電沉積法修復(fù)混凝土裂縫技術(shù)探討

任晶軒

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

電沉積法修復(fù)混凝土裂縫技術(shù)探討

任晶軒

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

隨著鋼筋混凝土材料發(fā)展到如今,它已經(jīng)開始在我們生活中發(fā)揮著不可替代的作用。對(duì)于我們來說，修復(fù)裂縫就是為了防止未來混凝土隨著時(shí)間日積月費(fèi)遭到不可恢復(fù)性的破壞。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受混凝土內(nèi)部因素和外部環(huán)境(如溫度等)的共同作用,易產(chǎn)生裂縫(外部和內(nèi)部),造成局部損傷和腐蝕破壞等病害,隨著日積月累,這些病害會(huì)不斷擴(kuò)大,以至于混凝土材料本來良好的性能不斷降低，嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成災(zāi)難性事故，從而嚴(yán)重影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。[1]于是混凝土裂縫修復(fù)自然就成了我們密切關(guān)注的問題，裂縫事關(guān)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和耐久性，因此，如何修復(fù)裂縫自然也就成為了學(xué)術(shù)界和工程界研究的課題。[2,3]

混凝土裂縫；電化學(xué)反應(yīng)；裂縫修復(fù)

一、裂縫成因及修復(fù)新技術(shù)

混凝土裂縫類別的劃分有很多種標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)裂縫形成原因,可以分為由非荷載引起的裂縫和結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載引起的裂縫。

作用在結(jié)構(gòu)上的荷載使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫是由于混凝土材料抗拉性弱這一特性造成的。由非荷載原因引起裂縫的主要有溫差過大、混凝土收縮、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)和基礎(chǔ)不均勻沉降等因素。熱脹冷縮就是混凝土結(jié)構(gòu)隨著外界溫度的變化而造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。

隨著對(duì)混凝土的大量使用，我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)和修復(fù)混凝土裂縫這方面到目前為止提出了多種有效的措施和辦法，最近這些年，又有多種新型材料可以有效解決裂縫問題，同事，在裂縫修復(fù)的技術(shù)上也提出了許多新的方法。如，混凝土自修復(fù)法中的結(jié)晶沉淀法、滲透結(jié)晶法等；另外，聚脲技術(shù)也是一種新的技術(shù)，這是一種剛發(fā)展起來的施工技術(shù)，具有無污染、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

二、電沉積法研究

(一)電沉積法研究現(xiàn)狀

電沉積法的工作原理來源于高中化學(xué)就已經(jīng)接觸過的電解知識(shí)，它在微電子、陶瓷等方面有著相當(dāng)大的應(yīng)用。因此我們自然可以想到運(yùn)用電解的原理將混凝土結(jié)構(gòu)性質(zhì)和水環(huán)境結(jié)合，通過電沉積法修復(fù)裂縫也是一種很好的辦法，同時(shí)，進(jìn)行該項(xiàng)研究，也是化學(xué)和工程相結(jié)合的一次很有意義的學(xué)科交叉研究。對(duì)于常規(guī)方法來說無論是在經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都存在諸多缺點(diǎn)，增加成本，且技術(shù)上不以保證質(zhì)量。一旦電沉積法研究成熟，那么無論是在成本上還是技術(shù)上都會(huì)產(chǎn)生巨大的積極作用，成本將大大節(jié)約，技術(shù)上對(duì)于原來我們無法修復(fù)的微裂縫，也可以進(jìn)行修復(fù)，無論是海工或水工混凝土的修復(fù)都不再是困難。日本一些學(xué)者對(duì)海工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的理論研究,他們的研究結(jié)果證明電沉積法可以用來彌補(bǔ)混凝土結(jié)果的裂縫。Hilbertz用該法進(jìn)行了修復(fù)混凝土裂縫的大量相關(guān)研究。近些年來,Ryu等也在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行這些方面的試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)的學(xué)者中,李卓球(武漢理工大學(xué))等進(jìn)行了“導(dǎo)電纖維混凝土裂縫的鈍化”試驗(yàn)研究[4,5]。

近年來我國(guó)應(yīng)用電沉積法進(jìn)行化學(xué)上的研究很多,但是把該化學(xué)方法應(yīng)用在砼裂縫處理上卻是空白。電沉積法最基本作用機(jī)理為:由于海水中含有豐富的離子，所以海水是天然的電解質(zhì)溶液，我們把混凝土構(gòu)件作為電解池陰極，選用一種惰性金屬材料(如鉑絲)作為陽極，這種惰性金屬不能失電子，在陰陽極之間加一個(gè)電場(chǎng)，構(gòu)成閉合回路，整個(gè)體系內(nèi)部會(huì)有微弱電流，電解開始，在陰陽極兩端發(fā)生著化學(xué)反應(yīng)，混凝土作為陰極，因此在其表面和裂縫中會(huì)有產(chǎn)物生成并沉積下來，通過該法進(jìn)行早期研究的是美國(guó)和日本，在80年代后期他們就通過陸地上的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，該法的可行性進(jìn)行初步探索。[2,8]基本情況如下:

