張鐵男，陳正發(fā)，劉桂鳳，彭高舉

（1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學建筑工程學院，山東 淄博 255049）

電沉積法修復鋼筋混凝土裂縫效果的研究

張鐵男1，陳正發(fā)2，劉桂鳳2，彭高舉1

（1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；

2.山東理工大學建筑工程學院，山東 淄博 255049）

裂縫是影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素，而電化學沉積法對于混凝土裂縫的修復有著獨特的優(yōu)勢。通過試驗現(xiàn)象，分析了其沉積物的形成和質(zhì)量變化的內(nèi)因，同時得出了Mg（NO3）2電解液的修復效果優(yōu)于ZnSO4電解液的修復效果，且二者均不能完全填充裂縫的結(jié)論；并通過分析修復后混凝土試塊表面覆蓋率隨時間的變化規(guī)律，得到了混凝土試塊在不同電解液濃度及不同電流條件共同作用下表面覆蓋率隨時間變化的經(jīng)驗公式。

電化學；混凝土；裂縫；表面覆蓋

0 引言

由于混凝土材料具有抗壓強度高、抗拉強度低及非勻質(zhì)脆性等特點，導致了混凝土裂縫成為了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的常見缺陷。它不僅嚴重影響了結(jié)構(gòu)的美觀性和使用性，而且裂縫的出現(xiàn)，為外部介質(zhì)提供了直接接觸鋼筋的通道，氯離子、水蒸氣等可直接腐蝕鋼筋表面，導致鋼筋銹蝕，這也嚴重影響了結(jié)構(gòu)的耐久性。混凝土裂縫的修復方法很多，主要有混凝土置換法、填充法、灌漿法、表面修補法、結(jié)構(gòu)加固法、電化學沉積法、混凝土自修復法及聚脲技術(shù)[1-2]，其中混凝土置換法、填充法、灌漿法、表面修補法和結(jié)構(gòu)加固法是傳統(tǒng)的混凝土裂縫修復方法，應(yīng)用廣泛。而電化學沉積法、混凝土自修復技術(shù)及聚脲技術(shù)是新興的修復混凝土裂縫的方法，尚未成熟。其中電化學沉積法修復混凝土裂縫是20世紀末發(fā)展出來的一種新興的混凝土修復方法。帶裂縫混凝土置于電解液環(huán)境中，通過一定的電流，其內(nèi)部鋼筋作為陰極，外部再附加陽極形成閉合回路。混凝土作為一種離子導體，在電場作用下于電解液中發(fā)生一系列的化學反應(yīng)并生成沉積物，填塞裂縫，從而達到混凝土裂縫修復的目的。這種方法解決了傳統(tǒng)修復方法存在的二次裂縫的問題，且該方法特別適用于傳統(tǒng)的修復方法難以奏效的海工結(jié)構(gòu)[3]，同時也表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)越性和適用性。

關(guān)于電沉積法修復混凝土裂縫，國內(nèi)外學者已進行了大量研究。首先日本學者[4-7]對此種方法進行了嘗試，并進行了實際工程的應(yīng)用，通過透水系數(shù)、彎曲強度、X射線、SEM等評價混凝土裂縫的修復效果，證實了電化學方法修復混凝土結(jié)構(gòu)的有效性。國內(nèi)學者[8-13]也證明了這種方法的可行性，設(shè)計試驗系統(tǒng)，同時以質(zhì)量增加量、表面愈合率、超聲波速等方法來評定混凝土裂縫的修復效果，也有人通過細觀力學方法分析電沉積法修復后的飽和混凝土的性能。但多數(shù)研究依然停留在實驗層面，對于修復效果的系統(tǒng)化、定量化的研究尚且存在不足，仍不能用于有效的指導工程實踐。

本文通過對不同種類及不同電解液濃度的裂縫修復效果進行了比較，分析了試驗現(xiàn)象出現(xiàn)的機理。其次，通過表面覆蓋率、質(zhì)量變化量等對修復效果進行了評價。最后根據(jù)混凝土在不同電解液濃度、不通電流條件以及不同時間段的多因素共同作用下其表面覆蓋率的變化規(guī)律總結(jié)出了經(jīng)驗公式。

