基于電化學(xué)加速銹蝕原理的結(jié)構(gòu)破壞拆除方法

胡輝

（陜西建工第三建設(shè)集團(tuán)有限公司，西安 710000）

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，各類(lèi)建筑更新迭代的速度越來(lái)越快，不可避免地出現(xiàn)了一批因規(guī)劃建設(shè)改變，或者使用功能提升而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)整體拆遷或局部改造工程。隨之而來(lái)的是建筑拆改過(guò)程中發(fā)生的一系列揚(yáng)塵污染、噪聲污染、資源能耗浪費(fèi)及施工安全問(wèn)題[1]。因此，研究一種混凝土結(jié)構(gòu)的綠色拆除方法，對(duì)促進(jìn)建筑生命周期理論發(fā)展和提高建筑固廢資源化利用率具有十分重要的意義。

目前，常用的混凝土結(jié)構(gòu)拆除方法有人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除和智能拆除等[2]，前3 種拆除方法在實(shí)際工程中較為常見(jiàn)。人工拆除通過(guò)手工工具進(jìn)行拆除施工，也是最普遍的基礎(chǔ)施工方法；機(jī)械拆除按照所使用機(jī)械類(lèi)型可以分為機(jī)械破碎法、機(jī)械吊拆法、重錘撞擊法以及綜合拆除法；爆破拆除則是通過(guò)爆破破碎一部分混凝土承重構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)在自重的作用下倒塌解體。智能拆除是指通過(guò)應(yīng)用信息技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)對(duì)建筑材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu)或破碎的拆除方法[3]。

本文提出了一種基于電化學(xué)原理的結(jié)構(gòu)拆除方法，通過(guò)使結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件關(guān)鍵部位鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，同時(shí)降低混凝土強(qiáng)度，從而引起結(jié)構(gòu)定向倒塌破壞，為建筑結(jié)構(gòu)拆除提供了一種新思路。此方法適用于對(duì)外力擾動(dòng)較為敏感的結(jié)構(gòu)的局部拆除，相比傳統(tǒng)靜力切割可節(jié)約成本，也可用于老舊建筑的整體拆除，通過(guò)大幅弱化整體承載力，降低后期人工或機(jī)械拆除的難度。

2 試驗(yàn)原理

2.1 概述

鋼筋銹蝕是引起建筑結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。（1）鋼筋銹蝕后，其自身截面積變小、承載能力下降；（2）鋼筋銹蝕后，將引起與混凝土之間的黏結(jié)力下降，削弱鋼筋與混凝土的協(xié)同工作能力；（3）鋼筋銹蝕后的反應(yīng)產(chǎn)物較未銹蝕狀態(tài)發(fā)生體積膨脹，該銹脹應(yīng)力積累到一定程度可破壞混凝土結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生銹脹裂縫，從而引起結(jié)構(gòu)失效[4]。

2.2 電化學(xué)加速銹蝕原理

鋼筋銹蝕原理為鐵在溶液中發(fā)生反應(yīng)，由單質(zhì)變?yōu)殡x子的過(guò)程：

該過(guò)程屬于電極反應(yīng)，可通過(guò)外加電流的方式進(jìn)行加速或抑制。本文設(shè)計(jì)了一套加速混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕的裝置，可針對(duì)構(gòu)件內(nèi)某一特定關(guān)鍵部分的鋼筋進(jìn)行加速銹蝕破壞。該套裝置的工作原理如圖1 所示。

圖1 電化學(xué)加速鋼筋銹蝕原理圖

將混凝土中內(nèi)置的待銹蝕鋼筋與直流電源正極連接作為陽(yáng)極，外設(shè)金屬網(wǎng)與電源負(fù)極連接作為陰極，在電場(chǎng)作用下，電流由鋼筋穿過(guò)混凝土流向外部金屬網(wǎng)。在這一過(guò)程中，陽(yáng)極鋼筋發(fā)生氧化反應(yīng)，鐵單質(zhì)失去電子進(jìn)入溶液，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式（2）；外設(shè)陰極金屬電極處發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣得到電子被還原，見(jiàn)式（3）。鋼筋銹蝕后的產(chǎn)物較反應(yīng)前將發(fā)生體積膨脹，膨脹應(yīng)力積累到一定程度即可引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

該裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)外加電流的大小控制反應(yīng)發(fā)生速度，鋼筋的銹蝕質(zhì)量可通過(guò)法拉第定律進(jìn)行定量計(jì)算，銹蝕質(zhì)量Δm 的計(jì)算見(jiàn)式（4）：

