碳化混凝土再碱化施工规程

碳化混凝土再碱化施工规程
屈文俊;闫冰;邬生吉
【摘要】碳化混凝土再碱化技术应用电化学、电渗原理、扩散等作用,在混凝土中的钢筋和混凝土外围碳酸钠溶液之间施加一个电场,在直流电的作用下,恢复钢筋周
围混凝土的碱性环境,使得钢筋再钝化,达到防止钢筋锈蚀的目的.在再碱化已有的研究成果基础上,为了推进电化学再碱化技术在实际工程中的应用,结合理论分析,提出施工工艺,编制了碳化混凝土再碱化的施工规程.
【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2015(033)001
【总页数】7页(P90-96)
【关键词】碳化混凝土;再碱化修复技术;耐久性;施工规程
【作者】屈文俊;闫冰;邬生吉
【作者单位】同济大学土木工程学院,200092,上海;同济大学土木工程学院,200092,上海;同济大学土木工程学院,200092,上海
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.57
碳化混凝土再碱化技术作为一种新兴的耐久性恢复方法，近年来得到了极大的发展。

再碱化是能够使钢筋周围混凝土恢复到跟完好的没有碳化的混凝土所具有的一样的高pH值的电化学方法，目的是为已碳化的混凝土中的钢筋提供长期锈蚀防护。

还有一些其他的电化学方法，能够为混凝土结构中的钢筋提供锈蚀防护，包括阴极保
护和氯化物提取。

1)钢筋混凝土的再碱化是通过在混凝土中的钢筋和临时附加在混凝土表面的阳极之间施加一个电场完成的，该阳极被包含碳酸盐或氢氧根离子的电解质溶液所包围。

其具体原理可参考附录A。

2)再碱化处理的碳化混凝土应位于阳极下面。

3)可以使用钠、钾、锂电解质溶液[1]。

2.1 质量管理系统
1)暴露于大气中的混凝土再碱化的所有组成部件的设计、安装、通电、试运行、长期运行的资料和文件都应完整地存档。

2)施工中每一过程都应按质量控制计划实施。

3)设计的每一个阶段都应当核对，且核对资料应存档保存。

4)安装、通电、试运行和运行的每一个阶段都应进行外观检查、机械测试和电测试，所有测试结果应存档保存。

5)所有测试使用仪器应具有有效的国家标准的计量标定证书。

6)提供的文件应作为工程永久记录的一部分。

2.2 人员
再碱化包括设计、安装、测试、通电、试运行和长期运行管理，都应在受过培训、有可靠专业知识和经验的人员的监督下进行。

2.3 设计
暴露于大气的混凝土的再碱化系统是详细设计的主体。

设计应包括以下几个方面：1)详细的计算；2)安装详图；3)详细的材料和设备清单；4)安装、测试、通电、试运行和运行管理方法的详细说明。

3.1 一般规定
在再碱化之前，对结构的评估，包括其自身状况，其结构完整性和所需要修复的性
质和程度，应根据《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344-2004)进行。

3.2 审查记录
利用图纸，规范，记录和注解确定钢筋的位置、质量、性质(如低碳钢或高强度钢，光圆或变形钢筋，镀锌，环氧涂层)和连续性以及混凝土的组成和强度。

评估光圆钢筋粘结强度降低的可能性。

3.3 检查
通过检查确定缺陷的类型、原因和程度以及结构或其周围环境的特性，这些可能会影响再碱化的应用和效果。

核查结构中需要再碱化区域的混凝土保护层剥落情况。

记录如剥落、裂缝、蜂窝或差的施工缝等缺陷，这些可能产生大量渗水，或阻碍电流，从而削弱再碱化的效果。

在先前已经修复的区域，尽可能的确定使用过的修复方法和材料。

如果修复后混凝土需要再碱化，需考虑修复材料电阻率和孔隙度。

有些退化不是由钢筋锈蚀所引起的，确定这些退化的起因。

如果结构性损伤的特征是明显的，对结构的承载力和临时或永久的加固需要进行评估。

3.4 碳化深度测量
碳化深度值测量，可采用适当的工具在选定的检测部位表面形成直径15 mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度。

孔洞中的粉末和碎屑应除净，并不得用水擦洗。

同时，应采用浓度为1%的酚酞酒精溶液在孔洞内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再用深度测量工具测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，测量不应少于3次，取其平均值。

