電化學(xué)修復(fù)過程氫致鋼筋塑性降低的影響與控制試驗研究

金偉良，伍茜西，毛江鴻，許 晨，陳佳蕓，夏 晉

(1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

電化學(xué)修復(fù)過程氫致鋼筋塑性降低的影響與控制試驗研究

金偉良1,2，伍茜西1，毛江鴻2，許 晨1，陳佳蕓1，夏 晉1

(1.浙江大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058; 2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

電化學(xué)修復(fù)技術(shù)是提升既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性重要方法，能有效除去有害氯離子，延長結(jié)構(gòu)使用壽命。采用電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性修復(fù)時，作為陰極的鋼筋會發(fā)生析氫反應(yīng)，當(dāng)鋼筋表面的氫濃度達(dá)到臨界值時，鋼筋的塑性會降低，并發(fā)展成裂紋，導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。開展了不同電化學(xué)參數(shù)的電化學(xué)修復(fù)試驗，并采用物理方法和力學(xué)方法進(jìn)行了氫致塑性降低的影響分析。結(jié)果表明氫致塑性降低與電流密度、應(yīng)力水平均相關(guān)；當(dāng)清楚工程構(gòu)件的受力狀態(tài)時，可采用合適的電流密度對構(gòu)件進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)，控制塑性損失程度在工程的可接受范圍內(nèi)，以達(dá)到鋼筋氫脆控制的目的。

鋼筋混凝土；耐久性；電化學(xué)修復(fù)；氫脆；氫脆評估

處于海水或海洋氣候環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在氯離子侵蝕作用下鋼筋會發(fā)生銹蝕，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞與失效，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。電化學(xué)修復(fù)技術(shù)是提升既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性重要方法，能有效地除去有害氯離子，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前，電化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要有電化學(xué)除氯技術(shù)、電滲阻銹技術(shù)和雙向電遷技術(shù)、混凝土再堿化等。然而，諸多研究表明，運用電化學(xué)修復(fù)技術(shù)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性修復(fù)，在消除有害氯離子的同時，會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，如降低鋼筋-混凝土之間的黏結(jié)強度[2-3]和鋼筋氫脆[4-6]?！逗８酃こ啼摻罨炷两Y(jié)構(gòu)電化學(xué)防腐技術(shù)規(guī)范》(JTS153-2-2012)[7]中也指出若保護(hù)電流密度過大，對于預(yù)應(yīng)力筋，會發(fā)生析氫反應(yīng)。

Mehta[8]認(rèn)為由于高強預(yù)應(yīng)力鋼筋具有捕獲電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子的能力，因此對氫脆敏感性更高，故該類構(gòu)件應(yīng)用電化學(xué)修復(fù)技術(shù)過程中出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象的可能性更高。Siegwart[9]對預(yù)應(yīng)力梁電化學(xué)處理后，發(fā)現(xiàn)高強預(yù)應(yīng)力鋼筋對氫脆現(xiàn)象十分敏感，并且氫脆現(xiàn)象不隨電化學(xué)通電參數(shù)(如電流密度、通電時間和形式)改變而發(fā)生變化，也不受鋼筋表面是否發(fā)生腐蝕的影響。朱鵬[10]的研究結(jié)果則表明鋼筋一旦停止產(chǎn)生氫原子，高強鋼筋周圍的氫原子會迅速擴散到鋼筋以外，鋼筋會恢復(fù)其原有的塑性。Klinowki等[11]研究發(fā)現(xiàn)對不含鉻的預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)，當(dāng)其施加的電勢高于-900 mV時，預(yù)應(yīng)力鋼筋氫脆風(fēng)險較低。干偉忠等[12]研究發(fā)現(xiàn)通過正確選擇電化學(xué)參數(shù)可以避免電化學(xué)修復(fù)的副作用，跟蹤試驗表明在沒有金屬護(hù)套的先張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中也沒有發(fā)生氫脆的跡象，但并未指明不產(chǎn)生副作用的電化學(xué)參數(shù)范圍。

