1.簡(jiǎn)介
在建筑物的使用壽命期間，金屬結(jié)構(gòu)會(huì)受到環(huán)境的侵蝕，尤其是二氧化碳的侵蝕。事實(shí)上，鐵在混凝土內(nèi)部的基本介質(zhì)中是穩(wěn)定的（pH=12-14），但是碳酸鹽溶解在水中，通過(guò)混凝土遷移到金屬部分。這種現(xiàn)象意味著金屬結(jié)構(gòu)周圍的pH值降低。在圖1的E-pH圖[1]中，用箭頭表示pH值的變化。在酸性的pH值下，鐵不再是鈍化的形式，而是具有腐蝕性的形式。因此，建筑物的強(qiáng)度受到影響。例如，Grenoble的“Tour Perret”（圖2），這是1924年歐洲建造的第一座鋼筋混凝土建筑，目前正因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程而分崩離析。
圖1: Fe的E-pH圖[1]
圖2: Grenoble的“Tour Perret”，1924年歐洲建造的第一座鋼筋混凝土建筑
在此背景下，開(kāi)發(fā)了一種電化學(xué)工藝，以在基本條件下保持鋼筋混凝土中金屬桿的周圍環(huán)境[2-7]。將作為陰極的待處理材料浸入堿性電解膏（K2CO3或Na2CO3）中，并在該膏中插入陽(yáng)極（圖3）。在金屬棒處進(jìn)行的水的還原反應(yīng)，通過(guò)生成OH-（式1）使金屬棒周圍的介質(zhì)更簡(jiǎn)單。
圖3: 再堿化方法示意圖
本文研究了混凝土砌塊中金屬桿的腐蝕過(guò)程。進(jìn)行再鉀化（堿性介質(zhì)中的電分解），并通過(guò)循環(huán)動(dòng)電位極化（CPP）檢查處理的益處。
1.實(shí)驗(yàn)條件
在NaCl（3%）或NaOH溶液（0.4 mol.L-1）中使用由EC-Lab軟件驅(qū)動(dòng)的VMP3儀器進(jìn)行研究。測(cè)量前，將混凝土塊浸入溶液中兩天。
使用三電極裝置：
-混凝土塊內(nèi)的鋼棒作為工作電極，表面積：A=10 cm2（圖4）；
-Ag/AgCl電極作為參比電極；
-合金絲作為對(duì)電極。
圖4: 鋼筋混凝土塊示意圖
1.結(jié)果
3.1 極化電阻的計(jì)算
首先，我們必須檢查材料是否在Tafel條件下[8-9]。因此，極化電阻（Rp）應(yīng)遠(yuǎn)高于歐姆電阻（RΩ）。這兩個(gè)特性可以通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)量來(lái)確定（圖5）。RΩ=202 Ω與Rp>12800 Ω相比可以忽略不計(jì)（圖6）。因此，“Tafel fit”的條件得到了滿足。
圖5: PEIS實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置窗口
圖6: 混凝土塊的Nyquist曲線
在穩(wěn)態(tài)條件下（非常慢的掃描速度，即2.5），也可以通過(guò)很小的電位范圍內(nèi)（開(kāi)路電壓周圍±10 mV，即-547 mV vs. Ag/AgCl）的伏安測(cè)量來(lái)確定Rp。圖7顯示了電流電位曲線和“Rp Fit”，并給出Rp=11744 Ω。兩種方法測(cè)定的Rp值一致。
圖7: 電流電位曲線和“Rp Fit”
3.2 再鉀化
采用計(jì)時(shí)電位（CP）技術(shù)在NaOH（0.4 mol.L-1；pH=13）中在Is=-10 mA下進(jìn)行66小時(shí)（圖8）的再鉀化處理。電解過(guò)程中的電位和電荷如圖9所示。電解結(jié)束時(shí)，電位達(dá)到穩(wěn)定值，-2.4 V vs. Ag/AgCl。
圖8: CP實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置窗口
圖9: 電解過(guò)程中的電位（藍(lán)色）和電荷（紅色）曲線
3.3 金屬棒的特性
為了檢驗(yàn)再鉀化的效率，在再鉀化處理前后進(jìn)行了CPP實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如圖10所示。
圖10: CPP實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置窗口
再堿化前后CPP的比較（圖11）顯示了由于鋼棒還原而引起的陰極位移。對(duì)兩條曲線進(jìn)行“Tafel fit”分析，分別給出再堿化處理前后CPP測(cè)量的Ecorr分別為-616和-1077 mV vs.Ag/AgCl。
圖11: 鋼筋混凝土的Evans圖（紅色）和（藍(lán)色）再堿化前（頂部）和“Tafel-Fit”結(jié)果（底部）
計(jì)算其他參數(shù)（Icorr、βc、βa和腐蝕速率）如圖11和表1所示。腐蝕速率由公式2給出：
（2）
其中K為常數(shù)，EW為當(dāng)量，d為密度，A為電極表面積。對(duì)于鋼，EW和d分別為18.616 g/eq.和7.8。
表1: CPP測(cè)試的數(shù)據(jù)
這些擬合表明，再堿化前的腐蝕速率比再堿化后高50%。腐蝕速率的降低表明了再堿化過(guò)程的效率。
1.結(jié)論
本文中的工作說(shuō)明電化學(xué)技術(shù)能夠修復(fù)（電解）和表征（CPP，阻抗，及其相應(yīng)的分析）建筑物的金屬結(jié)構(gòu)。這是電化學(xué)對(duì)土木工程領(lǐng)域貢獻(xiàn)的一個(gè)例子。
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