基于电化学加速锈蚀原理的结构破坏拆除方法

胡辉

（陕西建工第三建设集团有限公司，西安 710000）

1 引言

随着我国城市化进程不断推进，各类建筑更新迭代的速度越来越快，不可避免地出现了一批因规划建设改变，或者使用功能提升而产生的结构整体拆迁或局部改造工程。随之而来的是建筑拆改过程中发生的一系列扬尘污染、噪声污染、资源能耗浪费及施工安全问题[1]。因此，研究一种混凝土结构的绿色拆除方法，对促进建筑生命周期理论发展和提高建筑固废资源化利用率具有十分重要的意义。

目前，常用的混凝土结构拆除方法有人工拆除、机械拆除、爆破拆除和智能拆除等[2]，前3 种拆除方法在实际工程中较为常见。人工拆除通过手工工具进行拆除施工，也是最普遍的基础施工方法；机械拆除按照所使用机械类型可以分为机械破碎法、机械吊拆法、重锤撞击法以及综合拆除法；爆破拆除则是通过爆破破碎一部分混凝土承重构件，使结构在自重的作用下倒塌解体。智能拆除是指通过应用信息技术、机器人技术对建筑材料、构件及结构进行解构或破碎的拆除方法[3]。

本文提出了一种基于电化学原理的结构拆除方法，通过使结构主要承重构件关键部位钢筋发生严重锈蚀，同时降低混凝土强度，从而引起结构定向倒塌破坏，为建筑结构拆除提供了一种新思路。此方法适用于对外力扰动较为敏感的结构的局部拆除，相比传统静力切割可节约成本，也可用于老旧建筑的整体拆除，通过大幅弱化整体承载力，降低后期人工或机械拆除的难度。

2 试验原理

2.1 概述

钢筋锈蚀是引起建筑结构破坏的主要原因之一。（1）钢筋锈蚀后，其自身截面积变小、承载能力下降；（2）钢筋锈蚀后，将引起与混凝土之间的黏结力下降，削弱钢筋与混凝土的协同工作能力；（3）钢筋锈蚀后的反应产物较未锈蚀状态发生体积膨胀，该锈胀应力积累到一定程度可破坏混凝土结构，产生锈胀裂缝，从而引起结构失效[4]。

2.2 电化学加速锈蚀原理

钢筋锈蚀原理为铁在溶液中发生反应，由单质变为离子的过程：

该过程属于电极反应，可通过外加电流的方式进行加速或抑制。本文设计了一套加速混凝土结构内钢筋锈蚀的装置，可针对构件内某一特定关键部分的钢筋进行加速锈蚀破坏。该套装置的工作原理如图1 所示。

图1 电化学加速钢筋锈蚀原理图

将混凝土中内置的待锈蚀钢筋与直流电源正极连接作为阳极，外设金属网与电源负极连接作为阴极，在电场作用下，电流由钢筋穿过混凝土流向外部金属网。在这一过程中，阳极钢筋发生氧化反应，铁单质失去电子进入溶液，反应过程见式（2）；外设阴极金属电极处发生还原反应，氧气得到电子被还原，见式（3）。钢筋锈蚀后的产物较反应前将发生体积膨胀，膨胀应力积累到一定程度即可引起结构开裂。

该装置可通过调节外加电流的大小控制反应发生速度，钢筋的锈蚀质量可通过法拉第定律进行定量计算，锈蚀质量Δm 的计算见式（4）：

式中，n 为被溶解的钢筋的物质的量，mol；M 为铁的摩尔质量，55.8 g·mol-1；Q 为通过钢筋的电量，C；F 为法拉第常数，96 485 C·mol-1；为离子价位绝对值，对铁取2；I（t）为外加电流，A；t 为通电时间，s。

3 试验过程

3.1 装置设计

本文分别对板与梁两类承重构件进行现场应用装置设计，如图2～图4 所示。

图2 结构板破除装置剖面图

图3 结构板破除装置平面图

图4 结构梁破除装置剖面图

结构梁（板）破除装置由内向外分别为建筑毯、钢丝网片与塑料布。建筑毯用石灰水溶液浸透，用于提供良好电路通路；钢丝网片置于正对待破除结构位置，与建筑毯紧密接触；外层塑料布用于减慢水分蒸发。应用该装置前，需提前对结构进行局部保护层破除，露出外层钢筋并与直流电源正极相连，将钢丝网片与电源负极相连，然后即可开始通电加速锈蚀。

3.2 现场试验

本试验通过对某一待拆除板进行现场应用来评价实际效果。根据图纸资料，该结构板厚度为160 mm，双层双向配置直径10 mm 间距150 mm HRB400 钢筋，保护层厚度25 mm。

试验中，选定结构板上表面中部500 mm×500 mm 区域进行通电（见图5），电流密度为8 A/m2（以钢筋表面积计算），通电时间15 d。通电过程中，每天定期对结构板面通电区域进行强度回弹检测，15 d 后对板面进行破除，以观察钢筋锈蚀情况。强度回弹检测点布置如图6 所示。

图6 混凝土强度测点布置图（单位：mm)

4 试验结果与讨论

4.1 混凝土强度

通电过程中，各测点混凝土强度随时间变化，如图7 所示。通电前5 d 未见有明显变化，自第5 d 强度开始发生下降。通电8 d 后，通电区域多个位置可通过回弹仪敲击回声判断板内出现了明显的空鼓，表明此时混凝土结构已经受到了一定程度的破坏。通电15 d 后，混凝土强度下降约30%～50%。

图7 通电区强度变化曲线图

4.2 钢筋锈蚀状况

通电结束后，对混凝土保护层进行破除。破除过程中，通电区域混凝土保护层较未通电区域更为疏松，可成片从钢筋上剥落，如图8 所示。保护层破除后的钢筋表面覆盖油污状锈渍，局部钢筋表面月牙肋已完全锈蚀，失去与混凝土之间的咬合作用。

图8 保护层混凝土破除

由式（3）可从理论上计算以8 A/m2电流密度通电15 d 后的钢筋质量损失为374.8 g，通电区域上层双向钢筋总质量经计算约为2 464.9 g，则钢筋理论质量损失率为15.2%。经测量，锈蚀后的钢筋横截面近似为椭圆形，短轴长度在8～9 mm，长轴为10 mm，由此估算钢筋质量损失约为10%～20%，与理论计算基本吻合。

5 结语

本文通过理论设计与现场试验，初步验证了电化学拆除技术对结构具备一定的破坏作用，后续将通过设置不同通电参数对不同构件类型进行试验，探究其在实际工程中的可行性。建筑拆除是结构全寿命周期当中的一环，相比与传统人工、机械、爆破拆除方法，电化学拆除技术具有扰动小、无噪声、低扬尘等潜在优点，并且在理论上，可通过在关键承重构件上设置拆除装置，实现定向、无人化拆除，适用于有毒或辐射等特殊作业环境。