基于電化學加速銹蝕原理的結構破壞拆除方法

胡輝

（陜西建工第三建設集團有限公司，西安 710000）

1 引言

隨著我國城市化進程不斷推進，各類建筑更新迭代的速度越來越快，不可避免地出現了一批因規劃建設改變，或者使用功能提升而產生的結構整體拆遷或局部改造工程。隨之而來的是建筑拆改過程中發生的一系列揚塵污染、噪聲污染、資源能耗浪費及施工安全問題[1]。因此，研究一種混凝土結構的綠色拆除方法，對促進建筑生命周期理論發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，常用的混凝土結構拆除方法有人工拆除、機械拆除、爆破拆除和智能拆除等[2]，前3 種拆除方法在實際工程中較為常見。人工拆除通過手工工具進行拆除施工，也是最普遍的基礎施工方法；機械拆除按照所使用機械類型可以分為機械破碎法、機械吊拆法、重錘撞擊法以及綜合拆除法；爆破拆除則是通過爆破破碎一部分混凝土承重構件，使結構在自重的作用下倒塌解體。智能拆除是指通過應用信息技術、機器人技術對建筑材料、構件及結構進行解構或破碎的拆除方法[3]。

本文提出了一種基于電化學原理的結構拆除方法，通過使結構主要承重構件關鍵部位鋼筋發生嚴重銹蝕，同時降低混凝土強度，從而引起結構定向倒塌破壞，為建筑結構拆除提供了一種新思路。此方法適用于對外力擾動較為敏感的結構的局部拆除，相比傳統靜力切割可節約成本，也可用于老舊建筑的整體拆除，通過大幅弱化整體承載力，降低后期人工或機械拆除的難度。

2 試驗原理

2.1 概述

鋼筋銹蝕是引起建筑結構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力下降，削弱鋼筋與混凝土的協同工作能力；（3）鋼筋銹蝕后的反應產物較未銹蝕狀態發生體積膨脹，該銹脹應力積累到一定程度可破壞混凝土結構，產生銹脹裂縫，從而引起結構失效[4]。

2.2 電化學加速銹蝕原理

鋼筋銹蝕原理為鐵在溶液中發生反應，由單質變為離子的過程：

該過程屬于電極反應，可通過外加電流的方式進行加速或抑制。本文設計了一套加速混凝土結構內鋼筋銹蝕的裝置，可針對構件內某一特定關鍵部分的鋼筋進行加速銹蝕破壞。該套裝置的工作原理如圖1 所示。

圖1 電化學加速鋼筋銹蝕原理圖

將混凝土中內置的待銹蝕鋼筋與直流電源正極連接作為陽極，外設金屬網與電源負極連接作為陰極，在電場作用下，電流由鋼筋穿過混凝土流向外部金屬網。在這一過程中，陽極鋼筋發生氧化反應，鐵單質失去電子進入溶液，反應過程見式（2）；外設陰極金屬電極處發生還原反應，氧氣得到電子被還原，見式（3）。鋼筋銹蝕后的產物較反應前將發生體積膨脹，膨脹應力積累到一定程度即可引起結構開裂。

該裝置可通過調節外加電流的大小控制反應發生速度，鋼筋的銹蝕質量可通過法拉第定律進行定量計算，銹蝕質量Δm 的計算見式（4）：

式中，n 為被溶解的鋼筋的物質的量，mol；M 為鐵的摩爾質量，55.8 g·mol-1；Q 為通過鋼筋的電量，C；F 為法拉第常數，96 485 C·mol-1；為離子價位絕對值，對鐵取2；I（t）為外加電流，A；t 為通電時間，s。

3 試驗過程

3.1 裝置設計

本文分別對板與梁兩類承重構件進行現場應用裝置設計，如圖2～圖4 所示。

圖2 結構板破除裝置剖面圖

圖3 結構板破除裝置平面圖

圖4 結構梁破除裝置剖面圖

結構梁（板）破除裝置由內向外分別為建筑毯、鋼絲網片與塑料布。建筑毯用石灰水溶液浸透，用于提供良好電路通路；鋼絲網片置于正對待破除結構位置，與建筑毯緊密接觸；外層塑料布用于減慢水分蒸發。應用該裝置前，需提前對結構進行局部保護層破除，露出外層鋼筋并與直流電源正極相連，將鋼絲網片與電源負極相連，然后即可開始通電加速銹蝕。

3.2 現場試驗

本試驗通過對某一待拆除板進行現場應用來評價實際效果。根據圖紙資料，該結構板厚度為160 mm，雙層雙向配置直徑10 mm 間距150 mm HRB400 鋼筋，保護層厚度25 mm。

試驗中，選定結構板上表面中部500 mm×500 mm 區域進行通電（見圖5），電流密度為8 A/m2（以鋼筋表面積計算），通電時間15 d。通電過程中，每天定期對結構板面通電區域進行強度回彈檢測，15 d 后對板面進行破除，以觀察鋼筋銹蝕情況。強度回彈檢測點布置如圖6 所示。

圖6 混凝土強度測點布置圖（單位：mm)

4 試驗結果與討論

4.1 混凝土強度

通電過程中，各測點混凝土強度隨時間變化，如圖7 所示。通電前5 d 未見有明顯變化，自第5 d 強度開始發生下降。通電8 d 后，通電區域多個位置可通過回彈儀敲擊回聲判斷板內出現了明顯的空鼓，表明此時混凝土結構已經受到了一定程度的破壞。通電15 d 后，混凝土強度下降約30%～50%。

圖7 通電區強度變化曲線圖

4.2 鋼筋銹蝕狀況

通電結束后，對混凝土保護層進行破除。破除過程中，通電區域混凝土保護層較未通電區域更為疏松，可成片從鋼筋上剝落，如圖8 所示。保護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 保護層混凝土破除

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

5 結語

本文通過理論設計與現場試驗，初步驗證了電化學拆除技術對結構具備一定的破壞作用，后續將通過設置不同通電參數對不同構件類型進行試驗，探究其在實際工程中的可行性。建筑拆除是結構全壽命周期當中的一環，相比與傳統人工、機械、爆破拆除方法，電化學拆除技術具有擾動小、無噪聲、低揚塵等潛在優點，并且在理論上，可通過在關鍵承重構件上設置拆除裝置，實現定向、無人化拆除，適用于有毒或輻射等特殊作業環境。