电化学再碱化技术在近现代建筑修复中的应用——以宁波茅山中学为例

邢 军,童芸芸,叶 良

(1.浙江华展工程设计有限公司,浙江 宁波 315100；2.浙江科技学院,浙江 杭州 310023)

1 电化学再碱化修复技术介绍

传统的修复技术是材料替换,而电化学再碱化技术始于20世纪70年代末,作为一项新兴技术,已经在美国和欧洲有越来越广泛的应用[1]。国内近十几年来也有一些再碱化技术的研究,屈文俊和蒋正武等[2-4]都通过实验证明了电化学再碱化技术在修复碳化混凝土结构上的有效性,并且对该技术有可能引起的副作用作了进一步的研究。碳化混凝土再碱化是由阴极钢筋处电化学反应所致。混凝土中,在电位的作用下,阴极反应产物OH-由钢筋向混凝土表面迁移,阳离子(Na+,K+和Ca2+)由阳极向阴极迁移。阴极钢筋处产生的OH-除迁移一部分外,还有一部分OH-滞留在钢筋周围的混凝土,使得钢筋周围碳化混凝土pH值升高,达到再碱化的目的[5]。

钢筋腐蚀是一个电化学过程,电化学再碱化处理理论上是一种贴切的、有效的修复方法。同时,再碱化技术修复成本低,施工简单,对原结构无损伤,耐久性好,环境友好。较传统的材料填充技术有明显的经济效益和社会效益,特别适用于大面积碳化混凝土结构或需要保护的历史文物的修复。再碱化技术的工程应用研究有助于解决浙江省钢筋混凝土类历史建筑文物建筑的碳化腐蚀破坏问题,提高浙江省文化遗产保护水平,推动文化遗产保护和可持续发展,具有极其重要的意义。

目前,电化学再碱化技术在国外已经有大量工程应用经验,但国内还没有大面积推广。因此,开展茅山中学再碱化修复工程为累积相应的工程经验起着极为重要的作用。

2 工程概况

县立乡村简易师范学校(现名茅山中学)是宁波市鄞州区区级文物保护点(图 1),位于宁波市鄞州区姜山镇茅山村。茅山中学办公楼建于20世纪早期,是一座欧式2层小楼,系鄞州现存的最早教育用房,也是创办于1931年的鄞县乡村师范学校旧址。解放后,于1951年8月建立鄞县初级师范,1956年创办初中,定名为鄞县第六初级中学。1961年又更名为茅山中学,沿用至今。自创办后至今的八十几年间,该办公楼的房屋建筑结构存在一定的老化现象。2011年7月和2015年8月,上海房屋质量检测站和浙江中浩应用工程技术研究院有限公司先后两次对上述房屋进行安全检测。经完损检测,房屋建筑结构老化,主要存在混凝土构件碳化、部分混凝土构件表面酥松、剥落、钢筋锈蚀；墙体松散、酥碱、开裂,砂浆流失；楼屋面下垂,板面角部裂缝；屋面栏杆破损、晃动；走廊栏板剥落破损；屋面及外墙严重渗漏水；地面起伏不平,走廊经根系而局部隆起破坏；内粉刷多处霉变脱落；门窗槽朽、损坏等现象。本次实施再碱化的对象为：茅山中学1层和2层外廊处共16根高4 000 mm和16根高3 600 mm,截面尺寸均为250 mm×300 mm的柱子；28根长4 000 mm和2根长5 050 mm,截面尺寸均为270 mm×480 mm的横梁。

图1 宁波市鄞州区县立乡村简易师范学校

3 病害检测与分析

3.1 混凝土检测

现场对外廊柱和梁的碳化深度进行抽样取芯检测,并用酚酞试剂对其进行显色反应,若呈红色则没碳化,若不显色则发生碳化。碳化深度结果显示,碳化深度大于60 mm,已远超过保护层厚度,混凝土碳化比较严重。

混凝土抗压强度检测：为确定混凝土的抗压强度,采用α-5000cn型数字回弹仪,根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程(JGJ/T 23—2011)》进行混凝土强度现场抽样检测。检测结果表明：混凝土抗压强度推定值介于19.1～25.6 MPa。

3.2 钢筋锈蚀程度检测

本次使用Canin钢筋腐蚀检测仪被用于现场外廊柱和梁的钢筋锈蚀程度抽样检测。 Canin钢筋腐蚀检测仪采用硫酸铜参比电极,其相对标准氢电极(SHE)的开路电位是316 mV。根据ASTM C876-91经验值,由钢筋的电势电位大小可初步判定钢筋的腐蚀概率,见表1。测得的钢筋电位负值越大,钢筋的腐蚀概率越大,腐蚀程度也越大。经检测,外廊柱和梁内钢筋的腐蚀情况参差不齐,钢筋腐蚀电位在-100～-700 mV之间,部分混凝土构件内钢筋的腐蚀情况不太严重,部分非常严重,但是大部分钢筋腐蚀电位在-250～-350 mV,腐蚀情况比较严重。

表1 钢筋自然腐蚀电位与腐蚀概率的关系

4 电化学再碱化修复施工

鄞州区县立乡村简易师范学校电化学再碱化修复处理于2016年8月8日开始,预期施工工期为70 d,实际施工过程中,项目组通过新增材料设备和施工人员的方式,将工期缩短为40 d。施工的对象为1层16根外廊柱,截面尺寸为250 mm×300 mm,高4.0 m；2层16根外廊柱,截面尺寸为250 mm×300 mm,高3.6 m；1层14根长4.0 m外廊梁,1根长5.05 m外廊梁(东区和西区连接梁),截面尺寸为270 mm×480 mm。施工的主要过程包括：施工前材料及设备购买，工地开工准备，构件施工前准备处理，钢丝网剪割，配置碱性电解质液和纸浆，包裹再碱化处理装置，通电，定时记录数据，按需浇淋电解质液，拆除再碱化处理装置和清洗钢筋混凝土表面。

