电化学修复氢致钢筋混凝土结构延性退化机理与控制

Compared with traditional concrete durability repair methods, electrochemical repair technology can extract harmful ions out of concrete cover and improve the durability of concrete structures significantly. The issue of hydrogen embrittlement during electrochemical repair is a technical bottleneck which preventing the wide application of this technology on high stress concrete structures. The aims of this research project include exploring the factors affecting the cathodic hydrogen evolution, revealing the permeation mechanism of the cathodic hydrogen evolution product into steel bars under different stress state, defining the plastic degenerating mechanism of steel bar containing different content hydrogen, understanding the ductility degenerating mechanism of concrete structures. Finally, the control method for electrochemical repair based on performance index of reinforced concrete members will be proposed. The research methods include theoretical research, finite element simulation and experimental research. The multi-scale research and multidisciplinary intersecting are the features of this project. The research results could control the negative effects of ductility reduction due to hydrogen embrittlement during the electrochemical repair and provide basic theory support for application of electrochemical repair on high stress concrete structures.

电化学修复技术相比传统耐久性修复方法可排除混凝土中有害介质，从而显著提升混凝土结构耐久性，然而修复过程中可能出现的钢筋氢脆问题是阻碍其应用在高应力状态下混凝土结构中的关键技术瓶颈。本项目拟探究影响混凝土结构电化学修复过程阴极析氢源头因素，揭示阴极析氢产物在钢筋内的渗透机理，明确钢筋在不同电化学充氢程度下的塑性降低规律，掌握钢筋塑性降低程度下混凝土结构性能变化特征，提出基于钢筋混凝土构件性能指标约束的电化学修复过程控制方法。研究过程结合基础理论、数值模拟和试验研究等方法，具备多尺度研究和多学科交叉的研究特色。研究成果拟控制电化学修复过程氢致混凝土结构延性降低的负面效应，为电化学修复技术在高应力状态下混凝土结构中的应用提供基础理论支撑。

电化学修复技术可排除混凝土中有害介质，从而显著提升混凝土结构耐久性，然而修复过程中可能出现的钢筋氢脆问题是阻碍其应用在高应力状态下混凝土结构中的关键技术瓶颈。.本项目运用土木工程结构、材料、电化学等多学科交叉综合知识，通过试验研究和数值模拟，开展了钢筋周围混凝土微环境及电化学修复参数对析氢反应影响机理、电化学修复过程析氢产物在钢筋内的渗透机理及模型、不同充氢程度作用下钢筋塑性性能退化规律及模型、不同充氢程度作用下混凝土构件延性性能退化规律及控制等4个方面的研究工作。.取得了9个方面研究进展：揭示了混凝土内环境对析氢反应的影响机理，发明了混凝土内钢筋的临界析氢电流密度测定方法，探明了双向电渗修复后钢筋内氢含量变化规律，提出了预应力钢筋的电化学参数控制方法，探明了电化学修复后不同含氢钢筋的低周疲劳性能，揭示了电化学修复后钢筋低周疲劳性能退化的时间效应，探明了电化学修复对钢筋混凝土梁静力性能影响并提出了控制方法，探明了电化学修复对钢筋混凝土梁的疲劳性能的影响并提出了控制方法，探明了电化学修复对钢筋混凝土柱抗震性能的影响。.关键数据及意义包括：电化学修复技术可实现1次电迁移排除70%-80%氯离子且恢复钢筋腐蚀电位的耐久性提升效果；研发的阻锈剂具备切断氢原子进入钢筋的通道的增益效果，提升预应力筋临界析氢电流密度约5倍；探明了电化学修复过程钢筋周围氢气削弱粘结性能的机理，发现了电化学修复构件在静力加载、疲劳加载及低周往复试验后，裂缝宽度和间距略有增大、承载能力和延性指标几乎不受影响。针对承受静力荷载构件提出了基于除氯阻锈效果和钢筋氢脆风险的控制指标，建议电通量控制范围为600-1200A.h/m2；针对承受疲劳荷载构件提出了基于除氯阻锈效果和构件刚度指标的控制指标，建议电通量控制范围为500-1000A.h/m2。.本项目共发表SCI论文16篇，EI及其他期刊论文16篇，授权中国发明专利5项，做国际会议特邀报告2次，国内会议特邀报告1次，培养硕士研究生6名。成果已在杭州湾跨海大桥、浙江舟山跨海大桥等工程中应用。