（材料学专业论文）电沉积法修复海工结构混凝土水下裂缝的研究.pdf

摘要 摘要 电沉积法修复混凝土裂缝是国际上近年来出现的一项新技术，特别适用于传 统的修复技术难以奏效或修复成本过高的混凝土结构。日本、美国学者等已对电 沉积法修复陆基混凝土结构裂缝的可行性进行了研究，并对具有干缩裂缝的混凝 土结构经电沉积后性能进行了初步试验研究：国内学者对沉积效果的影响因素 进行了研究。鉴于目前国内外大都集中在对陆基混凝土裂缝的修复研究，而大量 海工结构混凝土裂缝需要修复的现实，本文在前人研究的基础上，对把电沉积法 应用于海工结构进行了如下研究工作： 1 选取宁波北仑港区的海水作为电解质溶液，并与z n s 0 4 溶液( 研究成果显 示沉积效果较好) 的沉积效果的差异进行了对比。利用海水作为电解质溶液进行 研究，这在国内外尚属首次。 2 自行改进了试验装置、设计了部分检测装置，分析确定了效果评定参数。 测定电沉积试验后海水、z n s 0 4 溶液中试件的表面覆盖率、质量增加率、裂缝的 愈合率、裂缝的填充深度；分析试件的水渗透系数、试件的孔隙结构的改善情况、 电沉积法的脱盐效果及各试件沉积物的化学成分、形貌以及沉积物与沉积面、沉 积物与裂缝壁的粘结状况。试验结果表明：海水、z n s o 。溶液作为电解质溶液时， 电沉积法能使试件表面状况及微观孔躇f 结构得以改善，裂缝得以封闭，部分氯离 子得以脱出；沉积物较为致密，封闭效果良好。 3 分析比较海水与z n s 0 4 溶液中试件修复效果的差异，可知海水作为电解质 溶液时，部分评定指标优于z n s 0 4 溶液，该方法用于修复海工混凝土水下裂缝 可行。 总之，本文用海水作为电解质溶液，模拟电沉积法应用于水下海工混凝土结 构裂缝的修复，为把电沉积法应用于海工结构混凝土水下裂缝的修复奠定了基 础，满足了水下混凝土裂缝修复技术的现实需要，促进了裂缝修复技术的发展。 关键词：电沉积法；海工结构；水下裂缝修复；修复效果评价 2 摘要 a b s t r a c t e l e c t r o d e p o s i t i o nm e t h o df o rr e p a i ro fc o n c r e t ec r a c k si san e wt e c h n i q u e a p p e a r i n gi n r e c e n ty e a r s ，w h i c hi s s p e c i a l l yu s e df o rr e p a i ro f t h o s ec o n c r e t e s t r u c t u r ew i t hc r a c k sw h i l eo t h e rt r a d i t i o n a lr e p a i rs y s t e m sa r ei n e f f i c i e n to rv e r y e x p e n s i v e i nj a p a na n da m e r i c a , r e s e a r c h e sw e r ep r i m a r i l yi n v e s t i g a t e do nt h e f e a s i b i l i t yo fe l e c t r o d e p o s i t i o nm e t h o df o rr e p a i ro fc o n c r e t ec r a c k so nl a n da n d p a r t i a lp r o p e r t i e so fc o n c r e t ew i t hs h r i n k a g ec r a c k sw h i c hh a v eb e e nr e p a i r e dw i t h t h i st e c h n i q u e i n0 1 1 1 c o u n t r y , r e s e a r c h e r sw o r k e d0 1 1t h ep a r a m e t e re f f e c to n e l e e t r o d e p o s i t i o np r o p e r t i e s h o w e v e f ，t h ea c t u a l i t yw a st h a te l e c t r o d e p o s i t i o n t e c h n i q u ew e r em o s t l yf o rr e p a i ro fc o n c r e t ec r a c k so nl a n d ，b u tl o t so fs t r u c t u r e s c o n c r e t ec r a c k su n d e rm a r i n ee n v i r o n m e n th a v et ob er e p a i r e d ，t h i sa r t i c l ei so nt h e i n v e s t i g a t i o nt h a te l e c t r o d e p o s i t i o nm e t h o dr e p a i r sc o n c r e t ec r a c k su n d e rm a