電壓對銹裂鋼筋混凝土電泳沉積修復效果的影響

王月 明， 王長 丹，*， 周順 華， 劉開偉

（1.同濟大學 道路交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海 201804；3.安徽建筑大學安徽省先進建筑材料工程實驗室，安徽 合肥 230601）

鋼筋混凝土結構的銹脹開裂每年為世界各國帶 來數(shù)以億計的經(jīng)濟損失，并容易引發(fā)安全事故［1-2］.因此，對于該結構的有效修復極其重要.現(xiàn)有的開裂損傷鋼筋混凝土修復方法主要包括混凝土置換法、注漿法和電化學沉積法等.混凝土置換法是使用修補材料代替局部性能劣化的混凝土保護層，從而實現(xiàn)對鋼筋混凝土結構補強的一種方法［3-4］.但該方法工藝復雜且修復效果易受多方面因素的影響，同時修補材料和原混凝土之間易發(fā)生宏電偶腐蝕［5］.注漿法一般用于修復對結構整體性有影響的混凝土裂縫，但對于細小裂縫和深層次裂縫較難實現(xiàn)有效滲透，進而影響其修復效果［6-8］.電化學沉積法特別適用于修復海工混凝土結構.該方法分別以混凝土內部鋼筋和外置在鹽溶液中的導電材料為陰陽極，兩極通以直流電后，經(jīng)過一系列電化學反應生成不溶性沉積鹽來填充修復混凝土裂縫［9-13］.但電化學沉積法修復周期較長，沉積鹽的孔隙較大，無法有效阻止水及有害離子侵入混凝土內部，為鋼筋混凝土的再次銹脹開裂埋下了隱患.

綜上，本文提出了電泳沉積修復法，在電場條件下使帶電環(huán)氧樹脂膠體粒子向銹脹開裂鋼筋混凝土裂縫處泳動、聚集、沉積，在封堵銹脹裂縫之后生成環(huán)氧樹脂保護膜.電壓強度決定了帶電膠體粒子的電泳沉積速度，對銹脹開裂鋼筋混凝土的電泳沉積修復效果有重要影響.

1 試驗

1.1 高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液的制備

高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液由水性陽離子環(huán)氧樹脂溶液及水性陽離子氨類固化劑溶液組成.水性陽離子環(huán)氧樹脂的合成方法：首先，在N2保護條件下，向裝有攪拌器、冷凝管、恒壓漏斗、溫度計的四口燒瓶中加入一定量的雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，在60℃下攪拌預熱，再緩慢滴二乙醇胺，并升溫至70℃反應180 min；然后，降溫至60℃并滴加冰乙酸反應30 min，其中環(huán)氧樹脂、二乙醇胺和冰乙酸的摩爾比為1.0∶1.0∶0.8.

單獨的環(huán)氧樹脂并不能固化膠結，需要輔以相應的固化劑，本試驗使用自制的水性陽離子氨類固化劑作為水性陽離子環(huán)氧樹脂的固化劑.合成方法：首先，在N2保護下，向裝有三乙烯四胺的四口燒瓶中滴加環(huán)氧樹脂E51，在70℃條件下反應180 min；然后，滴加封端劑芐基縮水甘油醚至四口燒瓶中，溫度控制在75℃，反應時間為180 min；最后，滴加冰乙酸反應30 min，即制得黃色透明膠狀的水性陽離子氨類固化劑，其中三乙烯四胺、環(huán)氧樹脂、芐基縮水甘油醚與冰乙酸之間的摩爾比為2.1∶1.0∶2.2∶2.1.

分別向水性陽離子環(huán)氧樹脂及水性陽離子環(huán)氧樹脂氨類固化劑加入去離子水，制備環(huán)氧基濃度為0.1 mol/L的水性陽離子環(huán)氧樹脂溶液及胺氫濃度為0.1 mol/L的水性陽離子環(huán)氧樹脂氨類固化劑溶液.然后將兩者按質量比1∶1混合，即制得高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液，其基本性能如表1所示.

表1 高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液的基本性能Table 1 Basic properties of high performance epoxy resincolloid solution

1.2 銹脹開裂試件制作

水泥砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，水泥為P·Ⅰ42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的化學組成（質量分數(shù)）如表2所示.砂為中國ISO標準砂，水為自來水，水泥與砂、水的質量比為1.0∶3.0∶0.5，鋼筋的直徑為6 mm，埋置在試件中間位置.待試件成型后在標準條件下養(yǎng)護28 d，然后在外露鋼筋表面焊接導線并用聚氨酯膠將除預留面（預留面用于制造銹脹裂縫）外的5個面包裹，再將試件轉移到5%（質量分數(shù)，下同）的NaCl溶液中，以鋼筋為正極，不銹鋼片為負極，通以0.1 A/m2的直流電，制造寬度約為0.6 mm的銹脹裂縫，制造的順筋銹脹開裂砂漿試件如圖1所示.