目前，鋼筋氫脆現(xiàn)象的存在是限制電化學(xué)修復(fù)技術(shù)在工程中推廣應(yīng)用的主要原因，因此研究電化學(xué)修復(fù)過程中鋼筋的氫脆現(xiàn)象以及氫脆現(xiàn)象的存在造成鋼筋塑性損失的程度顯得尤為重要。通過試驗改變電化學(xué)修復(fù)的通電參數(shù)(不同的電流密度)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)(不同應(yīng)力狀態(tài))，對鋼筋進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)，采用氫致鋼筋塑性降低評估方法來研究電流密度和應(yīng)力狀態(tài)對鋼筋氫脆的影響程度，從而進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)控制參數(shù)優(yōu)化。

1 電化學(xué)修復(fù)過程中氫致鋼筋塑性降低試驗

1.1電化學(xué)修復(fù)過程中的析氫反應(yīng)機理

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電化學(xué)除氯的原理如圖1所示。除氯過程中有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)如式(1)～(3)所示。

由圖1可知，鋼筋表面會發(fā)生陰極還原反應(yīng)，當(dāng)負(fù)電位達(dá)到一定值時則會發(fā)生析氫反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子會被鋼筋吸附并出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。金屬的氫脆[13]是指當(dāng)氫進(jìn)入金屬內(nèi)部，其濃度達(dá)到飽和后，會降低金屬的塑性，誘發(fā)金屬產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致金屬突然發(fā)生脆性破壞或滯后破壞。目前，國內(nèi)外對金屬氫脆機理主要分為四類，即氫減小鍵合力理論[14]；氫致局部塑性變形理論[15]；氫降低表面能理論[16]與氫壓理論。這四類氫脆機理從材料的微觀角度出發(fā)，闡述氫脆發(fā)生的原因及對金屬材料造成的影響，但尚無氫脆機理可以解釋所有的氫脆現(xiàn)象。氫脆現(xiàn)象最大的危害是會導(dǎo)致鋼筋塑性降低，而鋼筋的塑性與結(jié)構(gòu)的抗震、疲勞等服役性能密切相關(guān)。

圖1 電化學(xué)除氯原理Fig.1 Principle of electrochemical chloride extraction

陽極：

陰極：

1.2氫致鋼筋塑性降低評估方法

氫致鋼筋塑性降低評估方法，主要可分為力學(xué)方法與物理方法，其中力學(xué)方法通過斷面收縮率與斷裂能比分析鋼筋的塑性損失；物理方法通過掃描電鏡(SEM)對拉伸試驗結(jié)束后的鋼筋斷口進(jìn)行觀察，觀察斷裂晶體學(xué)特征分析鋼筋的氫脆情況。物理方法不能直接反映電化學(xué)修復(fù)后鋼筋氫脆影響其塑性損失的程度，但可以與力學(xué)方法結(jié)合，驗證氫脆現(xiàn)象。

1.2.1 力學(xué)方法

鋼筋在拉伸變形的過程主要可分為四個階段，即彈性變形階段、不均勻屈服塑性變形階段、均勻塑性變形階段和頸縮變形階段。目前檢測氫脆現(xiàn)象的力學(xué)方法主要有恒荷載法、恒應(yīng)變速率拉伸法(Constant Extension Rate Test,CERT)與慢應(yīng)變速率拉伸法(Slow Strain Rate Test,SSRT)。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗是對處于極化電位下的金屬試件進(jìn)行拉伸試驗，通過觀察金屬試件在彈性階段、屈服階段、塑性變形階段及破壞階段的全過程，反映金屬在恒電位極化過程中的氫脆敏感性及其之后斷裂性能。恒應(yīng)變速率拉伸試驗是對電化學(xué)修復(fù)后的金屬進(jìn)行拉伸試驗，其拉伸的應(yīng)變速度恒定，可以反映采用不同的電化學(xué)參數(shù)修復(fù)后對金屬塑性性能的影響，從而分析金屬試件的氫脆情況。

通常用塑性損失，即斷面收縮率Ψ與斷裂能比Z來反映鋼筋電化學(xué)修復(fù)后鋼筋的氫脆敏感性[17-19]。其中，斷裂能為金屬材料在拉伸斷裂時釋放的總能量，其值等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積。定義如下：

