电化学修复过程中钢筋氢脆的研究进展

谭明利

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

摘要：电化学修复技术能有效去除氯离子使钢筋再钝化，提升结构的性能。本文在介绍电化学修复技术产生钢筋氢脆的原理的基础上，重点介绍了国内外电化学参数对钢筋氢脆的研究进展。

关键词：电化学修复；钢筋氢脆；电化学参数

引言

大量修建的钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是钢筋混土结构达不到耐久性能的主要原因^[1,2]。而氯离子的侵入则是引起钢筋锈蚀的主要因素之一^[3]。针对氯离子侵入导致钢筋锈蚀的问题，传统的修补方法是将混凝土凿除，对钢筋进行除锈，再使用混凝土进行修补，因此传统的方法有许多的缺点导致钢筋锈蚀问题的处理不完善。

电化学修复技术以其经济效益高，除锈简便，且不妨碍工程结构的使用性的特点，迅速在各国使用。本文结合国内外的研究进展，从电化学原理导致氢脆现象的产生，以及对钢筋氢脆的研究进展进行主要分析。

1电化学修复基本原理

电化学学修复是在钢筋外敷设电解液或者在混凝土中渗透碱性电解液作为电解质材料，并将活性金属网铺设在保护层外表面，中间接通适当的直流电源组成电化学结构。

电化学修复技术是将钢筋作为阴极，用不锈钢网或者是钛金属网作为阳极，电解质溶液可以使用饱和Na₂CO₃溶液，在钢筋的阴极会发生还原反应，氧气先与水融合发生还原反应产生大量的氢氧根离子，使得钢筋处于碱性环境之中。当氧气消耗完了之后，水会分解出氢氧根离子和氢气，这是钢筋所在阴极发生的反应。阳极氢氧根离子将被消耗，水也会分解产生氢离子，原本使钢筋锈蚀的氯离子会因为外接电源迁移至阳极发生反应生成氯气，因此电化学修复技术可有效的减少钢筋的氢离子。

电化学修复技术可有效将钢筋附近的氯离子减少，并且在钢筋附近产生碱性溶液使得钢筋再钝化，在不影响使用的情况下修复钢筋，延长钢筋混凝土结构的寿命。但同时由于混凝土中成分不明确，导致电化学修复产生了负面的影响。在对预应力钢筋的进行电化学修复的过程中，当氢气的浓度达到一定值时钢筋将发生脆性断裂，其延性降低。

而国内外相关研究表明，钢筋的延性与电化学修复的电流密度有关，在电流密度达到一定值时，钢筋会发生氢脆现象，产生脆性破坏。钢筋氢脆现象是指金属在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中，或在含氢介质中长期使用，材料由于对氢的吸收导致性能退化，称为氢脆现象。

2钢筋氢脆的控制因素

钢筋氢脆现象是对钢筋的影响，导致其延性降低脆性破坏。钢筋脆断作为限制电化学发展的主要因素，在研究国内外钢筋脆断的基础上，重点介绍钢筋脆断的关键控制因素。

2.1电化学参数

电化学参数是指电流密度及通电时间对钢筋氢断的影响。国内外学者研究过是否可以通过控制电化学参数来控制氢脆现象，于忠伟等^[4]通过实验研究配筋率、通电时间对氢断效应的影响，在一定范围内，没有金属护套的先张预应力混凝土结构没有产生氢断效应，但具体的电化学参数范围没有明确指示。郑靓等^[5]通过实验表明当电流密度为0.37A/m²的时候，析氢反应才开始发生。李腾等^[6]采用动电位极化测定方法，获得钢筋极化曲线之后，确定了钢筋的临界析氢电位及对应的电流密度，进而通过稳态测量方法获得钢筋析氢稳态临界电流密度，以此来判断钢筋催化的可能性。

