CN112780076B

CN112780076B - 一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法及装置

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Publication number: CN112780076B
Application number: CN201911065486.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋林华; 陈赟杰; 严先萃; 朱鹏飞; 查捷; 宋子健
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN112780076A

Abstract

本发明提供了一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法及装置，涉及混凝土电化学修复技术领域，电化学脱盐方法包括：S1、构建电化学反应体系；S2、对电解液加热5～15min后，直流电源通电；S3、对电解液加热50～70min后，转为对电解液制冷，且电化学反应50～70min后，直流电源断电；S4、电解液制冷20～40min后，恢复加热，且直流电源断电20～40min后，恢复通电；S5、重复步骤S2～S4，直至完成脱盐过程。本发明利用通断电的电压产生的潮汐力，加速氯离子迁移；且在通电之前加热以降低氯离子结合能力，在断电之前，降低温度，使得迁移到电解液内的自由氯离子更易结合固化；间歇加热和延后的间歇通电协同作用加速氯离子的迁移速率，提高氯离子的去除效率。

Description

一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法及装置

技术领域

本发明涉及混凝土电化学修复技术领域，具体地，涉及一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法及装置。

背景技术

混凝土材料本身脆性较大，抗拉和抗弯能力差，需配筋强化。钢筋混凝土结合了钢筋与混凝土的诸多优点，具有良好的结构性能和耐久性被广泛用于土木工程中。但在钢筋混凝土结构服役过程中，由于外界环境侵蚀引起的钢筋锈蚀是最常见的破坏形式。其中，氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀是破坏钢筋混凝土结构的主要元凶。外部氯离子通过扩散渗透、吸附或者毛细作用及电化学迁移等共同作用，进入混凝土结构内部，到达钢筋表面，使局部pH值迅速降低，从而破坏钢筋表面钝化膜，发生去钝化现象，并形成电化学腐蚀效应，大大加速了钢筋锈蚀速率。钢筋发生锈蚀后，一方面会减小钢筋有效横截面积，致使钢筋混凝土结构承载力减小和钢筋握裹力下降；另一方面，钢筋体积剧烈膨胀，挤压导致混凝土由内部开裂与剥落，从而造成结构的整体性破坏。每年因氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀而造成的钢筋混凝土结构劣化，导致了巨大的经济损失。

对已遭受氯离子侵蚀的混凝土结构，目前普遍采用电化学脱盐修复方法。电化学脱盐是一种简单、长效的钢筋修复技术。通过对钢筋施加负电压的方式，促使钢筋表面氯离子向外迁移，降低混凝土内氯离子浓度，恢复钢筋钝化，达到延长混凝土结构耐久性的目的；其具有施工期凿除量少，能对构件实施全面的修复，修复后使用年限较长等特点。但电化学修复效率不足会延长结构修复工期，妨碍工程结构的正常使用；另一方面，传统的电化学脱盐修复方法一般通过增大通电电流密度和电压等参数来提升修复效率，而过大的电流密度和电压会导致钢筋氢脆、钢筋-混凝土黏结性能下降等不良影响。

中国专利号CN201611199386.9公开了一种提升电化学修复混凝土效率的装置及方法，以电解质溶液温度作为控制参数，简单、方便；实时监测混凝土内部温度，可以确保整个脱盐过程都在控制温度内进行。另有中国专利号CN201010581820.6公开一种碳化钢筋混凝土结构辅以缓蚀剂的电化学再碱化修复技术，首先将碳化混凝土中钢筋作为阴极连接直流电源负极，在混凝土外裹惰性阳极与直流电源正极连接；向阳极的海绵中浇注含有阳离子型缓蚀剂的碱性电解液，控制电流密度为1～4A/cm²，总电量在200～400Ah之间，再碱化时间一般控制在2～4周，并将电解液进行循环再利用，混凝土中钢筋在再碱化修复结束后，可使钢筋进入稳定状态。但上述装置和方法都是采用连续通电的方式，增大了电能的消耗，其次，当脱盐达到一定时间后，进入电解液的氯离子易受浓度梯度的影响返回混凝土深处，导致电化学脱盐效率较低；再者，尽管钢筋周围的混凝土在再碱化后碱性提高，但再碱化过程使得钢筋表面处于高度活性状态，钢筋进入再钝化的可能性降低。因此，电化学脱盐急需一种更高效的方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法及装置，使得电化学脱盐效率得到较大提升。