1 試驗

1.1 試驗原材料與配合比

水泥：P·O42.5水泥；機制砂：山東萬泰建筑骨料有限公司產(chǎn)，石粉含量8.9%，細度模數(shù)3.4，表觀密度2560 kg/m3，堆積密度1693 kg/m3，含水率0.09%；粗骨料：取自工程現(xiàn)場，經(jīng)測試表觀密度2688 kg/m3，堆積密度1753 kg/m3，壓碎指標9.1%，針、片狀顆粒含量1.2%；水：普通自來水。通過試驗確定的混凝土質(zhì)量配合比為：水泥∶砂∶石子∶水=1.00∶1.51∶2.47∶0.48。

電解質(zhì)：ZnSO4，分析純，天津市永大化學試劑有限公司生產(chǎn)，ZnSO4·7H2O含量不小于99.5%；Mg（NO3）2，天津博迪化工股份有限公司生產(chǎn)，Mg（NO3）2·6H2O含量不小于99.0%。電解質(zhì)溶液用去離子水配制。

1.2 試件制作與養(yǎng)護

試驗采用70 mm×70 mm×210 mm的長方體混凝土試塊，混凝土保護層厚度30mm。為嚴格控制水灰比、砂率等參數(shù)，統(tǒng)一采用混凝土強制式攪拌機（SJD 100型單臥軸強制式混凝土攪拌機）攪拌，混凝土坍落度控制在75～90 mm。在試塊的橫斷面中心位置處，沿試塊縱向埋置φ8 mm光圓鋼筋。本試驗自行設(shè)計了裂縫預制架，預制裂縫寬度為0.3 mm，深度為30 mm。將涂好脫模劑的裂縫預制架置于試?？v向中間位置處并固定，分3次向試模內(nèi)澆筑混凝土。將澆筑振搗完成的混凝土試塊置于標準環(huán)境下養(yǎng)護24 h后脫模。將成型拆模后的試塊放在（20±3）℃、相對濕度大于90%的標準環(huán)境下養(yǎng)護到28d。

1.3 試驗方法

試驗裝置如圖1所示。將帶裂縫的混凝土試件分為9組，每組3塊。容器內(nèi)的電解質(zhì)溶液設(shè)置3種不同濃度，分別為0.1、0.3、0.5 mol/L。同時設(shè)置1組濃度為0.3 mol/L的ZnSO4電解質(zhì)溶液，與0.3 mol/L的Mg（NO3）2的電解質(zhì)溶液進行修復效果的對比。采用0～30 V的可調(diào)直流穩(wěn)壓器作為外加電源，將裸露在混凝土外的鋼筋連接電源負極后涂抹硅橡膠密封，同時溶液中的鈦板連接到電源正極，形成閉合回路。通過的電流的強度分別為10、20、30 mA。試驗周期為28 d，為保證試驗環(huán)境的相對恒定，每隔7 d更換1次電解液，并通過測量表面覆蓋面積及質(zhì)量的變化對裂縫修復程度進行評估。

圖1 試驗裝置示意

2 現(xiàn)象與分析

電流接通后，裂縫及電極附近有氣泡冒出。隨著試驗的進行，試塊表面及裂縫處有沉積物生成，外加陽極附近也有白色沉淀生成。生成氣體的離子反應(yīng)為：

生成沉淀的離子反應(yīng)為：

電極在電場作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，陰極氣泡為H+還原生成的氫氣，陽極為水氧化生成的氧氣，電解槽底部以及試件表面沉積物為Mg（OH）2和MgCO3。在電場力作用下Mg2+、H+等陽離子向陰極移動，吸附于混凝土內(nèi)部孔隙與表面及裂縫處，OH-、NO3-等陰離子向陽極移動，Mg2+與OH-結(jié)合生成Mg（OH）2沉積物。另外，本次試驗使用的砂為機制砂，主要成分為碳酸鈣，陰極生成的H+在電場作用下，向混凝土內(nèi)部遷移，與機制砂中的CaCO3發(fā)生微弱反應(yīng)，生成HCO3-與Ca2+，造成部分碳酸鈣溶解。如圖2所示說明了混凝土內(nèi)部機制砂的反應(yīng)及離子運移情況。而且混凝土內(nèi)部Ca（OH）2等微溶物中的OH-等陰離子在外加電場作用下向混凝土外運動，間接加強了混凝土內(nèi)部的酸性，給H+與CaCO3的反應(yīng)增加了動力，在試塊表面生成了MgCO3白色沉積物。