r i n e e n v i r o n m e n tb a s e do np r o d u c t i o no f p r e c u r s o r s ， 1 s e a w a t e rf r o mn i n g - b ob e i l u np o r ta n ds o l u t i o no fz i n cs u l f a t e ，o fw h i c h e l e c t r o d e p o s i t i o ne f f e c t sw e r eb e s ta c c o r d i n gp r e v i o u sp r o d u c t i o n w e r es e l e c t e d 髂 t h es o l u t i o no f e l e c t r o d e p o s i t i o nf o rt h ef i r s tt i m ei nt h ew o r l d ，t of i n dd i f f e r e n t i a l so f e l e e t r o d e p o s i t i o np r o p e r t i e sb e t w e e nt h et w os o l u t i o n 2 e q u i p m e n to fe x p e r i m e n tw a si m p r o v e d , s e t t i n go fm e a s u r e m e n t w e r e d e s i g n e d a sw e l la sa s s e s s a b l ep a r a m e t e r so fe l e e t r n d e p o s i t i o np r o p e r t i e sw e r e s e l e c t e d a f t e re l e e t r o d e p o s i t i o n , r a t eo fs u r f a c ec o a t i n g ，r a t eo fg a i n , r a t eo fc r a c k c l o s u r ea n df i l l i n gd e p t ho f c r a c ko f t h em o r t a ri ns e a w a t e ra n ds o l u t i o no f z i n cs u l f a t e w e r ee v a l u a t e d a f t e rt h a t ，s u b j e c t sw e r es t u d i e di n c l u d i n gi n f i l t r a t o rp a r a m e t e ra n d m i e r o s t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o nm e l i o r a t i o no ft h em o r t a l , r e m o v i n gf r o mt h ec h l o r i n e i o n , c h e m i s t r yc o m p o s i t i o na n da p p e a r a n c eo fe l e c t r o d e p o s i t s ，a d h e r i n gi n t e n s i t y b e t w e e ne l e c t r o d e p o s i t sa n dm o r t a ro rc o n c r e t es u r f a c ea n dt h ew a l lo fc r a c k r e s u l t ss h o wt h a tw h e ns e a w a t e ra n ds o l u t i o no fz i n cs u l f a t ea r eu s e d ，s u r f a c ea n d 摘要 m i c r o s t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o no fm o r t a ra n dc o n c r e t ea r ei m p r o v e d ，a n dc r a c ka r e c l o s e d ，c h l o r i n ei o n sa r er e m o v e d ；e l e c l r o d e p o s i t sa r ec o m p a c t ，e l e c t r o d e p o s i t i o n e f f e c t sa r ee x c e l l e n tt h r o u g he l e e t r o d e p o s i t i o n 3 b ya n a l y z i n gd i f f e r e n t i a l so fe l e c t r o d e p o s i t i o ne f f e c t so fc o n c r e t e sa n dm o r t a r i ns e a w a