本发明的目的一在于提供一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，通过间歇加热和延后的间歇通电方式，协同加速氯离子的迁移速率，提高氯离子的去除效率。

一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，包括如下步骤：

S1、以混凝土试件内的钢筋作为阴极，构建包含阳极、电解液和直流电源供电的电化学反应体系；

S2、对电解液加热5～15min后，直流电源通电，进行电化学反应；

S3、对电解液加热50～70min后，转为对电解液制冷，且电化学反应50～70min后，直流电源断电；

S4、电解液制冷20～40min后，恢复加热，且直流电源断电20～40min后，恢复通电；

S5、重复步骤S2～S4，直至完成脱盐过程。

采用上述的方案：间歇通电的方式，利用间断性电源通电的电压产生的潮汐力，加速氯离子的迁移速率。考虑到温度对混凝土中氯离子结合能力的影响，温度较高时，微观粒子运动活跃，氯离子结合能力减弱；因此，在给电化学反应体系通电前，对电解液和混凝土试件进行加热，以降低氯离子结合能力，使得结合氯离子更易转化为自由氯离子发生迁移；然后对电化学反应体系通电，在外加电场的作用下，混凝土内钢筋附近的氯离子等向正极流动，进入电解液中，电解液及混凝土中的阳离子向钢筋周围聚集，提高钢筋周围pH值，氯离子的排出和钢筋周围pH值的提高有利于钢筋恢复钝化状态；通电中止即断电之前，对反应体系制冷以降低电解液温度，使得迁移到电解液内的自由氯离子更易结合固化，防止其受浓度梯度压力的影响返回混凝土深处。因此，通过间歇加热和延后的间歇通电方式，可加速氯离子的迁移速率，提高氯离子的去除效率。

进一步的，所述混凝土试件内还通入有脱盐加速剂，所述脱盐加速剂水溶液浓度为0.1～0.3mol/L。

进一步的，所述脱盐加速剂为Na₂HPO₄、Na₃PO₄、K₂HPO₄、K₃PO₄中的一种或多种。

采用上述的方案：混凝土中大量氯离子与水泥组分发生了物理或化学结合，以电迁移方式将脱盐加速剂扩散至混凝土内部，由于HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-较氯离子可优先与混凝土内的水化组分结合，因而脱盐加速剂可以促进已结合的氯离子释出，减小氯离子的化学结合能力，进一步加快氯离子的电迁移，从而达到更高效脱盐的目的。电化学脱盐结束，混凝土内部环境稳定后，钢筋表面的HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-可与混凝土内的Ga²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺等离子形成磷酸钙、磷酸铁、磷酸亚铁等沉淀，促使钢筋表面重新形成表面钝化膜，为后续氯离子二次侵蚀形成保护作用，防止进一步锈蚀。

进一步的，所述直流电源电压为20V，施加的电流密度以混凝土中钢筋网的总表面积计为2A/m²。

进一步的，所述电解液加热至45～55℃时，维持恒定。

进一步的，所述电解液制冷至15～25℃时，维持恒定。

进一步的，所述阳极为钛丝网。

进一步的，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

进一步的，所述脱盐过程持续总时间为10～15d。

本发明的目的二在于提供一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置。

一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置，包括混凝土试件、阳极、盛有电解液的电解槽以及直流电源，所述直流电源正极通过阳极引线电连接所述阳极，所述直流电源负极通过阴极引线电连接所述混凝土试件内的钢筋，所述电解液与所述混凝土试件表面接触，所述阳极平行于钢筋长轴并浸于所述电解液中，所述电解液中还设置有温控装置。