表2 水泥的化學組成Table 2 Chemical composition of cement w/%

圖1 銹脹開裂砂漿試件Fig.1 Rust-cracked mortar specimen

1.3 電泳沉積修復制度

使用尺寸為210 mm×120 mm×160 mm的塑料盒作為承液容器，盒底部放置尺寸為120 mm×130 mm×5 mm的石墨板.進行修復試驗時，將砂漿試件置于2根不銹鋼絲架上面，裂縫面朝向石墨板.將制備好的膠體溶液倒入承液盒后，以石墨板為陽極，試件內部銹蝕鋼筋為陰極進行通電修復.電泳沉積修復法選用恒電壓模式進行修復工作，最大電流0.25 A，環(huán)境溫度控制在（20±2）℃，修復時間為24 h.為保證修復效果，膠體溶液需現(xiàn)配現(xiàn)用，每12 h更換1次.修復系統(tǒng)示意圖如圖2所示.

圖2 修復系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of repair system

2 電泳沉積修復效果評價

2.1 質量增長量

使用感量為0.1 g的電子天平測量鋼筋混凝土試件在修復后不同時間的質量.單位面積質量增長量（W）的計算公式如下：

式中：M0為修復前的試件初始質量平均值，kg；Mt為修復t小時后的試件質量平均值，kg；S0為銹脹裂縫面的面積，取3個試件的平均值為最終試驗數(shù)值，0.006 4 m2.

2.2 裂縫填充深度及裂縫面沉積膜厚度

在對銹脹開裂水泥砂漿試件電泳沉積修復后，沿裂縫將試件劈裂，使用游標卡尺每隔1 cm量取1次填充深度，取3個試件的平均值為最終試驗數(shù)值.使用游標卡尺每隔2 cm量取1次試件的總厚度，將該厚度值減去初始試件厚度（40 mm）即為環(huán)氧樹脂沉積厚度，取3個試件的平均值為最終試驗數(shù)值.

2.3 電阻

試驗所使用的直流電源可以顯示實時電流大小，通過式（2）計算修復過程中砂漿的電阻（R）.

式中：U為設置電壓值，V；It為修復過程中不同時間的電流值，A.取3個試件的平均值為最終試驗數(shù)值.

2.4 吸水量

試驗前，先將試件放到干燥箱以40℃烘干直至恒重（前后2次質量差小于0.1 g），之后將試件表面浸入水中2 mm左右，在規(guī)定時間測試其質量，單位面積吸水量（I）的計算如式（3）所示.

式中：mt為試件在t時刻的質量，kg；m0為試件在初始時刻的質量，kg；A為試件與水的接觸截面面積，m2.取3個試件平均值為最終試驗數(shù)值.

2.5 加速碳化深度

將修復后試件的5個非裂縫面進行密封后放入碳化箱中進行加速碳化.試件碳化28 d后，使用切割機將其均勻切割成8個20 mm×40 mm×40 mm的試塊，在試塊的切割面噴1%（質量分數(shù)，下同）的酚酞酒精溶液，待溶液蒸發(fā)后，使用游標卡尺測量碳化深度，取3個試樣平均值為試件最終的碳化深度.

3 結果與討論

3.1 修復過程中試件銹脹裂縫面的形貌變化

圖3為試件裂縫面形貌的變化.由圖3可見：隨著修復時間的延長，在電場作用下環(huán)氧樹脂首先在裂縫位置開始聚集沉積，呈白色絮狀；當試件銹脹裂縫被封堵后，環(huán)氧樹脂開始在裂縫面沉積，并逐步對整個裂縫面實現(xiàn)覆蓋；隨著修復時間的繼續(xù)延長，試件裂縫面生成具有一定厚度的黃色透明環(huán)氧樹脂膜，修復完成后裂縫處沉積的環(huán)氧樹脂厚度明顯大于周圍；修復電壓越高，環(huán)氧樹脂在裂縫及裂縫面的沉積速度越快，以修復1 h后試件裂縫面形貌為例，20 V電壓修復后試件僅裂縫中出現(xiàn)白色環(huán)氧樹脂填充，40 V電壓修復后表面已生成環(huán)氧樹脂薄膜，而60、80 V電壓修復后試件裂縫面的環(huán)氧樹脂膜已具有一定的厚度.