圖2 離子運移示意

Mg（NO3）2與ZnSO4作為電解液在裂縫周圍出現(xiàn)沉積物的方式不同，如圖3所示。

圖3 不同電解質(zhì)溶液時沉積物位置

由圖3可知，Mg（NO3）2電解液在修復混凝土裂縫中直接沿著裂縫深度方向生成沉積物，進行裂縫的填充愈合；ZnSO4作為電解液時，沉積物在混凝土裂縫面上進行覆蓋，隨通電時間的延長，沉積物厚度逐漸增加，進而實現(xiàn)裂縫的愈合。由于Mg（NO3）2電解質(zhì)溶液修復混凝土裂縫時，生成主要沉積物為微溶物Mg（OH）2，在電解液中處于動態(tài)平衡狀態(tài)；ZnSO4電解質(zhì)溶液修復生成的主要沉積物為不溶物ZnO，在電解液中其電阻要大于Mg（OH）2的電阻，因此導致反應(yīng)初始階段裂縫底部生成沉積物后，裂縫處電流集中不明顯，電勢隨著裂縫深度不發(fā)生明顯變化，最終導致沉積物沉積在整個裂縫側(cè)壁上。此外，二者均可封閉裂縫，但均不能實現(xiàn)完美密實的填充，如圖4所示。

圖4 不同電解質(zhì)溶液修復后裂縫愈合效果

在試驗過程中，與附加陽極垂直的混凝土側(cè)面生成沉積物厚大，而平行附加陽極的側(cè)面并沒有出現(xiàn)同樣面積與厚度的沉積物，如圖5所示。在通電過程中陽極反應(yīng)生成的氣泡上升，到達混凝土試塊的平行于附加陽極的側(cè)面，加之該側(cè)面水平置于電解槽內(nèi)，導致氣泡吸附在混凝土該側(cè)面不能及時排出到電解液以外。引起該面可發(fā)生化學反應(yīng)與離子交換的有效面積減小。另外由于該側(cè)面與電極之間距離較小，隨著電化學反應(yīng)的進行，陽極附近超電勢突出，濃差極化明顯，因此在該側(cè)面上生成的沉積物的厚度小于垂直附加陽極的混凝土側(cè)面上所生成沉積物厚度。

圖5 不同混凝土面沉積物的數(shù)量

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量變化率與電流、電解液濃度之間的關(guān)系

在試驗過程中，記錄試塊的質(zhì)量變化率和表面覆蓋率，作為電沉積法修復效果的一種指標[14]，質(zhì)量變化率Rm按式（1）計算，表面覆蓋率Rs按式（2）計算：

式中：mt——某時刻試件的質(zhì)量，kg；m0——試件的初始質(zhì)量，kg。

式中：Sc——覆蓋物的面積，cm2；

St——試件的總面積，cm2。

質(zhì)量變化率與電流、電解液濃度之間的關(guān)系如圖6所示

圖6 質(zhì)量變化率與電流、電解液濃度的關(guān)系

由圖6可知，在某一恒定電流條件下，質(zhì)量變化率隨著電解質(zhì)溶液濃度的增大而減小。在電解質(zhì)溶液的濃度一定時，質(zhì)量變化率也隨著電流的增大而減小。說明當電解液濃度越大時，活性粒子數(shù)量越多，反應(yīng)進行得越快；在采用電流越大的情況下，電場強度越大，電沉積反應(yīng)動力大，反應(yīng)也能夠快速進行。而反應(yīng)速率越大，形成沉積物越粗大，排列越疏松，沉積物密度越小。同時，電極極化增大，沉積物快速生成，導致H+向鋼筋運動動力迅速增大，與CaCO3反應(yīng)速率增大，溶解碳酸鈣數(shù)量增加，因此質(zhì)量變化率反而減小。