t e ra n ds o l u t i o no f z i n cs u l f a t e ，i ti ss h o w e dt h a t ，e l e c t r o d e p o s i t i o ni sf e a s i b l e t or e c o v e rt h ec r a c kc o n c r e t ew h e ns e a w a t e ri su s e dt ot h es o l u t i o n i naw o r d ，as i m u l a t i o nt h a ts e a w a t e ri ss e l e c t e da st h es o l u t i o no f e l e e t r o d e p o s i t i o nt or e c o v e ru n d e rs e a w a t e rc o n c r e t es t r u c t u r ew a sp r e s e n t e d ，w h i c h l a y saf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no f e l e e t r o d e p o s i t i o nt or e c o v e rt h ec r a c ko f u n d e r m a r i n ee n v i r o n m e n tc o n c r e t es t r u c t u r e t h er e s u l t sn o to n l ys u f f i c et h er e q u i r e m e n t b u ta l s om a k eap r o g r e s so fr e p a i r i n gt e c h n o l o g yf o rc o n c r e t ec r a c k su n d e rm a r i n e e n v i r o n m e n t k c y w o r d s ：e l e e t r o d e p o s i t i o nm e t h o d ；m a r i n ee n v i r o n m e n ts t r u c t u r e ；r e p a i ro f c r a c k su n d e rm a r i n ee n v i r o n m e n t ；e l e c t r o d e p o s i t i o ne f f e c te v a l u a t i o n 4 主要符号表 主要符号表 4 试件表面总面积 一。一试件表面被沉积物覆盖的面积 “一电沉积试验后试件剩余氯离子浓度 c 。一原试件中氯离子浓度 ，一为流经长度 一裂缝总长度 t 一愈合裂缝的长度 肘一沉积前试件的初始质量 t 试件质量增加量 ，一毛细管半径 r 一气体常数 r 一裂缝愈合率 见一表面覆盖率 如一质量增加率 r 一吸附质的沸点 v 。一吸附质的摩尔体积 y 一丁下吸附质的表面张力 0 一吸附质与毛细管壁的接触角 ，一脱盐( 脱除) 效率 g 为流体速度 a ，4 为垂直于j 方向的流动截面积 卸为压头 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 混凝土材料以其抗压强度高、施工方便等优点成为当今世界上用途最广、用 量最大的大宗建筑材料之一，发挥着其他材料无法替代的作用和功能。但是，因 混凝土材料本身特性以及在成型、养护和服役过程中，受内部因素和外部环境的 作用，易产生裂纹、裂缝、局部损伤和腐蚀破坏等病害，同积月累，这些病害会 逐渐加重，致使混凝土材料的性能不断降低，轻者会影响其正常使用或缩短使用 寿命，重者会产生灾难性事故，给国民经济带来巨大损失。据美国土木工程学 会2 0 0 1 年的调查【l 】，美国桥梁2 9 以上老化，估计2 0 年内每年要投入1 0 6 亿美 元进行治理，以适应2 l 世纪的发展；英国英格兰岛中部环形快车道上1 1 座混凝 土高架桥，当初建造费2 8 0 0 万英镑，到1 9 8 9 年因为维修而耗资4 5 0 0 万英镑， 是造价的1 6 倍，估计以后1 5 年内还将耗资1 2 亿英镑，累计接近当初造价的6 倍【2 】；澳大利亚1 9 7 8 年房屋结构维修费用为5 0 0 0 万美元，到1 9 9 5 年时就高达8 亿美元，其中还不包括桥梁、排污管道等建筑物的维修费用【3 j ；而日本目前每年 仅用于房屋结构维修费用即达4 0 0 亿日元以上，日本的新干线使用不到1 0 年， 就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象【4 】。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述 了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面节省1 美元，那 么意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂 时采取措施将追加维修费2 5 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费1 2 5 美元。 