基于双向电迁移的混凝土耐久性提升技术

随着科技的进步和时代的发展，涉海基础设施的建设规模越来越大。我国已建成有港珠澳大桥、杭州湾大桥、东海大桥、青岛海湾大桥、浙江舟山跨海大桥等世界著名的跨海大通道，同时拥有宁波舟山港、上海港、天津港、广州港等一批世界级港口，有效支撑了我国社会经济的发展。这些世界著名的基础设施在钢筋混凝土材料出现以前是无法想象的。

图1 港珠澳大桥

混凝土结构中的钢筋和混凝土充分发挥了各自的优势，相互协同工作，二者不仅有相近的线膨胀系数，更重要的是混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化膜，使钢筋在使用中不易腐蚀。但是由于使用环境的复杂多变，尤其是沿海氯盐侵蚀环境和北方除冰盐环境中的道路、桥梁、码头等工程，受到海水和除冰盐中的氯离子侵蚀，钢筋腐蚀从而影响混凝土结构耐久性的问题已经成为“顽疾”，而这一问题也成为世界性的难题。

国外学者曾用“五倍定律”形象地描述混凝土结构耐久性的重要性，即设计阶段对钢筋防护每省1美元，那么就意味着发现钢筋锈蚀时的维修费将追加5美元，混凝土表面顺筋开裂时追加维修费25美元，严重破坏时追加维修费125美元。据英国环保部门2005年的一份报告估计，英国约有36%的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀需要更换钢筋或重建，而每年的修补费用则高达5.5亿英镑。据美国ASCE2016年的基建报告显示：现有的614387座桥梁中已有56007座桥梁由于钢筋锈蚀严重而出现结构性失效，近期的桥梁维修耗费已高达1230亿美元。由此可见，通过技术创新提高建设、维护水平，降低维修管养费用具有非常显著的社会、经济效益。

图2 钢筋锈蚀与投入成本的关系

混凝土耐久性产生的损失远远超出了人们的想象，所以该如何解决呢？物理修复如增设防腐涂料、替换混凝土保护层是最早的耐久性修复方法，但是由于其介入时机较晚，成本较高，应用范围受限，远不能满足实际工程需要。于是电化学除氯法被提出应用于混凝土早期劣化的修复，虽然在短期内取得较高的除氯效果，但并不能使脱钝钢筋恢复钝化，难以彻底避免“125美元”的高额维修成本。

如何才能花“1美元”就高效解决耐久性提升的问题呢？国内外许多学者对此从机理上开展了大量研究，包括早期介入电化学除氯技术、渗透阻锈技术、电迁阻锈技术、双向电迁移技术等。其中，浙江大学混凝土结构耐久性研究团队从1995年开始致力于此方面研究，2008年从全寿命的角度拓展和丰富了混凝土结构耐久性理论研究，2011年开展混凝土结构耐久性能提升研究与工程实践，2016年形成了“基于双向电迁移的混凝土耐久性提升技术”，突破了电化学技术在预应力混凝土结构中的应用禁锢。通过揭示电化学修复物理化学过程对离子传输的驱动效应，建立了多离子协同工作的耦合传输模型，发明了“除氯-阻锈-裂缝修补-纳米增强”的双向电迁移技术，析氢临界电流密度提升5倍，氯离子排出效率提高60%，阻锈效果提升2～7倍，混凝土保护层电阻提高2～3倍，实现了一次双向电迁移作用提升混凝土使用寿命延长约20年。

图3 双向电迁移技术原理

双向电迁移技术被鉴定为“里程碑式的成果，具有开拓性影响，达到国际领先水平”，是我国腐蚀环境下基础设施长寿命保障的重要利器。

图4 双向电迁移技术的应用现场