进一步的，所述混凝土试件位于所述钢筋处预埋有PVC管，所述PVC管上间隔均布有若干个通孔，用以加入脱盐加速剂。

进一步的，所述PVC管上每间隔5cm其环形周面上均布有若干个通孔。

进一步地，所述PVC管直径为1cm。

本发明所达到的有益技术效果：

1、通过间歇加热和延后的间歇通电方式，一方面利用通断电的电压产生的潮汐力，加速氯离子的迁移速率；另一方面，在通电之前通过加热降低氯离子结合能力，提高自由氯离子的比例，在断电之前，降低温度，使得迁移到电解液内的自由氯离子更易结合固化，防止其受浓度梯度压力的影响返回混凝土深处；从而协同作用加速氯离子的迁移速率，提高氯离子的去除效率。

2、加入脱盐加速剂，促进已结合的氯离子释出，进一步加快氯离子的电迁移，达到更高效脱盐的目的。且在电化学脱盐结束，脱盐加速剂可促使钢筋表面重新形成表面钝化膜，为后续氯离子二次侵蚀形成保护作用，防止进一步锈蚀。

3、通过电化学迁移的方式，将脱盐加速剂扩散至混凝土内部，加速了脱盐加速剂进入混凝土内部的速度，保证在预期时间内进入混凝土内部的脱盐加速剂的有效剂量，能够更好的起到脱盐作用。

4、电化学反应体系在不断的间歇通电过程中，且断电的时间又足够长，相比于连续的直流通电，能够在保证电化学脱盐效率的基础上最大限度的节省电能。

附图说明

图1本发明的基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置的结构示意图；

图中，1、混凝土试件；2、防水胶；3、电解槽；4、电解液；5、钢筋；6、阳极；7、直流电源；8、PVC管；9、温控装置；10、加热管；11、制冷管。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，包括电化学反应体系，所述电化学反应体系采用间歇通电和间歇加热方式，所述间歇通电周期比间歇加热周期延迟5～15min；所述间歇通电周期为：通电50～70min，断电20～40min；所述间歇加热周期为：加热50～70min，制冷20～40min。具体包括如下步骤：

S1、以混凝土试件内的钢筋作为阴极，构建包含阳极、电解液和直流电源供电的电化学反应体系，所述电化学反应体系如图1所示；所述阳极优选使用钛丝网，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

S2、对电解液加热5～15min后，直流电源通电，进行电化学反应；所述电解液加热至45～55℃时维持恒定；所述直流电源电压为20V，施加的电流密度以混凝土中钢筋网的总表面积计为2A/m²；

S3、对电解液加热50～70min后，转为对电解液制冷，所述电解液制冷至15～25℃时维持恒定，且电化学反应50～70min后，直流电源断电；

S5、重复步骤S2～S4，直至完成脱盐过程，所述脱盐过程持续总时间为10～15d。

进一步优选的，所述混凝土试件内还通入有脱盐加速剂，所述脱盐加速剂水溶液浓度为0.1～0.3mol/L，所述脱盐加速剂为Na₂HPO₄、Na₃PO₄、K₂HPO₄、K₃PO₄中的一种或多种。本领域的技术人员应该知道，上述脱盐加速剂均可产生HPO₄ ^2-、PO₄ ^3-等阴离子，且经实验发现，当脱盐加速剂在上述范围内选择时，对脱盐效率影响不大，因此后续实施例中，未经特殊说明，均采用Na₂HPO₄作为脱盐加速剂。

实施例1基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置

一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置，参见图1，包括混凝土试件1、阳极6、盛有电解液4的电解槽3以及直流电源7，所述直流电源7正极通过阳极引线电连接所述阳极6，所述直流电源7负极通过阴极引线电连接所述混凝土试件1内的钢筋5，以在通电后形成电流回路，所述电解液4与所述混凝土试件1表面接触，所述阳极6平行于混凝土面并浸于所述电解液4中，为了防止电解液4溢出，所述电解槽3边缘与所述混凝土试件1相接处设有防水胶2密封，所述电解液4中还设置有温控装置9，所述温控装置9具有加热和制冷功能，用于间歇调控电解液4和混凝土试件1的温度，所述温控装置9可以采用市面常见销售的加热制冷装置实现，本发明不再赘述。进一步优选的，所述混凝土试件1位于所述钢筋5处预埋有PVC管8，所述PVC管8直径为1cm，且所述PVC管8上每间隔5cm其环形周面上均布有若干个通孔，用以加入脱盐加速剂。