每次读数精确至0.5 mm[2]。

混凝土碳化深度检测应符合下列要求[3]：
1)测区及测孔布置应符合下列规定：①同环境、同类构件含有测区的构件数宜为5%～10%，但不少于6个，同类构件数少于6个时，应逐个测试；②每个检测构
件应不少于3个测区，测区应布置在构件的不同侧面；③每一个测区应布置3个
测孔，呈“品”字排列，孔距应大于2倍孔径；④测区宜布置在钢筋附近；对构
件角部钢筋宜测试钢筋处两侧的碳化深度。

2)测区宜优先布置在量测保护层厚度内的测区内。

3.5 测定氯含量
1)混凝土中氯离子的含量，可按本规程附录B进行检测。

2)混凝土中氯离子含量测定应符合下列规定[3]：同环境、同类构件抽样构件应不
少于6个，同类构件数少于6个时宜逐个取样。

测定氯离子含量在混凝土内的分布时，应自表面沿深度每5～15 mm取样，且沿
深度应不少于6个。

3.6 混凝土保护层厚度和钢筋位置测量
1)混凝土保护层厚度和钢筋位置，可按本规程附录C进行检测。

2)保护层厚度检测应符合下列要求[3]：①保护层厚度可采用非破损或微破损方法
检测；当采用前者时，宜用微破损方法校准；②同类构件含有测区的构件数宜为5%～10%，且不应少于6个，同类构件数少于6个时，应逐个测试；均匀性差时，应检测构件数量；③每个检测构件的测区数不用少于3个，测区应均匀布置，每
测区测点不应少于3个；构件角部钢筋应量测两方向保护层厚度。

3)测量混凝土保护层厚度和钢筋位置是为了确定通过厚度不均匀保护层的电流和验证区域中钢筋的数量。

确定削弱再碱化效果的因素，例如钢筋的屏蔽，掺入的钢丝网、金属纤维、金属片、塑料薄片、绝缘的修复材料。

标明钢筋和阳极发生短路的区域。

3.7 碱骨料反应
1)如果将要再碱化的混凝土中包含碱活性骨料，那么在再碱化之前应该考虑发生碱骨料反应的风险。

2)评估混凝土中骨料的碱活性时，可从混凝土中取样，按《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JGJ53)检测骨料的碱活性[4]，按相关标准的规定检测混凝土中的碱含量，或参考其它国内外标准[5-6]。

3.8 钢筋的电连续性和尺寸
1)在再碱化区域内，所有作为阴极的钢筋均应具有良好的电连续性。

以避免发生杂散电流腐蚀。

在再碱化之前，应查阅该结构的所有图纸，而且通过检测钢筋之间的电阻或电位差的方法来验证其电连续性。

具体参见附录D。

对于电连续性的评估应包括下列项：①再碱化区域内的结构物各构件彼此间的电连续性；②各构件中钢筋之间的电连续性；③其它金属构件与钢筋的电连续性。

2)利用图纸和直接测量验证钢筋的尺寸。

具体方法参见《混凝土中钢筋检测技术规程》(JGJ/T152-2008)[7]。

3.9 维修
3.9.1 一般规定除了下述3.9.2和3.9.4所说明的，检测和维修的所有操作应按标准《建筑结构检测技术标准》(GB/T 50344-2004)[5]和《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)进行[8]。

3.9.2 凿除混凝土所有剥落、蜂窝混凝土和具有高电阻率(混凝土主体结构电阻率2倍以上)的修缮材料或者任何其它削弱再碱化效用的修缮材料应凿除，并使混凝土表面洁净。

混凝土表面任何可见的电线、钉子或其它金属件，有可能接触到钢筋的，都应去除或绝缘。

3.9.3 钢筋准备 1)为保证钢筋与修补材料的良好接触，裸露钢筋的表面所有疏松的腐蚀产物都应清理干净；2)钢筋表面不应使用底漆、涂层或绝缘粘结剂。

3.9.4 混凝土修复混凝土修复应使用水泥基材料，修补材料不应含有金属(包括纤维和粉末)。

在维修材料的电阻率和力学性能应与原混凝土相似，在维修表面安装阳极之前不应使用专用的养护膜。

修补材料的电阻应在本体混凝土电阻率的50%～200%的范围内。

对于大面积的修补，简易使用掺加有抗收缩功能的修补材料，但目前具有改善结合能力和收缩功能的修补材料，大多数含有聚合物，而聚合物是会增加电阻率的，因此在修补之前，应对拟用的修补材料的电阻率和力学性能进行综合评定。

