电沉积修复混凝土裂缝技术研究进展及研究方向.pdf
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1、2 0 1 3年 第 2 期 (总 第 2 8 0 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l N o 2 8 0 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL T ECHN0L 0GY d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 4 0 电沉积修复混凝土裂缝技术研究进展及研究方向 李森林 1 I ,卢青法 。 ,徐宁 1 l 2 。张骏 ( 1 南京水利科学研究院,江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ;2 水利部水工新材料工程技术研究中心 ,江苏
2、 南京 2 1 0 0 2 9 ; 3 宁波港股份有限公司北仑矿石码头分公司 ,浙江 宁波 3 1 5 8 0 0 ;4 宁波港海港工程有限公司 ,浙江 宁波 3 1 5 8 0 0 ) 摘要 : 在总结 国内外相关研究成果的基础上, 从 电沉积系统装置 、 技术参数影响、 修复效果评定 、 微观机理及电沉积 的优劣势 等五方面详细阐述了电沉积修复裂缝技术的研究现状 , 探讨 了该技术 的存在问题及进一步研究的方向。 电沉积机理研究、 沉积过 程控制、 电沉积效果评价及现场应用研究应作为今后研究的重要方向。 关键词 : 电沉积 ;裂缝;混凝土 中图分类号 : T U 5 2 8 0 7 文献标
3、志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 1 3 9 0 4 Re s e a r c h p r og r e s s a n d d i r e c t i o n o f e l e ctr o - de p o s i t i o n me t h o d f o r r e p a i r o f c on c r e t e c r a c k s u S e n 一 豇 n 1 ,2 L UQ i n g - f a 3 , XUN i n g 1 , 2 Z H A N GJ u n ( 1 Na n j i n g H y
4、d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e , Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 , C h i n a ;2 R e s e arc h C e n t e r o n Ne w Ma t e r i a l s i n H y dra u l i c S t r u c t u r e s o f Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s , N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 , C h i n a ; 3 N i n g b o P o r t C o
5、, L t d , B e i l u n I r o nO r e T e r m i n a l B r a n c h , Ni n g b o 3 1 5 8 0 0 , C h i n a ; 4 N i n g b o P o rtH arb o u r E n g i n e e r i n g C o , L t d , N i n g b o 3 1 5 8 0 0 , C h i n a ) Ab s t r a ct : Ba s e d o n s u mmi n g u p t h e r e l e v a n t r e s e arc h r e s u l t
6、 s a t h o me a n d a b r o a d , the r e s e a r c h p r o g r e s s o f e l e c t r o - d e p o s i t i o n me tho d f o r r e p a i r o f c o n c r e t e c r a c ks wa s i n tro d u c e d f r om e l e c t r o d e po s i t i o n d e vi c e s , e v a l u a t i ng me thod f o r r ep a i r e ffe c t