Ryu設(shè)計(jì)電沉積試驗(yàn)，通直流電，用的是0.lmol/l的硫酸鋅溶液,試件采用經(jīng)15個(gè)月氯離子侵蝕的混凝土試件。連續(xù)通電8周,裂縫完全愈合。

(二)電沉積過程的電化學(xué)反應(yīng)特征、及控制方式

電沉積這一反應(yīng)過程本來就涉及本來就電化學(xué)、膠體等方面的知識(shí)。通常情況下,電沉積過程簡(jiǎn)單說來有以下5個(gè)步驟:①電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；②產(chǎn)物的生成；③一旦改變電位,兩個(gè)電極有充放電現(xiàn)象出現(xiàn)④溶液中正負(fù)離子在外加電場(chǎng)的作用下的相對(duì)移動(dòng)；⑤化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生與新物質(zhì)生長(zhǎng)過程和電解質(zhì)相中的傳質(zhì)步驟。另外，隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生存在一般化學(xué)反應(yīng)，我們不能理論地認(rèn)為得那么理想化，實(shí)際試驗(yàn)是綜合的。這個(gè)過程也并不是那么理想也存在很多矛盾，其中反應(yīng)離子的能量大小和離子活化能峰是存在的最主要的矛盾,主要影響因素則是電極電位、電極的表面積大小、反應(yīng)物的活性。

了解電沉積參數(shù),如電極裝置、電流密度等因素深入理解電化學(xué)動(dòng)力學(xué),弄清楚電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)的意義和動(dòng)力參數(shù)對(duì)裂縫愈合過程的影響才是真正深入研究電沉積過程的重點(diǎn)。不同的電解質(zhì)溶液進(jìn)行試驗(yàn)，那么試驗(yàn)過程中的生成物種類、裂縫愈合的效果好壞和生成物在陰極沉積速率的大小等參數(shù)也會(huì)有所不同。

(三)電沉積法的影響因素

根據(jù)儲(chǔ)洪強(qiáng)、孫達(dá)、蔣林華(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院)研究的“電沉積溶液濃度及溫度對(duì)修復(fù)混凝土裂縫的影響”的結(jié)論：(1)裂縫愈合率、表面覆蓋率這兩個(gè)參數(shù)隨電沉積溶液濃度的減小而增加,裂縫填充深度將隨濃度的減小而減??；(2)表面覆蓋率會(huì)隨電沉積溶液溫度的降低而增大,溫度并不是影響裂縫填充深度的主要因素，裂縫愈合率會(huì)隨溫度的降低而逐漸降低；(3)電沉積溶液的濃度和溫度對(duì)質(zhì)量增加率無影響。

最后，從實(shí)際效果我們發(fā)現(xiàn)溶液里的離子濃度是影響修復(fù)效果的一個(gè)重要因素。

(四)目前電沉積法有待解決的問題

從電解的基本原理、結(jié)果評(píng)價(jià)方法與各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析來看,裂縫中沉積物的力學(xué)性能好壞，強(qiáng)度是否滿足要求，電解質(zhì)濃度大小、電流密度大小、通電時(shí)間長(zhǎng)短等試驗(yàn)參數(shù)決定了裂縫愈合效果,而工藝參數(shù)則由周圍的具體環(huán)境以及構(gòu)件的因素決定。事實(shí)證明，電沉積法是一種新型的并且有極大研究?jī)r(jià)值的修復(fù)方法，原理上是完全正確的，并且是一種節(jié)約成本且十分有效的方法。通過電化學(xué)中的電解原理在裂縫處誘導(dǎo)成核，產(chǎn)生生成物，有金屬單質(zhì)，氧化物等不溶性晶體沉積入縫，效果甚好。但現(xiàn)在這個(gè)課題還有許多問題需要我們解決。

(1)原理這塊兒已經(jīng)成熟，但是在實(shí)驗(yàn)室里面實(shí)際效果不太容易控制，實(shí)際效果并不是很明顯；

(2)實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，前期沉積速度較快，而后期較慢；

(3)目前還無法完全實(shí)現(xiàn)在工程實(shí)際中的有效操作，比如說，如何低成本條件下將深水下的構(gòu)件和外加電源連接成為電解池；我們還需要模擬深海中的低溫環(huán)境來檢測(cè)低溫環(huán)境下是否能夠有效實(shí)現(xiàn)沉積；

(4)不同電極材料對(duì)沉積效果是否有影響。

[1]儲(chǔ)洪強(qiáng).電沉積方法修復(fù)混凝土裂縫技術(shù)研究[D].河海大學(xué),2005.

[2]蔣正武,孫振平,王培銘.電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的機(jī)理[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2004,32(11):1471-5.

[3]蔣正武,刑鋒,孫振平,et al.電沉積法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的基礎(chǔ)研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(3):5-8.

[4]FRANZONI E,VARUM H,NATALI M E,et al.Improvement of historic reinforced concrete/mortars by impregnation and electrochemical methods[J].Cement & Concrete Composites,2014,49(5):50-8.

[5]儲(chǔ)洪強(qiáng),王培銘,蔣林華.電化學(xué)沉積法修復(fù)混凝土裂縫的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2010,24(11):120-3.

任晶軒(1991.3-)，男，漢，河南，研究生在讀，重慶交通大學(xué)，研究方向：港口航道及近海工程。