圖3 試件裂縫面形貌的變化Fig.3 Changes of crack surface morphology of specimens

3.2 修復過程中試件裂縫面的沉積膜厚度變化

圖4為沉積膜的平均厚度.由圖4可見：電泳沉積修復時的電壓越高，修復過程中各階段環(huán)氧樹脂沉積膜的厚度越大，在20、40、60、80 V電壓下24 h電泳沉積修復后，試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜厚度分別為2.2、3.5、3.8、4.4 mm，這與對試件裂縫面形貌的觀測結果相對應；電泳沉積修復過程中環(huán)氧樹脂沉積膜厚度增長可劃分為2個階段，在階段1（0～12 h）環(huán)氧樹脂膜厚度增長速率較快，在階段2（12～24 h）環(huán)氧樹脂膜厚度增長速率減緩.

圖4 沉積膜的平均厚度Fig.4 Average thickness of deposition film

3.3 修復過程中試件的質量增長量變化

圖5為試件質量的增加量.由圖5可見：隨著修復時間的延長，試件的質量隨之增加，修復電壓越大，試件質量增長越快，最終質量增長量越大；在20、40、60、80 V電壓下24 h電泳沉積修復后，試件質量增長量分別為0.60、1.15、2.04、2.37 kg/m2；試件的質量增長速率可以劃分為2個階段，階段1為0～12 h，此階段試件質量增長速率較快，階段2為12～24 h，此階段試件質量增長速率減緩，這與修復過程中試件的平均沉積膜厚度變化規(guī)律相對應.

圖5 試件質量的增加量Fig.5 Mass increment of specimens

3.4 修復過程中試件的電阻變化

圖6為試件的電阻值.由圖6可見：隨著修復時間的延長，試件的電阻加大；電壓越大，修復過程中試件的電阻值越大，在修復6 h后這種趨勢變得明顯；修復24 h后，40、60、80 V電壓下修復的試件電阻值較為接近，分別為1 739、1 818、1 861 Ω，而20 V電壓下修復試件的電阻值僅為1 000 Ω.這是因為電壓越大，在銹蝕鋼筋與陽極石墨板之間的電場力越大，導致試件裂縫面電泳沉積的環(huán)氧樹脂膠體粒子數(shù)量越多、速度越快，相同時間內環(huán)氧樹脂在試件裂縫面堆積厚度也就越大（見圖4）.而環(huán)氧樹脂具有良好的絕緣性［14-15］，所以電壓越大修復后試件的電阻越大.伴隨試件電阻的增加，電極之間的電場力被逐步削弱，進一步地使環(huán)氧樹脂帶電膠體粒子在試件裂縫面的電泳沉積速率減小，這也就解釋了為何修復后期試件的沉積膜厚度和質量增加量上升速率減緩.

圖6 試件的電阻值Fig.6 Resistance values of specimens

3.5 電壓對環(huán)氧樹脂在裂縫中填充深度影響

圖7為修復后環(huán)氧樹脂在裂縫中的填充分布情況.表3對修復后環(huán)氧樹脂在裂縫中的平均填充深度進行了統(tǒng)計.由圖7、表3可知，與高電壓（60、80 V）修復相比，低電壓（20、40 V）修復后環(huán)氧樹脂的填充面積和深度更大.這可能是因為高電壓下環(huán)氧樹脂膠體粒子更易在淺層裂縫位置快速堆積，封堵了膠體粒子向其深層裂縫電泳的路徑，所以很難在裂縫深處觀測到環(huán)氧樹脂聚集沉積.而低電壓下環(huán)氧樹脂膠體粒子向裂縫中的電泳沉積速度較緩，淺層裂縫不會快速封閉，使得環(huán)氧樹脂在不同深度裂縫中的沉積變得均勻致密，所以相對于高電壓，低電壓修復后環(huán)氧樹脂在銹脹裂縫中的沉積深度更深，沉積面積更廣.

表3 修復后環(huán)氧樹脂在裂縫中的平均填充深度Table 3 Average filled depth of epoxy resin in cracks after repair

圖7 修復后環(huán)氧樹脂在裂縫中的填充分布情況Fig.7 Filled distribution of epoxy resin in cracks after repair

3.6 電壓對修復后試件的吸水量影響

圖8為不同試件的吸水量.由圖8可知，與未修復試件相比，修復后試件各時間段吸水量明顯下降，甚至低于未損傷試件.其中在40 V電壓下修復試件的各時段吸水量最低，7 d最大吸水量僅為0.089 kg/m2，為未修復試件最大吸水量（1.391 kg/m2）的6.3%，而20、60、80 V電壓下修復試件的7 d最大吸水量分別為未修復試件的13.5%、24.7%、25.4%，可知低電壓（20、40 V）修復試件吸水量的下降幅度要比高電壓（60、80 V）修復試件更為明顯.表明電泳沉積修復法可以大幅提升修復后混凝土的防水性能，降低其吸水量.在混凝土干燥情況下，外界環(huán)境中的以水為介質的氯離子及硫酸根等有害離子很難進入混凝土內部，同時干燥混凝土較濕潤混凝土電阻更大［16-17］，其抵抗雜散電流侵蝕性能更強，因此電泳沉積修復后鋼筋混凝土結構的整體防水性上升有助于提升其耐久性.