7、, i nfl ue nc e o f t e c h n i c a l para me t e r s o n e l e c tro d e po s i t i o n e ffe c t , the c h e mi c a l c o mpo s i t i o n a n d pr o p e r t i e s o f e l e c tro d ep o s i t , a dv an t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f e l e c - tr o - d e p o s i t i o n me tho d T h
8、e p r o b l e m an d f u t u r e r e s e arc h o f t h e t e c h n i q u e Was d i s c u s s e d S t u d y o n t h e me c h a n i s m o f e l e c tr o - d e p o s i t i o n, de p os i t i o n p r o c e s s c o n tro l , e va l u a t i n g me thod for r ep a i r e ffe c t , an d s tud y o n fie l d a
9、 p pl i c a t i o n s ho u l d b e u s e d a s an i mp o r t a n t d i r e c t i o n forfut u r e r e s e arc h Ke y w o r d s : e l e c tr o d e p o s i t i o n me t h o d; c roc k ; c o n c r e t e 0 引 言 钢筋混凝土结 构因其 自身特性 , 裂缝几乎 不可避免 , 而裂缝 的存在势必会对结构物 的使用性和耐久性产生一 定 的影响 , 严重时甚至会影响结构物 的安全 , 因此 , 针对混 凝
10、土裂缝修复技术 的研究 , 一直是学术界与工程界所关注 的热点。 电沉积法是一种电化学混凝土裂缝修复技术, 特 别适用 于传统修复技术难 以凑效或价格 昂贵的混凝 土结 构0 - 2 。 该技术最早始于 2 0世纪 8 0年代后期的 日本 , 我 国在这方 面的研究起步较 晚 , 目前 尚处于室内探讨研究阶 段 。 本研究在总结 国内外相关研究成果 的基础上 , 从 电沉积 系统装置 、 技术参数影 响、 修复效果评定 、 微观机理及电沉 积的优劣势五方面介绍了电沉积修复混凝土裂缝技术的 研究进展, 探讨了该技术存在的问题及进一步研究的方向。 1电沉积原理 电沉积修复混凝土裂缝技术的基本原理
11、_ q 是以混凝 土中的钢筋为阴极, 置于混凝土表面电解质溶液中的电极 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 8 1 0 为 阳极 , 在 阴、 阳极 之间通一直流电 , 在 电场的作用下 , 正 、 负离子发生迁移 , 并发生 电化化学反应 , 于混凝 土裂缝 或 缺陷处 , 生成难溶性无机盐类产物 , 如 C a C O 、 Mg ( O H) 或 Z n O等 , 从而达到修复裂缝或缺陷的效果 。 当采用不同的电 解质溶液时, 会有不同的电极反应与沉淀机理5 -9 , 见表 l 。 该技术不但可修复裂缝, 而且可在混凝土表面形成一层坚 硬而致密的沉积物, 具有自我封闭保护作用。 此外,
12、实施该 技术还 可改善混凝 土孑 L 结 构 , 提高混凝土密实性 , 具有一 举三效之功能。 2 研 究进展 2 1 电沉积 系统装置 由电沉 积原理 可知 , 电沉积系统应包括 电解质 、 外部 阳极及电源 3 个必要部分。 ( 1 ) 电解质溶液。 针对于电沉积用电解质溶液, 国内外学 者6 - 7 2 尝试对 M 1 2 、 Mg ( N O 3 ) 2 、 Mg S O 4 、 Mg S 2 0 3 、 Z n S O 4 、 C a ( N O 3 ) 2 、 Mg ( C H 3 C O O) 2 、 C a ( C H 3 C O O) 2 、 Mg ( N O 3 ) 2 +