金伟良等^[7]通过实验发现，氢浓度达到临界值时，经力学和物理方法测定钢筋的塑性降低，钢筋产生裂纹而导致氢脆，由实验结果分析系，氢致塑性降低与电流密度和应力水平相关，推测可以通过合适的电流密度控制钢筋氢脆。焦明远等^[8]从孔隙率会对氢脆反应产生影响，而水灰比是影响孔隙率的重要因素，测定了不同水灰比下析氢电流密度的大小。结果是水灰比越大，析氢电流密度越小，析氢反应就越容易发生。张军等^[9]结合氯离子含量梯度和弱极化曲线对比分析电化学修复之后，钢筋混凝土的耐腐蚀能力，承载力等性能，发现电化学参数较小时对钢筋混凝土结构不产生影响，通电量大时，其延性显著退化，应综合考虑电化学参数对耐久性的提升及削弱。

2.2产生机理

电化学修复导致在钢筋阴极产生氢气，析氢反应致使钢筋塑性降低，但钢筋析氢具体机理与对电化学参数影响研究相比而言较少。

龙江兴^[10]对双向电迁和电化学除氯后的钢筋进行拉伸试验，发现钢筋疲劳裂纹的门槛值减少，塑性性能退化，疲劳寿命降低。电化学除氯后疲劳的裂纹最先出现于钢中白点，裂纹扩展区疲劳的裂纹间距增大，顺断区的韧窝变小，双向电迁的影响则较小。

3结论与展望

3.1结论

1) 电化学修复技术会在钢筋端产生氢气，造成氢断现象，使得钢筋塑性降低，发生脆性破坏。预应力钢筋对氢原子更敏感，在钢筋的破损处氢原子集结造成钢筋损坏。

2) 电化学参数对钢筋氢断有很大的影响，通过对临界析氢电流密度的测定可以判断析氢反应发生的可能性。电流密度与氢含量密切相关，而不同水灰比的混凝土析氢电流密度不同。

3.2展望

1) 氢致断裂是影响电化学修复的主要因素，对其机理的了解更能透彻的解决氢致断裂问题。

2) 探索代替H⁺的物质，可能减少或避免氢脆的发生。

3) 不同的水灰比的析氢电流密度大小不一致，对氢断现象的具体影响因素还有待研究。

参考文献

1. 金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性[M]. 北京: 科学出版社, 2002. 1

2. 姬永升, 袁迎曙, 戴靠山. 氯离子诱发钢筋混凝土结构局部修补的电化学不相容机理分析[J]. 混凝土, 2004, (8): 11

3. 陈建伟. 电化学脱盐法对钢筋混凝土材料特性影响与机理研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008.

4. 干伟忠, 王纪跃. 电化学排除钢筋混凝土结构氯盐污染的试验研究[J]. 中国公路学报, 2003, 16(3): 44-47.

5. 郑靓, 韦江雄, 余其俊等. 电化学除盐过程中钢筋表面发生的电极反应[J]. 硅酸盐学报, 2009, 37: 1190

6. 李腾, 金伟良, 许晨等. 电化学修复过程中钢筋析氢稳态临界电流密度测定试验方法[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2017, 37(4): 383-388)

7. 金伟良, 伍茜西, 毛江鸿等. 电化学修复过程中氢致钢筋塑性降低的影响与控制实验研究[J]. 海洋工程, 2017, 35(5): 89-94)

8. 焦明远, 金伟良, 毛江鸿等. 电化学修复过程混凝土内环境对钢筋表面析氢影响的实验研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2018, 38(5): 464-470)

9. 张军, 金伟良, 毛江鸿等. 混凝土梁电化学修复后的耐久性能及力学特征[J]. 哈尔并工业大学学报, 2020, 52(8): (73-80)

10. 龙江应, 金伟良, 张军等. 电化学修复后钢筋疲劳性能试验研究[J]. 浙江大学学报, 2020, 51(1): (65-72)

作者简介：谭明利（1997.05.01 ），男，土家族，重庆秀山人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁工程

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