式中：Ψ0、Ψ表示未經(jīng)過電化學(xué)修復(fù)與經(jīng)過電化學(xué)修復(fù)的鋼筋拉伸試驗的斷面收縮率，Z為斷裂能比，W0為未進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)的原始鋼筋斷裂能，W為電化學(xué)修復(fù)后的受力鋼筋斷裂能。取F(Ψ)作為塑性損失。

1.2.2 物理方法

除了對電化學(xué)修復(fù)后的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗，直接得到鋼筋的塑性損失程度外，還可以采用掃描電鏡(SEM)對鋼筋斷口進(jìn)行觀察，觀察斷裂晶體學(xué)特征。目前常用測試氫脆的儀器有透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、俄歇電子能譜儀、電子探針等。通常認(rèn)為，氫脆的斷口主要分為：準(zhǔn)理解斷口和沿晶斷口。氫脆敏感性較高的鋼筋斷口主要為解理(準(zhǔn)解理)斷口，氫脆敏感性較低的鋼筋斷口為韌窩狀斷口[20]。

2 電化學(xué)修復(fù)過程中鋼筋氫脆影響評估與控制

根據(jù)氫脆的發(fā)生時間，可將氫脆分為第一類氫脆與第二類氫脆。第一類氫脆的氫脆源產(chǎn)生于材料加工時，如氫蝕、氫鼓泡、氫化物型氫脆。第二類氫脆的氫脆源于材料的應(yīng)力狀態(tài)與氫共同作用時產(chǎn)生。根據(jù)出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象后的金屬材料是否可以恢復(fù)塑性，可分為可逆氫脆與不可逆氫脆?？赡鏆浯嗫赏ㄟ^室溫放置等方法將固溶于金屬中氫去除，最終恢復(fù)金屬塑性。而不可逆氫脆無法通過除氫處理來恢復(fù)金屬塑性。

由于在正常服役期間的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)不會超過其屈服強度，且變形速率較小，因此電化學(xué)修復(fù)對其產(chǎn)生的氫脆現(xiàn)象主要由氫擴散控制，屬于可逆氫脆，同時鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力狀態(tài)下，為第二類氫脆現(xiàn)象。根據(jù)電化學(xué)修復(fù)過程中鋼筋氫脆的分類，本文設(shè)計了基于氫脆影響的電化學(xué)修復(fù)控制參數(shù)優(yōu)化試驗，由于可逆氫脆能通過室溫放置等方法將固溶于金屬中的氫去除，本試驗在電化學(xué)修復(fù)結(jié)束后，將鋼筋室溫放置72 h后再進(jìn)行恒應(yīng)變速率拉伸試驗。

2.1基于氫脆影響的電化學(xué)修復(fù)控制參數(shù)優(yōu)化試驗

2.1.1 試驗設(shè)計

實際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)時，可控因素包括通電參數(shù)和應(yīng)力水平。因此，本文改變電化學(xué)修復(fù)的通電參數(shù)(不同的電流密度)，不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(不同應(yīng)力狀態(tài))，對鋼筋進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)，采用氫致鋼筋塑性降低評估方法來研究電流密度和應(yīng)力狀態(tài)對鋼筋氫脆的影響程度，從而進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)控制參數(shù)優(yōu)化。試驗用材料為直徑14 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋。為了消除混凝土介質(zhì)的影響，對鋼筋進(jìn)行混凝土模擬孔隙溶液的電化學(xué)修復(fù)試驗。應(yīng)力水平分別為10%、30%、60%。應(yīng)力通過張拉千斤頂施加，張拉應(yīng)力水平由光纖光柵錨索測力計測得，數(shù)值通過MOI 125光纖解調(diào)儀讀取。試驗裝置如圖2。電流密度分別為0.3、0.6、0.7及0.8 A/m2。拉伸速率為0.1 mm/min。

采用濟(jì)南聯(lián)工CMT-300電子式萬能試驗機，取應(yīng)變速率為0.1 mm/min對鋼筋進(jìn)行恒應(yīng)變速率拉伸試驗。鋼筋試件斷裂后，從靠近斷口約5～10 mm處鋸開，并磨平切口。用無水乙醇進(jìn)行超聲清洗5 min，待到其干燥后，用密封袋保存。采用FEI Quanta 650 FEG掃描電鏡，觀察斷面形貌特征，分別觀察斷口的纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，分析斷裂類型。