13、 K 2 B 2 o 5 、 A g NO 3 、 C u C 1 2 、 C u S O 4 、 C a ( O H) 2 、 N a H C O n C a C h 、 A 1 2 ( S O 4 ) 3 1 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 电极反应与沉淀机理 和 P b ( N 0 , ) 等电解质溶液进行了试验研究 , 姚武等认为 Z n S O 溶液 的 电沉 积效果 最好嘲; 储洪 强等认 为 Mg S O 、 Z n S O 、 Mg C 1 : 等 3种溶 液均 可 取得 较好 的沉 积效 果 ; T N i s h i a 与
14、R y u 等 “ 选用 Mg ( C H 3 c o o) 2 溶液作为 电沉 积试验的电解质。 总体来说 , 可溶性 的镁盐或锌盐是较为理 想的电解质溶液 , 但对 电解 质溶液浓度的选择 , 目前 尚未 取得一致认识 , 普遍认为裂缝的填充深度随浓度的增加而增 大 , 表 面覆盖率和裂缝愈合率则随浓度 的增 大而减小【 l3 4 。 W Y o d u d i a i 等 认 为 , 0 1 mo l L的溶液浓 度最为有效 。 储 洪强等 研究表明0 0 5 mo l L的溶液浓度是较为经济的选 择 , 同时指 出应根据实际情况及浓度对电沉积效果 的影响 综合确定。 海水中的常量元素中
15、M 约为 1 2 8 g k g , 浓度约为 0 0 5 m o l L , 可作为 良好 的天然电解质溶液 , 目前李勇 已 开展了该项研究 , 研究成果表 明海水可作为电沉积电解质 溶液 , 且部分指标优于 Z n S O 溶液。 今后应 加强开 展海水 中混凝土裂缝的电沉积修复技术的研究 , 特别是实体工程 试验研究 。 ( 2 ) 外部 阳极 。 外部阳极按其溶解度可分为易溶 、 微溶 与难溶等 3 种。 考虑到电沉积实施过程中, 阳极发射电流 密度大, 通电时间长, 故要求阳极必须满足排流量大、 极化 率小 、 耐氯腐蚀 、 消耗率小等特点 。 储洪强 等尝试利用 圆 柱石墨 、
16、片状钛 网板及棱柱状钛 网板作为 阳极 , 并研究 了 辅助阳极与钢筋距离对电沉积效果 的影响 , 结果表明棱柱 状钛网作 为阳极电沉积效果最优 。 李森林等 比较了铜包 铌镀铂丝、 铂钛复合丝、 镀铂钛丝和铂铌复合丝四种阳极 材料 , 结果表明铂铌复合阳极的电化学性能相对优 良、 损 耗极小 , 同时铂铌复合阳极丝较为柔韧, 可针对不同的钢 筋混凝土构件弯曲布设, 是一种经济合理, 性能优良的阳 极材料。 当前 , 多数学者直接选用钛网板作为外部阳极 , 对 阳极材料 的选用研究较少 ; 且 目前开展 的多为室 内试验 , 对阳极布置方式研究相对较少 。 ( 3 ) 电源。 根据电沉积原理
17、, 电源应选用直流电源。 具体 电源参数选择主要以通过钢筋表面电流的大小为依据 , 电 流密度小, 裂缝填充深度深, 愈合效果好 , 但通电时间长 ; 电流密度太大, 会引起混凝土开裂等负面效应 。 通常情况 下, 电流密度控制在 0 2 5 1 0 A m2 范围内, 考虑到安全因素, 直流 电源的电源通常在 1 0 3 0 v, 通 电时间在 2 0 1 8 0 d 。 从电源的供电方式来讲, 主要有直流不间断供电和间 断( 脉冲) 供电。 于丽波尝试采用脉冲电沉积方法进行混 凝土裂缝修复的试验研究, 结果表明选择合适的电解液浓 度及脉冲参数, 在相同的通电时间内, 脉冲电沉积方法得 1
18、40 到的沉积效果要优于直流 电沉积方法 , 沉积产物 的主要成 分不变 , 但沉积物的形貌发生改变 , 形态更趋于稳定。 2 2 裂缝修 复效果评定方法 如何有效评 价钢筋混凝 土裂缝 的愈合效果一 直是电 沉积法修复钢筋混凝土裂缝研究 的难点和热点。 现有 的评 价方法主要集 中在四个方面I S 1 9 - 2 2 1 : 沉积物 的产生量及分 布, 如质量增加率、 表面覆盖率等; 裂缝的闭合度 , 如裂 缝愈合率和填充深度等; 混凝土性能的改善 , 如混凝土 抗碳化性能 、 抗渗性能( 透水系数 ) 等 ; 钢筋锈蚀状况 , 极 化电位、 极化曲线等。 以上评价指标均从一定的角度反映了
19、裂缝修复的效果, 而裂缝修复对结构物性能的影响如何, 尚 缺少统一的评定方法 , 因此, 对混凝土结构整体性能的影响 评价应作为今后裂缝修复效果评价方法研究的重点方向。 2 3 技术参数对电沉积效果的影响 技术参数对电沉积效果的影 响, 目前 主要针对混凝土 结构技术参数及电沉积系统参数两方面开展了研究。 混凝土结构技术参数方面 , 主要开展了水灰 比、 保护 层厚度 、 裂缝宽度等方面的研究 , 主要成果【9 , 1 9 - 2 0 有 : 水灰 比 越大对质量增加率及裂缝愈合率越有利; 保护层越大越不 利于裂缝的愈合; 裂缝宽度越宽, 其愈合速度降低 , 但沉积 物在裂缝内填充的深度越深,