試驗中采用了3種不同濃度的Mg（NO3）2電解液及3種不同的電流進行修復，其表面覆蓋速率（表面覆蓋率與時間的比值）隨時間的變化如圖7所示。

圖7 表面覆蓋速率隨時間的變化

圖7（a）～圖7（c）結(jié)果表明，電解質(zhì)液濃度一定時，無論試驗采用何種濃度，電解質(zhì)溶液中離子反應(yīng)速率將會隨著電流密度的增大而增大；同理，圖7（d）～圖7（f）結(jié)果表明，電流一定時，無論試驗中采用何種電流，電解質(zhì)溶液中離子反應(yīng)速率將會隨著電解液濃度的增大而增大。并且由圖7還可以看出，在電沉積修復過程中，修復的初始階段表面覆蓋速率最大，隨著修復的進行，表面覆蓋速率逐漸減小至趨于0。由于在修復過程中外電流做功功率始終不變，因此在修復的最后階段，表面覆蓋率趨于穩(wěn)定，但是覆蓋厚度增加。

3.2 多因素共同作用下的經(jīng)驗公式總結(jié)

根據(jù)表面覆蓋率與時間、電流及電解液濃度之間的關(guān)系，探索出了如式（3）所示共同作用下的經(jīng)驗公式，當選定電解質(zhì)溶液濃度分別為0.1、0.3、0.5 mol/L時，公式擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.978、0.984、0.986，與試驗結(jié)果吻合程度較好。

式中：R——表面覆蓋率，%；

A——電解液濃度，mol/L；

B——電流，mA；

t——時間，d。

對電解質(zhì)溶液濃度為0.5 mol/L、不同電流條件下測得的實測值與公式模型計算值進行了對比，結(jié)果見圖8。

由圖8可以看出，公式計算與試驗結(jié)果具有較好的吻合程度。由計算模型可以看出，在濃度一定的情況下，表面覆蓋率隨著電流增大與時間的延長而增大，但不會無限增大，時間越長，表面覆蓋率越穩(wěn)定，這與試驗數(shù)據(jù)規(guī)律也一致。

圖8 0.5 mol/L條件下實測值與計算值的比較

4 結(jié)論

（1）Mg（NO3）2與ZnSO4作為電解液時都能封閉鋼筋混凝土裂縫，但二者在裂縫中生成沉積物的方式不同，且不能實現(xiàn)裂縫的完美填充。

（2）修復鋼筋混凝土裂縫過程中混凝土的原材料及修復條件對修復效果存在影響。質(zhì)量變化率隨電流的增大和電解質(zhì)溶液濃度的增大而減小。

（3）修復過程中試件的表面覆蓋速率隨著時間的延長而逐漸減小，在外電流做功一定的條件下，最終表面覆蓋速率趨于0，表面覆蓋厚度逐漸增加。

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The effect of electrodeposition method on repairing reinforced concrete cracks

ZHANG Tienan1，CHEN Zhengfa2，LIU Guifeng2，PENG Gaoju1
（1.School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；
2.School of Architecture Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

The crack is a main factor to the durability of concrete，while electrochemical deposition method has a special advantage of repairing concrete cracks.The internal origin of the form of deposition and the change of its mass was studied based on experimental phenomena and data.Meanwhile，it could be concluded that the effect of Mg（NO3）2solution is superior to ZnSO4，but neither can repair the cracks completely.Besides，based on the analysis of surface coverage rate changing over time，the fit relation of surface coverage rate changing over time under the conditions of different currents and concentrations of solution is obtained.

electrochemical，concrete，cracks，surface coverage

TU472.5

A

1001-702X（2016）09-0025-05

國家自然科學基金項目（51478345）；山東省自然科學基金項目（ZR2013EEL019）；水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室開放研究基金資助課題（sklhse-2013-C-01）；山東省高等學校科技計劃項目（J13LG10）

2016-01-23；

2016-04-13

張鐵男，男，1990年生，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，主要研究方向為土木工程材料。