不应含有任何会增加电阻率的成份，以避免增加回路中的电阻，影响电流的流入。

4.1 校准仪器
4、6和7节中指定测量所使用的仪器应具有符合国家相关标准的有效校准证书。

4.2 阳极系统
4.2.1 总则阳极系统由浸没在混凝土表面碱性电解质溶液的阳极组成。

在阳极设计寿命期间，阳极的电流密度应符合设计要求，并不应影响阳极/混凝土界面的混凝土以及阳极性能的计算。

阳极材料的设计和(或)选择应考虑可能变化的因素，如阴极电流密度、钢筋分布、混凝土电阻率等，这些因素可能导致电流需求量或阳极输出电流的变化，甚至阳极系统独立部分的过早失效。

4.2.2 阳极阳极必须能够提供和维持再碱化所需要的电流。

4.2.3 阳极区设计的阳极区应该能给钢筋提供均衡的电流密度。

通常再碱化中阳极区输出总电量一般为70～200 A·h/m2[9]。

4.2.4 碱性电解质溶液碱性电解质溶液，须能：①在阳极和钢筋之间传导电流；②给碳化混凝土提供足够的碱度，建议使用浓度为1 mol/L的碳酸钠溶液[1]。

4.3 电缆
1)所有电缆应绝缘。

2)所有电缆应能通过绝缘层颜色和区域号码识别。

使用下面的颜色代码：①阳极电缆：红色；②阴极电缆：黑色。

3)电缆应满足下列要求：①可以传送大于设计电流25%；②有足够的力学强度。

4.4 电源
1)目前外加电源仅限于50 V直流电，在最小频率100 Hz下的波动量不超过100 mVrms。

2)交流电源供应器及其布线应符合适用的国家电气安全标准要求。

3)直流电源输出应为恒定电流。

4)所有的保险丝应标明回路名称和保险丝的特性。

5)所有的电源输出端应充分的与箱内的任何金属绝缘。

这些终端须清楚标有“+阳极”和“- 阴极”。

6)该直流电源供应装置应适用于连续短路，以及适合它运作的环境。

5.1 电连续性
1)在再碱化前，应参照3.8节测试钢筋的电连续性。

2)在结构的每个单元或独立部分的典型位置应当有足够的暴露钢筋，并在选取的位置进行测试以评定钢筋混凝土电连续性的整体水平。

5.2 性能监测
1)在再碱化的每个阳极区都应有监测电源设备输出电压和输出电流的方法，以及测量钢筋/混凝土电位的方法，以监测安培计总电量。

2)在设置永久性安装的性能监测系统，以便于按照本标准第7节的规定在典型的时间间隔内对具有代表性的数据进行评定。

5.5 安装阳极系统
1)应对将要安装阳极材料(如导电涂层或水泥基覆盖层活化钛网)的混凝土表面进行处理，表面应清洁、无碎石和泥土。

2)应特别注意，以避免阳极系统与任何钢筋、辅助金属构件、绑扎钢筋的金属丝或混凝土表面任何金属之间的短路。

3)每一个再碱化区域都应提供多个与阳极连接的阳极电缆，这样即使任何一个阳极
与电缆的连接失效也不会降低该区域再碱化的效果。

5.4 电解质溶液的保护
保护电解质溶液以防止气候变化的影响(如太阳，雨，风，霜)。

5.5 电的安装
所有电的安装工程应按照适用的国家电气安全标准进行。

5.6 初步测试和记录
1)按照质量控制计划(本标准3节)，再碱化系统的测试应当包括下列内容：①所有回路的极性检查(需有明确结果)；②所有回路的电连续性的检查(所得结果需能证明回路的电阻值在电缆和组件电阻值的10%以内)[10]；③所有回路的绝缘检查，此项检查必须在阳极或钢筋连接之前进行，并且应当证实直流电极电缆与负极电缆之间是电绝缘的；④在应用电解质溶液之后，测量再碱化区域阳极/阴极电阻和电压以检测是否短路，在通电之前，应确定是正常的；⑤电力供应系统的主线和变压整流器为再碱化系统提供低压直流电，应按照国家电气安全标准对其进行电的安全测试和记录。

6.1 外观检测
在再碱化装置通电之前，装置和所有组件应进行一个全面的外观检测，以确认所有部件和电缆已正确安装，并已在适当的地方做好标记，以免遭受环境、人类和动物的破坏。