使用时，将电解槽3置于混凝土试件1周围，电解槽3内置入电解液4，使得电解液4的高度高于混凝土试件1待修复表面高度，在混凝土上钻孔，预埋开好孔的PVC管8，然后将阴极引线与混凝土内部的钢筋5连接，阳极引线与阳极6连接，并将阳极6放于在电解液4中，阳极引线和阴极引线均与电源进行连接，通电后形成通路，在电场作用***离子会向电场的正极方向进行迁移，在电极处发生电化学反应，氯离子等有害阴离子会向混凝土外部迁移，且阴极钢筋5处的电极反应使得混凝土的碱性增大，利于钢筋5的恢复。

实施例2基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法

S1、以混凝土试件内的钢筋作为阴极，构建包含阳极、电解液和直流电源供电的电化学反应体系，所述阳极优选使用钛丝网，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液，同时向所述混凝土试件内通入0.2mol/L脱盐加速剂，所述脱盐加速剂为Na₂HPO₄；

S2、对电解液加热10min后，直流电源通电，进行电化学反应；所述电解液加热至50℃时维持恒定；所述直流电源电压为20V，施加的电流密度以混凝土中钢筋网的总表面积计为2A/m²；

S3、对电解液加热60min后，转为对电解液制冷，所述电解液制冷至20℃时维持恒定，且电化学反应60min后，直流电源断电；

S4、电解液制冷30min后，恢复加热，且直流电源断电30min后，恢复通电；

S5、重复步骤S2～S4，直至完成脱盐过程，所述脱盐过程持续总时间为10d。

实施例3电解液间歇加热、直流电源间歇通电周期的优化

将待脱盐的混凝土试件分为5组，分别在不同的间歇加热、通电周期条件下进行电化学脱盐实验，所述间歇通电周期比间歇加热周期延迟10min；其余实验条件同实施例2，以脱盐效率予以评价；

组A：所述间歇加热、通电周期为：加热及通电40min，制冷及断电20min；

组B：所述间歇加热、通电周期为：加热及通电50min，制冷及断电25min；

组C：所述间歇加热、通电周期为：加热及通电60min，制冷及断电30min；

组D：所述间歇加热、通电周期为：加热及通电70min，制冷及断电35min。

组E：所述间歇加热、通电周期为：加热及通电80min，制冷及断电40min。

表1不同间歇加热、通电周期条件下脱盐效率结果

由表1可知，电解液间歇加热、直流电源间歇通电周期为加热及通电50～70min，制冷及断电25～35min时，脱盐效率提升明显，为适宜选用范围；最佳条件为加热及通电60min，制冷及断电30min。

实施例4电解液加热温度的优化

将待脱盐的混凝土试件分为7组，分别在不同的加热制冷温度条件下进行电化学脱盐实验，其余实验条件同实施例2，以脱盐效率予以评价；

加热制冷温度A：加热至40℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定；

加热制冷温度B：加热至45℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定；

加热制冷温度C：加热至50℃时维持恒定，制冷至15℃时维持恒定；

加热制冷温度D：加热至50℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定；

加热制冷温度E：加热至50℃时维持恒定，制冷至25℃时维持恒定；

加热制冷温度F：加热至55℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定；

加热制冷温度G：加热至60℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定；

表2不同加热制冷温度条件下脱盐效率结果

由表2可知，加热温度在45～55℃时，脱盐率有明显提升，为适宜选用范围；制冷温度对脱盐率的影响较小，15～25℃为适宜范围。其中，加热至50℃时维持恒定，制冷至20℃时维持恒定为最佳控制温度。