式中，n 為被溶解的鋼筋的物質(zhì)的量，mol；M 為鐵的摩爾質(zhì)量，55.8 g·mol-1；Q 為通過(guò)鋼筋的電量，C；F 為法拉第常數(shù)，96 485 C·mol-1；為離子價(jià)位絕對(duì)值，對(duì)鐵取2；I（t）為外加電流，A；t 為通電時(shí)間，s。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 裝置設(shè)計(jì)

本文分別對(duì)板與梁兩類(lèi)承重構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用裝置設(shè)計(jì)，如圖2～圖4 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)板破除裝置剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)板破除裝置平面圖

圖4 結(jié)構(gòu)梁破除裝置剖面圖

結(jié)構(gòu)梁（板）破除裝置由內(nèi)向外分別為建筑毯、鋼絲網(wǎng)片與塑料布。建筑毯用石灰水溶液浸透，用于提供良好電路通路；鋼絲網(wǎng)片置于正對(duì)待破除結(jié)構(gòu)位置，與建筑毯緊密接觸；外層塑料布用于減慢水分蒸發(fā)。應(yīng)用該裝置前，需提前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部保護(hù)層破除，露出外層鋼筋并與直流電源正極相連，將鋼絲網(wǎng)片與電源負(fù)極相連，然后即可開(kāi)始通電加速銹蝕。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)某一待拆除板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際效果。根據(jù)圖紙資料，該結(jié)構(gòu)板厚度為160 mm，雙層雙向配置直徑10 mm 間距150 mm HRB400 鋼筋，保護(hù)層厚度25 mm。

試驗(yàn)中，選定結(jié)構(gòu)板上表面中部500 mm×500 mm 區(qū)域進(jìn)行通電（見(jiàn)圖5），電流密度為8 A/m2（以鋼筋表面積計(jì)算），通電時(shí)間15 d。通電過(guò)程中，每天定期對(duì)結(jié)構(gòu)板面通電區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度回彈檢測(cè)，15 d 后對(duì)板面進(jìn)行破除，以觀察鋼筋銹蝕情況。強(qiáng)度回彈檢測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 混凝土強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 混凝土強(qiáng)度

通電過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間變化，如圖7 所示。通電前5 d 未見(jiàn)有明顯變化，自第5 d 強(qiáng)度開(kāi)始發(fā)生下降。通電8 d 后，通電區(qū)域多個(gè)位置可通過(guò)回彈儀敲擊回聲判斷板內(nèi)出現(xiàn)了明顯的空鼓，表明此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了一定程度的破壞。通電15 d 后，混凝土強(qiáng)度下降約30%～50%。

圖7 通電區(qū)強(qiáng)度變化曲線圖

4.2 鋼筋銹蝕狀況

通電結(jié)束后，對(duì)混凝土保護(hù)層進(jìn)行破除。破除過(guò)程中，通電區(qū)域混凝土保護(hù)層較未通電區(qū)域更為疏松，可成片從鋼筋上剝落，如圖8 所示。保護(hù)層破除后的鋼筋表面覆蓋油污狀銹漬，局部鋼筋表面月牙肋已完全銹蝕，失去與混凝土之間的咬合作用。

圖8 保護(hù)層混凝土破除

由式（3）可從理論上計(jì)算以8 A/m2電流密度通電15 d 后的鋼筋質(zhì)量損失為374.8 g，通電區(qū)域上層雙向鋼筋總質(zhì)量經(jīng)計(jì)算約為2 464.9 g，則鋼筋理論質(zhì)量損失率為15.2%。經(jīng)測(cè)量，銹蝕后的鋼筋橫截面近似為橢圓形，短軸長(zhǎng)度在8～9 mm，長(zhǎng)軸為10 mm，由此估算鋼筋質(zhì)量損失約為10%～20%，與理論計(jì)算基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了電化學(xué)拆除技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)具備一定的破壞作用，后續(xù)將通過(guò)設(shè)置不同通電參數(shù)對(duì)不同構(gòu)件類(lèi)型進(jìn)行試驗(yàn)，探究其在實(shí)際工程中的可行性。建筑拆除是結(jié)構(gòu)全壽命周期當(dāng)中的一環(huán)，相比與傳統(tǒng)人工、機(jī)械、爆破拆除方法，電化學(xué)拆除技術(shù)具有擾動(dòng)小、無(wú)噪聲、低揚(yáng)塵等潛在優(yōu)點(diǎn)，并且在理論上，可通過(guò)在關(guān)鍵承重構(gòu)件上設(shè)置拆除裝置，實(shí)現(xiàn)定向、無(wú)人化拆除，適用于有毒或輻射等特殊作業(yè)環(huán)境。