6.2 通电和调整电流输出
1)按照5.6完成初步测试和6.1外观检查后，进行通电。

2)该再碱化电流密度不得超过钢筋表面的4 A/m2。

3)提供通电最短时间为100 h。

6.3 日常检查和维修
例行检查每天至少应进行1次。

应进行下列检查和数据记录：①确认所有再碱化
区的运作情况；②确认在7.4节详细说明的电流和时间检测体系能有效的监测所有的再碱化区域；③测量再碱化区输出电压；④外观检查电缆绝缘和阳极连接情况，以确认其有效运作；⑤控制电解质溶液和供应，以确保整个碱化区被完全封装在电解质溶液里。

6.4 再碱化过程监控
在再碱化处理的每个区域使用安培计测量和记录当前通电电流和时间。

6.5 处理终止
1)当通过钢筋表面电量达到200 AH/m2时，终止再碱化处理。

通过在每个阳极区酚酞测试pH值验证其再碱化处理的效果。

在酚酞pH值测试中，通过钢筋周围粉红色的着色显示再碱化程度。

2)得到200 AH/m2电荷的钢筋表面面积，应包含所有的最靠近被处理钢筋的钢筋而且多余的电量有利于分配给其它钢筋。

3)如果碳化程度超出了最接近被处理钢筋的钢筋，在碳化区域所有的钢筋应纳入计算。

完成再碱化后应编写一份最终报告。

它应包括下列资料。

1)结构概况描述、位置和自身状况。

2)细节，相关各方的改造工程(如委托人、设计工程师、监理工程师、承包商、分包商)和各自的职责。

3)再碱化处理设计的细节，其中包括：①钢筋面积计算，以证明符合7.5要求；②一份工程详细说明，包括验收标准的定义；③图纸应注明修改情况和关键日期。

4)在再碱化之前准备工作的描述，包括表面处理，修理，钢筋电连续性测试和选择地点的具体采样等。

5)进程的监测数据：像在6.3和6.4所详细说明的那样在处理过程中每个区域的电荷、额外电流和电压进行监测。

6)结果分析，其中包括任何地方异常或变化的讨论，其后为一份再碱化效果的陈述。

7)其他有关文件。

1)如有需要，美化或防碳化涂料可以被使用于再碱化的混凝土。

2)如有需要，需安装设备，监测处理后的效用。

在现有碳化混凝土再碱化技术的研究基础上，结合理论分析与现有混凝土加固规范，完成了对碳化混凝土再碱化重新施工规程的编写。

对再碱化混凝土重新施工过程中步骤与注意事项做出了指导性的意见，推动了碳化混凝土再碱化技术的实际应用。

附录A 再碱化技术机理
再碱化是电化学反应和电渗作用等共同作用的结果，如图A。

其中的反应或作用如下[11-12]。

1)碱溶液毛细作用产生的吸附；
2)由于浓度差，碱性化合物的自然扩散；
3)电场作用下的离子迁移：阴离子向阳极迁移(如OH-)，阳离子向阴极迁移(如
Na+)；
4)电渗；
5)电极处的电解反应。

附录B 混凝土中氯离子含量测定
B.0.1适用于混凝土中氯离子含量的测定[13]。

B.0.2试样制备应符合下列要求：1)将混凝土试样破碎，剔除石子；2)将试样缩分
至30 g，研磨至全部通过0.08 mm的筛；3)用磁铁吸出试样中的金属铁屑；4)试样置烘箱中于105～110 ℃烘至恒重，取出后放入干燥器中冷却至室温。

B.0.3混凝土中氯离子含量测定所需仪器如下：1)酸度计或电位计：应具有0.1 pH 单位或10 mV的精确度；精确的实验应采用具有0.02 pH单位或2 mV精确度；
2)216型银电极；3)217型双盐桥饱和甘汞电极；4)电磁搅拌器；5)电振荡器；6)
滴定管(25 mL)；7)移液管(10 mL)。