对比例1

空白对照，混凝土试件不经过电化学脱盐处理。

对比例2

对比例2的混凝土试件在常温条件、直流电源连续供电的情况下进行电化学脱盐处理，即对比例2的电化学脱盐处理方法为：直流电源供电，电压为25V，持续10天后脱盐结束。

对比例3

对比例3相比于对比例2，在脱盐处理过程中加入脱盐加速剂，所述脱盐加速剂为0.2mol/L Na₂HPO₄溶液。

对比例4

对比例4相比于对比例3，在常温条件、直流电源间歇供电的情况下进行电化学脱盐处理，所述直流电源间歇供电周期为：电源供电60min，中止供电；中止供电30min后，恢复供电。

应用例性能表征

以实施例2和对比例1～4的方法为例进行脱盐处理。采用的混凝土试件的配合比为：水：水泥：砂：石＝0.44：1：1.42：3.17，拌和时掺入水泥质量5％的氯化钠。所用钢筋直径为14mm。混凝土试件尺寸为100mm×100mm×100mm。

脱盐结束后，沿混凝土试件的氯离子迁移方向中心线每隔10mm钻孔取粉，过筛得粒径0.315～0.63mm粉末若干，于40℃鼓风干燥箱中干燥24小时。将各例粉末称取20g分别置于100mL塑料瓶，加入15％稀硝酸溶液，密封、摇匀、静置。静置24小时后，将溶液滤出，取10mL以0.05mol/L硝酸银溶液进行电位滴定，得所耗体积V(mL)。以对比例1所得硝酸银消耗体积Vr时，电化学脱盐率R＝0，所得结果如表3所示。

电化学脱盐率计算公式为：

表3不同电化学脱盐方法对电化学脱盐率的影响

由表3可知，实施例2的方法，即加入脱盐加速剂，采用直流电源间歇通电以及温度变化控制，对提高电化学脱盐率均有明显的积极影响，可据此判断本发明方法有效。此外，本发明操作简单，成本低廉，具有一定的实用价值。对比例3相比于对比例2，输入脱盐加速剂，可为促进钢筋表明形成钝化膜，具有后续的钢筋阻锈效果，但采用直流电源连续供电，氯离子迁移速率较低，脱盐效率提升不明显，对比例4相比于对比例3，采用直流电源间歇供电，同样的脱盐效率提升不明显；由此可见，只有直流电源间歇通电与加热周期协同配合，才能明显加速氯离子的迁移速率，提高氯离子的去除效率。

Claims

1.一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，包括如下步骤：

S5、重复步骤S2～S4，直至完成脱盐过程。

2.如权利要求1所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述混凝土试件内还通入有脱盐加速剂，所述脱盐加速剂水溶液浓度为0.1～0.3mol/L。

3.如权利要求2所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述脱盐加速剂为Na₂HPO₄、Na₃PO₄、K₂HPO₄、K₃PO₄中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述直流电源电压为20V，施加的电流密度以混凝土中钢筋网的总表面积计为2A/m² 。

5.如权利要求1所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述电解液加热至45～55℃时维持恒定。

6.如权利要求1所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述电解液制冷至15～25℃时，维持恒定。

7.如权利要求1～6任一项所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述阳极为钛丝网，所述电解液为饱和Ca(OH)₂溶液。

8.如权利要求1～6任一项所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐方法，其特征在于，所述脱盐过程持续总时间为10～15d。

9.一种基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置，其特征在于，所述装置应用于权利要求1~8任一项所述的高效率电化学脱盐方法中，包括：混凝土试件、阳极、盛有电解液的电解槽以及直流电源，所述直流电源正极通过阳极引线电连接所述阳极，所述直流电源负极通过阴极引线电连接所述混凝土试件内的钢筋，所述电解液与所述混凝土试件表面接触，所述阳极平行于钢筋长轴并浸于所述电解液中，所述电解液中还设置有温控装置，所述温控装置具有加热和制冷功能。

10.如权利要求9所述的基于间歇通电的高效率电化学脱盐装置，其特征在于，所述混凝土试件位于所述钢筋处预埋有PVC管，所述PVC管上间隔均布有若干个通孔。