集成CP、ECR和ERA的钢筋混凝土结构腐蚀主动电场控制研究

Electrochemical protection technologies, i.e., cathodic protection (CP), electrochemical chlorine removal (ECR), electrochemical realkalization (ERA), are considered to be the most direct and effective ways to control the corrosion of RC structures. The active electric field corrosion control method for RC structures that integrates CP, ECR and ERA is proposed in this project. Firstly, based on the essence of physical and chemical interactions of the mass transport, the interactions between pore solution and hardened cement hydrates, the water migration and the load effect are coupled into the Nernst-Planck equations to establish the theoretical model of the mass transport in concrete materials. Moreover, the effects of the oxygen and chloride concentrations and the pH value on the electrode kinetic reactions at the concrete-steel interface are investigated when the RC structures are subjected to an active electric field to control the corrosion, and then, the polarization equations are deduced. Thirdly, the effects of the electric field to control the corrosion, the transport of oxygen and the electrode kinetic reactions on the mass transport are coupled into the theoretical model to establish the theoretical model of the active electric field corrosion control method, and then, the relationship between the externally applied electric field and the corrosion control effect is obtained. Finally, the experiment is conducted to verify the reliability of the theoretical models, which relates to RC bridge piers that surfer from the typical coastal erosion environment. Therefore, this project has the significant academic value and broad application prospects.

阴极保护（CP）、电化学除氯（ECR）、电化学再碱化（ERA）等电化学技术被认为是降低钢筋混凝土结构腐蚀损伤最直接、有效的途径。本项目提出集成CP、ECR和ERA的钢筋混凝土结构腐蚀主动电场控制方法。首先，基于传输过程的物理化学作用本质，将孔隙液与孔隙壁间的相互作用、水分迁移、荷载作用耦合进Nernst-Planck方程，建立持载非饱水混凝土内物质传输模型；然后，探究腐蚀主动控制电场作用下氧气浓度、氯离子浓度、pH值对钢筋混凝土界面电极动力反应的影响机理，并建立极化方程；其次，将腐蚀控制电场的分布、氧气传输、界面电极动力反应结合到混凝土内物质传输模型，得到外加电场与其腐蚀控制效果间的关系，形成钢筋混凝土结构腐蚀主动电场控制的计算模型；最后，通过典型沿海侵蚀环境下钢筋混凝土桥墩实验验证理论模型的可靠性。本项目关于钢筋混凝土结构腐蚀主动电场控制的研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

本项目围绕混凝土结构耐久性领域内所存在的关键科学问题，从材料上升到结构，采用理论推导、数值模拟及试验验证等手段，主要开展了环境对混凝土材料侵蚀行为、混凝土结构内侵蚀介质传输过程以及钢筋混凝土结构腐蚀控制等方面的研究。.采用溶解沉积的相平衡模型和C-S-H离子吸附的表面络合模型，建立了混凝土内孔溶液与水化产物间相互作用热力学模型，研究了自然碳化对普通硅酸盐水泥中氯离子吸附行为的影响，揭示了自然碳化和氯离子共同作用下的孔溶液与水化产物间相互作用的机理。发现了自然碳化能够使Kuzel’s盐转化为Friedel’s盐，进而再使Friedel’s盐碳化。完全碳化能够导致混凝土水化产物完全丧失化学吸附能力，但是仍可保留部分物理吸附能力。因此，对于遭受碳化和氯盐侵蚀共同作用的水泥基材料而言，基于实验室高浓度加速碳化结果进行钢筋混凝土结构耐久性设计似乎过于保守。.将热力学模型耦合进混凝土内孔隙液离子传输的Nernst-Planck方程中，建立了混凝土内物质反应-传输的数值模型，并搭建了数值求解的COMSOL-PHREEQC的MATLAB接口，将该模型用于预测珊瑚骨料混凝土的氯盐侵蚀行为，计算得到了混凝土孔隙液自由氯离子浓度和pH值、及物理和化学吸附氯离子含量的时空分布，并通过文献中的试验结果验证了数值模型的准确性。发现由于珊瑚骨料含有大量的氯盐，则在氯盐侵蚀过程中，水化产物中将不会出现Kuzel’s盐，珊瑚骨料混凝土对氯离子化学吸附行为不同于普通混凝土。.将混凝土内氧气传输、钢筋表面电极动力学反应与混凝土内离子反应-传输模型进行结合，形成了集阴极保护、电化学除氯、电化学再碱化钢筋混凝土结构腐蚀主动电场控制的理论模型。通过该数值模型，准确地预测出钢筋表面氧气浓度、pH值、氯离子浓度、局部电流密度等腐蚀控制指标。进而，研究了混凝土保护层裂缝宽度与深度、饱水度变化对钢筋混凝土结构主动电场腐蚀控制效果的影响。结果表明，高效、长寿命的腐蚀控制系统应当处于实时调整状态。.