烯四胺的摩爾濃度為1摩爾/升。將含有三乙烯四胺的電解液6升注入電解槽中，再開始連續通電進行雙向電滲處理，控制施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為3安/平方米，通電時間9天后，結束通電。
通電結束後，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用有機元素分析儀測定混凝土試件內阻銹劑的含量並採用氯離子快速測定方法（RCT）測定混凝土試件內氯離子含量，測得氯離子的實驗數據如表1所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數；測得阻銹劑（N元素占混凝土的質量分數）的實驗數據如表2所示，N含量隨混凝土深度的變化如圖3所示。
對比例1 電化學除氯法修復鹽害混凝土結構
混凝土各組分的質量配比為：水泥:砂:石子:水＝1:1.40:2.60:0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210千克水、429千克水泥、600千克中砂和1115千克粒徑為5～16毫米石子，其中，在混凝土澆鑄時摻入水泥質量的2％即8.58千克的氯化鈉，水灰比為0.5，保護層深度為40毫米，標準養護28天，常溫室內放置5個月後，用電化學工作站Reference600測定修復前混凝土試件中鋼筋的電化學阻抗譜和弱極化曲線，發現鋼筋已經鏽蝕。同時，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用有機元素分析儀測定混凝土試件內阻銹劑的含量，測得氯離子的實驗數據如表1所示，氯離子含量隨混凝土深度的變化如圖2所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數。
採用實施例1所述的裝置，對混凝土進行修復，將6升飽和Ca（OH）2水溶液（室溫）注入電解槽中，開始連續通電進行電化學除氯，控制施加的電流密度以鋼筋的總表面積計為3安/平方米，通電15天后，結束通電。
通電結束後，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用有機元素分析儀測定混凝土試件內阻銹劑的含量並採用氯離子快速測定方法（RCT）測定混凝土試件內氯離子含量，測得氯離子的實驗數據如表1所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數；測得阻銹劑（N元素占混凝土的質量分數）的實驗數據如表2所示，N含量隨混凝土深度的變化如圖3所示。
對比例2 雙向電滲修復鹽害混凝土結構
混凝土各組分的質量配比為：水泥:砂:石子:水＝1:1.40:2.60:0.49，即配置一立方米的新拌混凝土使用210千克水、429千克水泥、600千克中砂和1115千克粒徑為5～16毫米石子，其中，在混凝土澆鑄時摻入水泥質量的2％即8.58千克的氯化鈉，水灰比為0.5，保護層深度為40毫米，標準養護28天，常溫室內放置5個月後，用電化學工作站Reference600測定修復前混凝土試件中鋼筋的電化學阻抗譜和弱極化曲線，發現鋼筋已經鏽蝕。同時，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用有機元素分析儀測定混凝土試件內阻銹劑的含量，測得氯離子的實驗數據如表1所示，氯離子含量隨混凝土深度的變化如圖2所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數。
採用實施例1所述的裝置，對混凝土進行修復，將0.024克LiOH加入到84毫升水中配製LiOH水溶液，再將15.39克三乙烯四胺（純度大於95％）注入到LiOH水溶液電解液中，加入5.765克磷酸（純度為85％），配製成100毫升pH值為10.25的含有三乙烯四胺的電解液，其中三乙烯四胺的摩爾濃度為1摩爾/升。將含有三乙烯四胺的電解液6升注入電解槽中，開始連續通電進行雙向電滲處理，控制施加的電流以鋼筋的總表面積計為3安/平方米，通電9天后，結束通電。
通電結束後，沿著混凝土保護層深度方向，鑽孔取粉，每打5毫米（5毫米為一層），將獲得的混凝土灰粉作為一個樣本，採用有機元素分析儀測定混凝土試件內阻銹劑的含量並採用氯離子快速測定方法（RCT）測定混凝土試件內氯離子含量，測得氯離子的實驗數據如表1所示，其中氯離子含量為氯離子占混凝土的質量分數；測得阻銹劑（N元素占混凝土的質量分數）的實驗數據如表2所示，N含量隨混凝土深度的變化如圖3所示。
層數/CL | 初始含量 | 1.電化學除氯 | 2.雙向電滲 | 3.兩步法 | ||||
含量 | 除氯效率 | 含量 | 除氯效率 | 含量 | 除氯效率 | 效率提高 | ||
i | 0.075 | 0.047 | 49.5% | 0.041 | 55.6% | 0.041 | 59.1% | 相對1 |
2 | 0.084 | 0.047 | 0.041 | 0.042 | ||||
3 | 0.092 | 0.043 | 0.036 | 0.035 | 9.6% | |||
4 | 0.082 | 0.044 | 0.039 | 0.033 | ||||
5 | 0.088 | 0.038 | 0.040 | 0.031 | 相對2 | |||
6 | 0.090 | 0.037 | 0.035 | 0.035 | ||||
7 | 0.083 | 0.039 | 0.035 | 0.031 | 3.5% | |||
8 | 0.081 | 0.046 | 0.033 | 0.028 | ||||
層數/N | 電化學除氯 | 雙向電滲 | 兩步法 |
1 | 0 | 0.2189 | 0.2087 |
2 | 0 | 0.1580 | 0.1204 |
3 | 0 | 0.1380 | 0.1010 |
4 | 0 | 0.1269 | 0.1114 |
5 | 0 | 0.1349 | 0.0000 |
6 | 0 | 0.1361 | 0.0000 |
7 | 0 | 0.1307 | 0.0000 |
8 | 0 | 0.1220 | 0.0000 |
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種兩步法修復鹽害混凝土結構的裝置與方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