圖2 試驗裝置示意Fig.2 Test device

2.1.2 試驗結(jié)果

當(dāng)鋼筋的應(yīng)力水平恒定時，電流密度對受力鋼筋塑性性能的影響如圖3所示。在彈性階段，各鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，即彈性模量幾乎一致，說明電化學(xué)修復(fù)過程對鋼筋彈性階段的影響可以忽略不計。當(dāng)鋼筋進(jìn)入強化階段后，各鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離增大，說明電流密度對鋼筋拉伸性能的主要影響體現(xiàn)在不均勻變形階段。隨著電流密度的增大，鋼筋的斷后變形均有所減小，即鋼筋塑性性能隨著電流密度的增大而降低。

圖3 不同電流密度下受力鋼筋試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of reinforcement with different current densities

表1為不同電流密度下受力鋼筋試件的力學(xué)性能指標(biāo)。由表1可知，鋼筋的極限強度、上屈服強度與下屈服強度并不隨電流密度增大而變化。說明氫脆現(xiàn)象僅對鋼筋的塑性變形性能有所影響，對其屈服強度、抗拉強度沒有影響或影響很小。

根據(jù)式(4)用斷面收縮率計算電化學(xué)修復(fù)后受力鋼筋的塑性損失，如圖4所示。結(jié)果表明在同一電流密度下，隨著應(yīng)力水平的提高，受力鋼筋的塑性損失均不斷增大。當(dāng)電流密度為0.3 A/m2時，隨著應(yīng)力水平的提高，鋼筋塑性損失增大，當(dāng)應(yīng)力水平為60%時，塑性損失超過15%。顯著大于10%與30%應(yīng)力水平時的塑性損失。當(dāng)電流密度大于0.3 A/m2時，相同應(yīng)力水平下，鋼筋的塑性損失變化不大，但均超過15%。當(dāng)應(yīng)力水平不小于30%，電流密度大于0.3 A/m2時，鋼筋的塑性損失均超過20%。

表1 不同電流密度下受力鋼筋試件的抗拉強度指標(biāo)Tab.1 Tensile strength indicator of reinforcement with different current densities

圖4 電化學(xué)修復(fù)后受力鋼筋的塑性損失Fig.4 Reinforcement plasticity decrease after electrochemical repair

圖5 電化學(xué)修復(fù)后受力鋼筋的斷裂能比Fig.5 Reinforcement fracture energy ratio after electrochemical repair

分別對沒有進(jìn)行過電化學(xué)修復(fù)的原始鋼筋及電化學(xué)修復(fù)后的受力鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行積分，計算得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍下的面積，根據(jù)式(5)得到各鋼筋試件斷裂能與原始鋼筋斷裂能之比，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，同一電流密度下，隨著應(yīng)力水平的提高，受力鋼筋的斷裂能先下降后趨于平緩。電流密度為0.3 A/m2時，隨著應(yīng)力水平的提高，鋼筋的斷裂能比減小，當(dāng)應(yīng)力水平為60%時，其斷裂能比顯著小于10%與30%應(yīng)力水平時的斷裂能比，斷裂能比小于85%。當(dāng)電流密度大于0.3 A/m2時，相同應(yīng)力水平下，鋼筋的斷裂能比變化不大，但均小于85%。當(dāng)應(yīng)力水平為60%，電流密度大于0.3 A/m2時，鋼筋的斷裂能比均小于75%。上述現(xiàn)象和斷面收縮率評價受力鋼筋的塑性損失的結(jié)果一致。