20、 此外蒋林华等还对裂缝越 宽 , 沉积物填充深度越深的原因进行 了分析论证。 电沉积系统参数方面, 主要开展了电解质溶液、 电流密度、 电量等方面的研究 , 主要成果有 : 储洪强等叫 以 0 0 5 m o l L的 Z n S O 4 和 Mg S O 4 溶液为电解质 , 以 4 0 m mx 4 0 m mx l 6 0 m m 的带裂缝砂浆试件为研究对象 , 研究 了 0 2 5 、 1 0 0 、 3 0 0 A m2 等 3种电流密度及 3 0 1 4 4 0 A h m 2 范围内的 1 0 种电量 对电沉积效果的影响。 结果表明: 表面覆盖率随电流密度 增大而增大 ; 裂缝内
21、沉积物的矿物成分并不 随电流密度 的变化而改变; 但沉积物的微观颗粒大小随电流密度的增 加而增大 ; 裂缝愈合率随电量 的增加 而增 大 , 且相 同电 量时, 较低的电流密度更有利于裂缝的愈合。 R y u 等人 22 - 2 3 研究认为 , 随电流密度 的增加 , 沉积物在裂缝处 的填充深 度减小, 电流密度越小, 裂缝愈合需要的时间越长, 沉积物 在裂缝处的填充深度越深 , 愈合效果越好; 表面覆盖率随 电流密度的变化规律基本与文献 2 1 一致。 文献 2 4 通过 测量混凝土透水系数和质量增加量等方法研究发现, 电流 密度越大沉积速度越快, 质量增加量也大, 且水渗透系数 降低;
22、进一步研究认为低电流密度, 较低沉积速度更有利 于生成结构排列紧密且强度高的沉积物的。 综上所述 , 国内外学者仅对水灰 比、 保护层厚度 、 裂缝 宽度 、 电流密度及电量等技术参数对电沉积效果的影响进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 行了研究, 尚需进一步研究混凝土配筋条件、 裂缝相对位 置、 裂缝深度、 裂缝成因以及环境条件等其他参数可能对 电沉积产生的影响, 建立混凝土参数一 环境条件一 通电参数 之间关系, 为科学、 安全、 合理地将该技术应用于工程实际 提供依据。 2 4 沉积物的化学成分及特性 质时 , 沉积产物为 Z n O; 以 Mg C 1
23、为 电解 质时沉积产物 为 Mg ( O H) 2 , 2 5 - 2 6 1 。 李 勇等 研究表 明, 以海水为电解质 时 , 沉 积物系 Mg ( O H) 与 C a C O 3 混合物, 其中近 8 5 3 Mg ( O H) 2 ; 以 Z n S O 为电解质时 , 沉积产物系 Z n O与 Z n ( O H) 混合物 , 且近 8 0 为 Z n O。 文献 2 7 】 研究表明, 溶液中加入外加剂只 对沉积物的微观结构有影 响 , 不 改变其化学组成 。 有关 文 R y u 等通过 X R D分析沉积产物发现 , 以 Z n S O 为电解 献 1 , 1 2 , 1 5
24、 , 2 5 - 2 9 1 介绍的沉积产物化学成分及特 陛见表 2 。 表 2 电沉积物的化学成分特性 采用不同的电解质溶液 , 因其 电极反应及 沉积机理不 同, 电沉积产物的组成 、 结构及性能不 同。 各类沉积物与混 凝土的黏结力均大于 1 5 MP a , 基本满足有关规范对混凝土 表面涂层黏结力的规定, 但对其形成过程及长期耐久性尚 有待进一步研究, 尤其对以海水为电解质形成的电沉积物 特性尚需系统研究, 以掌握在流动海水作用下沉积物的特 性及其长期耐久性 。 2 5 优劣势 电沉积修复裂缝 的主要优点有 : 无需破坏原有混凝 土保护层, 即可通过电流找到裂缝及缺陷部位并封闭, 可
25、使 整个区域内裂缝、 缺陷都得到处理, 特别适用于传统修复 技术难 以奏效的水下混凝土结构 ; 封 闭裂缝及混凝土表 面 , 提高混凝土水渗透系数 、 抗碳 化性能及 抗氯离子渗透 性1 - 2 , 1 1 - 1 3 ,2 5 嘲 ; 优化混凝土孔结构 1 2 , 1 5 ,2 5 , 提升混凝 土的 耐久 性能 ; 有效清除混凝土 内的氯离子 , 提高混凝 土的 碱性, 使混凝土内活化腐蚀的钢筋恢复钝化 1 l 2 8 。 电沉积处理需长时间通 电, 可能会对钢筋混凝土造成 负面影 响 , 如碱集料 反应 、 氢脆 、 握裹力减低等 , 且往往与 构件的几何形态、 钢筋布置方式、 钢筋电连
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