圖8 不同試件的吸水量Fig.8 Water absorption of different specimens

3.7 電壓對修復后試件的加速碳化深度影響

統(tǒng)計了修復后不同試件的28 d加速碳化深度，發(fā)現(xiàn)相較于未損傷試件，修復后試件的加速碳化深度明顯下降.電壓對修復后試件加速碳化深度影響不大，在20、40、60、80 V電壓下修復后試件的28 d加速碳化深度分別為0.02、0、0、0.02 mm，而無損傷試件加速碳化深度高達3.64 mm.表明電泳沉積修復法可以大幅提升鋼筋混凝土的抗碳化性能，但電壓大小對修復后試件加速碳化深度影響不大，各試件都未見明顯的碳化現(xiàn)象.

3.8 修復后鋼筋混凝土界面的細觀形貌

圖9為40 V電壓修復后試件的剖面形貌.由圖9可見：修復完成后會有一定厚度的環(huán)氧樹脂膜緊密附著在試件表面；銹脹裂縫被膠狀環(huán)氧樹脂密實填充.由此可知，電泳沉積修復后試件的防水性能及抗碳化性能大幅提升，與環(huán)氧樹脂在裂縫的沉積及裂縫面環(huán)氧樹脂膜的形成有關.首先，環(huán)氧樹脂在試件裂縫的填充封堵了外界水分、有害離子及二氧化碳進入混凝土內部的直接通道；其次，裂縫面環(huán)氧樹脂膜的形成可以阻礙外界有害物質與混凝土直接接觸，進一步提升了鋼筋混凝土抗外界有害物質侵蝕的性能.同時應該指出環(huán)氧樹脂是一種絕緣材料，由3.3的討論可知，修復后鋼筋混凝土的電阻得到一定幅度的提升，因此其抗雜散電流侵蝕性能相應提高，體現(xiàn)了電泳沉積法在提升鋼筋混凝土耐久性方面的巨大潛力.

圖9 40 V電壓修復后試件的剖面形貌Fig.9 Specimen profile morphology after 40 V voltage repaired

修復電壓增加所帶來的環(huán)氧樹脂膜厚度增厚，并不意味著混凝土防水性能和抗碳化性能的提升.由以上研究結果可知，混凝土抗碳化性能的提升與沉積膜的厚度關系不大，這可能是因為環(huán)氧樹脂沉積膜在小厚度條件下已經(jīng)具有足夠的封閉性，可以有效阻止外界二氧化碳與混凝土表層接觸.而修復后混凝土防水性能不僅與環(huán)氧樹脂沉積膜厚度有關，也與其沉積密度、深度和均勻度有關.低電壓條件下，雖然環(huán)氧樹脂分子沉積速度減緩，但是其在試件裂縫面的堆積密度提升，覆蓋更加均勻（見圖3），同時在裂縫中的沉積深度加大（見表3）.當電壓為40 V時，修復后試件擁有足夠的環(huán)氧樹脂沉積膜厚度、堆積密度和填充深度，因此其7 d最大吸水量最低.

4 結論

（1）電泳沉積修復電壓越高，銹脹開裂試件表面的裂縫愈合速度及環(huán)氧樹脂沉積速度越快，修復過程中各階段試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜的厚度越大，電阻越大.

（2）相較于未修復的銹脹開裂試件，電泳沉積修復后試件的防水性能顯著提升，吸水量明顯下降，甚至低于無損傷試件，在40 V電壓下修復后試件的7 d最大吸水量最低，僅為未修復試件的6.3%.

（3）電泳沉積修復后銹脹開裂試件的抗碳化性能明顯上升，40 V電壓下修復后試件的28 d加速碳化深度為0 mm，而修復電壓對試件修復后抗碳化性能影響并不大.

（4）環(huán)氧樹脂在試件裂縫中的沉積封堵可以阻礙水分及CO2氣體通過銹脹裂縫直接進入混凝土內部，修復后試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜的生成可以阻隔混凝土與外界有害介質的直接接觸，因此電泳沉積修復后試件的防水和抗碳化能力顯著提升.