B.0.4混凝土中氯离子含量测定所需试剂如下：1)硝酸溶液(1+3)；2)酚酞指示剂
(10 g/L)；3)硝酸银标准溶液；4)淀粉溶液。

B.0.5硝酸银标准溶液的配置：称取1.7 g硝酸银(称准至0.001 g)，用不含Bl-的
水溶液溶解后稀释至1 L，混匀，贮于棕色瓶中。

B.0.6硝酸银标准溶液按下属方法标定。

1)称取于500～600 ℃烧至恒重的氯化钠基准试剂0.6 g(称准至0.001 g)，至于
烧杯中，用不含Cl-的水溶解，移入1 000 mL容量瓶中，稀释至刻度，摇匀；
2)用移液管吸取25 mL氯化钠溶液于烧杯中，加入稀释至50 mL，加10 mL淀粉溶液(10 g/L)，以216型银电极作指示电极，217型双盐饱和甘汞电极做参比电极，用配置好的硝酸银溶液滴定，按GB/T9725-1988中6.2.2条的规定，以二级微商法确定硝酸银溶液所用体积；
3)同时进行空白试验；
4)硝酸银溶液的浓度按下式计算：
式中：C(AgNO3)为硝酸银标准溶液之物质的量浓度(mol/L)；m(NaCl)为氯化钠
的质量(g)；V1为硝酸银标准溶液之用量(mL)；V2为硝酸银标准溶液之用量(mL)。

B.0.7混凝土中氯离子含量按下述方法测定。

1)称取5 g试样(称准至0.000 1 g)，置于磨口锥形瓶中，加入250.0 mL水，密
塞后剧烈振摇3-4 min，置于电振荡器上振荡6 h，用快速定量滤纸过滤。

2)用移液管吸取50 mL滤液于烧杯中，滴加酚酞指示剂2滴，用硝酸溶液(1+3)
滴至红色刚好退去，再加10 mL淀粉溶液(10 g/L)，以216型银电极作指示电极，217型双眼桥饱和甘汞电极作参比电极，用标准硝酸银溶液滴定，并按GB/T 9725-1988中6.2.2条的规定，以二级微商法确定硝酸银溶液所用体积；
3)同时进行空白试验；
4)氯离子含量按下式计算：
式中：WCL-为混凝土中氯离子之质量百分数；C(AgNO3)为硝酸银标准溶液之物质的量浓度(mol/L)；
V1为硝酸银标准溶液之用量(mL)；V2为硝酸银标准溶液之用量(mL)；0.035 45
为氯离子的毫摩尔质量(g/mol)；ms为混凝土试样的质量(g)。

附录C 混凝土保护层厚度和钢筋位置检测[7,13]
C.0.1本节所规定检测方法不适用于含有铁磁性物质的混凝土检测。

C.0.2应根据钢筋设计资料，确定检测区有内钢筋可能分布的状况，选择适当的检测面。

检测面应清洁、平整，并应避开金属预埋件。

C.0.3对于具有饰面层的结构和构件，应清除饰面层后在混凝土面上进行检测。

C.0.4钢筋位置和保护层厚度，宜采用非破损的雷达法或电磁感应法进行检测，必要时可凿开混凝土进行钢筋直径或保护层厚度验证。

钻孔、剔凿时，不得损坏钢筋，实测应采用游标卡尺，量测精度应为0.1 mm。

C.0.5钢筋的混凝土保护层厚度平均检测值应按下式计算：
式中为第i测点混凝土保护层厚度平均检测值，精确至1 mm；为第1、2次检测
的混凝土保护层厚度检测值，精确至1 mm；cc为混凝土保护层厚度修正值，为
同一规格钢筋的混凝土保护层厚度实测验证值减去检测值，精确至0.1 mm；c0
为探头垫块厚度，精确至0.1 mm；不加垫块时c0=0。

附录D 钢筋电连续性检测方法
D.0.1电连续性测量有直流电阻法、交流电阻法和半电池电位法3种，最为常用的是直流电阻法[6]。

D.0.2直流电阻法是在需要检测的不同构件或不同钢筋位置打开混凝土，找出钢筋，用导线引至高电阻石子万用表(≥10 MΩ)，测量其直流电阻，然后颠倒万用表表笔再测量一次。

如果测量值稳定，并且电阻值小于1 Ω，则表明钢筋具有电连续性
[12]。

D.0.3电流电阻法的测量方法与直流电阻法类似，确认电连续性的最大允许交流电阻取决于钢筋的环境，尚没有一个规定的值。

要注意的是在钢筋间可能会存在电容，交流电能够通过电容发生短路，因此交流电阻法也可能会对电连续性的测量结果产生错误的判断。

D.0.4半电池电位法是用参比电极测量钢筋的电位法，EN12696：2000规定：如果测量值稳定，且电位差小于1 mV，钢筋是电连续的。

由于影响混凝土中钢筋电位的因素很多，很难用半电池电位法检测钢筋的电连续性。

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