4.1 构件处理

施工前,清理所有钢筋混凝土构件的表面,探测钢筋位置,每根柱子的下端和梁四分之一跨处利用冲击钻凿开混凝土保护层,直至钢筋外露,目的是用于钢筋腐蚀电位测试和再碱化修复施工连接直流稳压电源。每根柱和梁保证有一根钢筋外露。见图2。

4.2 钢丝网剪割

准备好待修复的柱和梁构件后,根据柱和梁的实际尺寸(实际上构件尺寸与理论标准值可能有轻微的偏差),切割相应尺寸的钢丝网,要求钢丝网能够紧致地包裹柱或梁构件,并留有一定的便于贴敷电解质纸浆的空间。见图3。

4.3 配置碱性电解质液和纸浆

配置足够浓度的碱性碳酸钾溶液,并利用纸浆充分吸收电解质溶液,直至得到厚实均匀的电解质纸浆。见图4。

图3 钢丝网剪割 图4 电解质纸浆搅拌

4.4 包裹再碱化处理装置

电化学再碱化装置铺设包括三个步骤：首先在柱和梁表面均匀地贴敷20 mm厚度的电解质纸浆,然后在柱和梁构件表面绑扎钢丝网,最后在钢丝网表面再贴敷一层20 mm厚度的电解质纸浆。柱头花式部分不包裹电解质纸浆。整个过程需要细心检查电解质纸浆及钢丝网的紧密性,以保证电化学装置完全包裹待处理钢筋混凝土构件。见图5。

图5 再碱化处理装置铺设

4.5 通电

根据欧洲相关技术规范建议的电流密度和总电量：钢筋表面单位面积(m2)上通过的电流应为1 A,总电量应为200 A·h,处理的时间相为200 A·h/1A= 200 h,即每根柱和梁的修复时间为8.5 d左右。现场技术人员依据实际电化学装置覆盖钢筋表面积尺寸,计算每根梁和柱的直流电大小,钢丝网连接电源正极,钢筋连接电源负极,确保电线的正确连接后,通电。通电后关注每根柱和梁所通的直流电是否保持设计值不变,并记录电压值。一般来说,混凝土的湿润性越好,电阻越小,电压值就越小。

4.6 施工后养护与数据采集

整个施工过程中,每天一次记录各个构件的电流值和电压值,以确保通电正常,整个修复过程完全遵循施工设计值。同时,由于夏天温度高,电解质液挥发快,施工现场安排施工人员按需浇淋电解质液,保证再碱化处理电化学系统的正常运行,电解质液充分渗入钢筋混凝土构件的混凝土保护层。

4.7 构件表面清理

每根钢筋混凝土构件经历8.5 d的修复处理后,施工人员拆除电化学装置。作为阳极的钢丝网锈蚀明显。再碱化装置拆除后,混凝土表面还有部分白色纸浆,现场施工人员用自来水清洗构件混凝土表面,混凝土表面没有因为再碱化处理而发生颜色的改变。见图6。

图6 构件表面清理

5 修复效果与分析

现场应用Canin+钢筋锈蚀仪在再碱化处理前和处理后5个月随机抽取部分外廊柱梁构件, 在每个上各选取一根钢筋,每100 mm取一个点,每个点位测5次腐蚀电位,最后取平均值(表2)。再碱化处理前,混凝土内钢筋的腐蚀电位普遍在-250 mV以上,有的甚至达到近-700 mV,腐蚀情况比较严重。电化学再碱化修复后,钢筋的腐蚀电位有了明显的提升,提升的幅度从20 mV到540 mV,修复前钢筋的腐蚀情况越严重,修复效果越显著,比如梁2-1,从修复前的-694 mV提升到-157 mV,钢筋的腐蚀概率由很大降为比较小。由此可见,再碱化处理可以有效地提高钢筋的腐蚀电位,处理前腐蚀情况严重的钢筋,再碱化处理的修复效果更显著。

6 结 语

电化学再碱化技术在我国还处于实验室研究阶段,本工程开展了再碱化技术的局部施工工程应用,以宁波市鄞州区县立乡村简易师范学校外廊柱和梁为修复对象,依据欧洲相关技术规范对该栏杆进行外加电源式的再碱化修复处理,并在修复完成5个月后对再碱化效果进行跟踪测试与分析评估。结果表明：

表2 外廊柱、梁再碱化修复前后钢筋腐蚀电位

1)电化学再碱化处理可以有效地提高构件碳化混凝土的碱性。

2)电化学再碱化处理后,混凝土内的钢筋的腐蚀电位有明显的提升,钢筋的腐蚀概率明显减小,腐蚀活性降低,并且处理前钢筋腐蚀情况越严重,再碱化处理的修复效果越显著。

3)电化学再碱化处理没有改变构件表面颜色,也没有对混凝土产生明显的副作用。

该项目再碱化技术局部施工的顺利进行为该技术从科技成果向生产力转化奠定了基础,该技术对结构本体无损伤性,环境友好,较传统的材料填充技术,有明显的经济效益和社会效益,特别适用于需要保护的历史文物建筑。项目组会将再碱化技术扩展到整体施工,为该技术在钢筋混凝土历史文物建筑修复领域的推广与应用提供试验依据和工程指南。