取電流密度為0.3 A/m2時的受力鋼筋試件，其電化學(xué)修復(fù)時的應(yīng)力狀態(tài)分別為10%、30%與60%。用掃描電鏡(SEM)對其斷口進(jìn)行掃描，受力鋼筋試件的微觀形貌與宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)為10%時，可以看到明顯頸縮，且可以觀察到宏觀斷口特征三要素——纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，SEM圖片顯示斷口為韌窩狀形貌(圖6(a))，由此判斷10%應(yīng)力水平鋼筋為韌性斷裂。當(dāng)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)為30%時，受力鋼筋試件靠近斷口邊緣的位置有剪切斷裂所特有的鋒利楔形，斷面總體為韌窩，有部分解理面，說明30%應(yīng)力水平鋼筋部分為韌性斷裂，部分為脆性斷裂；當(dāng)鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)為60%時，受力鋼筋試件斷口與拉伸主軸呈45°，斷面光亮平滑，是脆性宏觀斷口的特征。且隨著應(yīng)力水平的提高，解理部分所占比例逐漸增大，反映了隨著應(yīng)力水平的增大，鋼筋的氫脆敏感性增強，更容易發(fā)生氫脆。

圖6 不同應(yīng)力水平下鋼筋試件微觀與宏觀斷口形貌Fig.6 Micro and macro fracture morphology of reinforcement under different stress levels

3 結(jié) 語

1)力學(xué)方法通過斷面收縮率與斷裂能比分析鋼筋的塑性損失，試驗表明采用塑性損失率與斷裂能比評估鋼筋氫脆的結(jié)果較為一致。物理方法不能直接反映電化學(xué)修復(fù)后鋼筋氫脆影響其塑性損失的程度，但可以與力學(xué)方法結(jié)合，驗證氫脆現(xiàn)象。

2)試驗結(jié)果表明，電化學(xué)修復(fù)過程中氫致鋼筋塑性降低與電流密度、應(yīng)力水平均相關(guān)。將電化學(xué)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于實際工程中時需了解工程構(gòu)件的受力狀態(tài)，從而采用合適的電流密度對構(gòu)件進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)，控制塑性損失程度在工程的可接受范圍內(nèi)，以達(dá)到鋼筋氫脆控制的目的。

3)本試驗為了研究電化學(xué)修復(fù)過程中氫致鋼筋氫脆的現(xiàn)象，消除混凝土介質(zhì)不均勻的影響，只在混凝土模擬孔隙溶液中對鋼筋進(jìn)行電化學(xué)修復(fù)試驗。然而由于實際工程中離子的傳輸需通過混凝土保護(hù)層，因此還需在鋼筋混凝土構(gòu)件中開展系統(tǒng)的電化學(xué)修復(fù)試驗。

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Experiential study on the effect of hydrogen-induced plasticity decrease and control in the process of electrochemical repair of reinforced concrete

JIN Weiliang1,2,WU Xixi1,MAO Jianghong2,XU Chen1,CHEN Jiayun1,XIA Jin1

(1.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China; 2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo 315100,China)

Electrochemical repair technologies are important methods to upgrade the durability for existing reinforced concrete,which can effectively remove harmful chloride ion,extending the life of structures.When applying electrochemical repair technologies to reinforced concrete,hydrogen evolution reaction would occur at the cathode.When reinforcement of the hydrogen concentration reaches a critical value,the reinforced plastic will reduce,and formed,developed into a crack,leading to reinforced hydrogen embrittlement.Carried out different electrochemical parameters of electrochemical repair test,and used physical and mechanical means to analysis hydrogen-induced plasticity decrease.Results showed that hydrogen-induced plasticity decrease was related to current density and stress levels.When the stress state of structures became clear,electrochemical repair can be applied to structures by using proper current density,in order to control plastic damage within the acceptable range of engineering,so that to achieve the goal of controlling hydrogen embrittlement of steel.

reinforced concrete; durability; electrochemical repair; hydrogen embrittlement; hydrogen embrittlement evaluation

TU511.3

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.010

1005-9865(2017)05-0088-07

2017-01-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51638013，51578490，51408544，51408534)；國家科技支撐計劃資助項目(2015BAL02B03)；寧波市科技惠民資助項目(2016C51024)；省交通運輸廳交通工程建設(shè)科研計劃資助項目(2015J02)；浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計劃資助項目(20160137)；杭州市重大科技創(chuàng)新專項資助項目(20142011A41)

金偉良(1961-)，男，浙江杭州人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向為工程結(jié)構(gòu)可靠性理論和應(yīng)用、混凝土結(jié)構(gòu)基本性能。E-mail: jinwl@zju.edu.cn