我国工程结构的耐久性问题也十分突出，调查表吲卯，南方地区使用7 2 5 年的混凝土港口设施中，有8 9 发生了钢筋锈蚀破坏；1 9 8 6 年国家统计局和建 设部对全国城乡2 8 个省、市、自治区的3 2 3 个城市及5 0 0 0 个镇进行普查，结果 表明我国现有城镇房屋建筑面积约5 0 亿l n 2 ，其中约2 3 亿m 2 需分期分批进行鉴 定加固，近l o 亿m 2 急需维修加固后才能正常使用嘲；1 9 8 9 年建设部混凝土结构 耐久性综合调查组对北京、西宁、贵阳和杭州的一些建筑物进行调查，结果发现 建国初期的建筑物均已达到必须大修的状态，现有大多数工业建筑不能满足安 全、经济使用5 0 年的要求，一般使用2 5 3 0 年就需大修加固【刀。 第一章绪论 综上可知：由于混凝土结构耐久性病害导致破坏的损失是相当巨大的，然而 结构物的破坏和报废一般都是从裂缝的扩展开始的。从近代固体强度理论的发展 可以看出，裂缝的扩展是结构破坏的初级阶段，裂缝的存在，会使其承载力受到 一定的削弱。同时裂缝也会引起渗漏、过早的钢筋腐蚀、乃至保护层剥落、降低 持久强度等，直接导致混凝土结构耐久性失效。我国正处于基础建设高度发展时 期，已建的大量海工钢筋混凝土建筑物和正在实旌“南水北调”、“西电东送”等 重大工程，必将遇到一系列传统技术难以解决的复杂技术问题，其中为使这些工 程具有更长的使用寿命，急需进行新型混凝土裂缝修复技术的研究。 1 2 混凝土裂缝修复技术研究现状 裂缝修补的目的是使结构因丌裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复，修补 方法和材料主要根据结构的功能要求、开裂原因、裂缝性状、结构重要性和环境 条件等因素确定。对于结构承载力不足而引起的裂缝，除了应对裂缝进行修补， 还应采取相应的加固措施。对于活动裂缝，即尚在继续发展或不能稳定的裂缝， 应在采取措施使裂缝发展停止后，再采取修补措施；如果裂缝的发展不能控制， 则应采取措施限制裂缝的发展程度，并用柔性材料修补裂缝。 1 2 1 混凝土裂缝常用修复方法 混凝土裂缝修补常用的方法有结构加固法、表面处理法、灌浆法、填充法( 嵌 缝法1 等蜊。 1 2 1 1 结构加固法 结构加固法是在构件外部或结构裂缝四周浇筑钢筋混凝土围套或包钢筋、型 钢龙骨，将陆基混凝土箍紧，以增加陆基混凝土受力砸积，提高结构的刚度和承 载力的一种结构补强加固方法。适用于对结构整体性、承载能力有较大影响的深 进及贯穿性裂缝的加固处理，常用的方法l 州4 l 有： ( 1 ) 加大截面加固法 周围空间尺寸允许的情况下，在结构外侧包钢筋混凝土围套，并使其与基体 起到协同作用以增大截面，提高承载力，适用于混凝土梁、板、柱等一般陆基混 2 第一章绪论 凝土裂缝修补。加固时，原混凝土表面应凿毛清基，或凿出主筋，若钢筋锈蚀严 重，应凿除保护层，钢筋除锈，增配的钢筋和锚植筋应根据裂缝程度和外包钢筋 砼的体积计算确定。浇筑围套混凝土前，模板与原结构均应充分湿润，然后用细 石混凝土浇捣密实并养护。 加大截面加固法工艺简单，适用面广，但在一定程度上会减小建筑物的使用 空间，增加结构自重，而且在加固钢筋混凝土构件时，现场凿除作业的工程量较 大，养护期较长，施工期内对建筑物的使用有一定影响。 f 2 1 外包钢加固法 采用型钢( 一般为角钢) 外包于陆基混凝+ 1 8 1 角( 或两角) 将构件箍紧，以防止 裂缝的扩展和提高结构的刚度和承载力，适用于在使用上不允许增大原构件截面 尺寸，却又要较大幅度地提高截面承载能力的框架梁、柱、牛腿等大型结构及大 跨结构的裂缝治理。外包钢加固分湿式和干式两种，湿式要求钢材与原构件之间， 采用乳胶水泥、聚合物砂浆或环氧树脂化学灌浆等方法粘结，使新旧材料之间具 有良好的协同工作能力；而干式则要求钢材与原构件之间没有任何粘结，虽局部 存在着机械咬合及摩擦的作用，有时虽填有水泥砂浆，但当荷载达到某一值时， 外包型钢与构件之间难以协调变形，不能确保新旧材料协同工作。故采用干式加 固时，应采用紧固件使钢材与混凝土表面紧密接触，以保证其共同工作。 外包钢加固法施工简便，现场工作量较小，构件截面尺寸变化不大，重量增 加较少，而承载能力提高显著，构件截面的刚度和延性得以改善，还能限制原构 件挠度的过快增长。 ( 3 ) 粘钢加固法 在混凝土构件表面用特制的粘结剂( 建筑结构胶) 粘贴钢板，以防止裂缝继续 扩大，提高结构承载力，适用于治理正常情况下的一般受弯、受拉及中轻级工作 制的吊车梁等产生的裂缝。加固时，必须使用强度高、粘结力强、耐老化等性能 良好的结构胶，而且要重视粘结施工质量。 粘钢加固法工艺简便，加固施工所需的场地、空间都不很大，而且钢板粘贴 到构件上一般3 d 即可受力使用，对生产和生活影响很小；粘钢加固所用的钢板 厚度一般为2 - - - 6 r a m ，加固后不影响结构外观，重量增加也不多：加固效果比较 第一章绪论 明显，不仅补充了原构件的钢筋不足，而且还通过大面积的钢板粘贴，有效保护 了原构件的混凝土不再产生裂缝或使己有的裂缝得到控制而不继续扩展，加强了 结构的整体性，提高了原构件的承载能力。由于粘钢加固法是一种新技术，在国 内推广应用时间不长，粘结理论研究还不成熟，粘结剂的抗老化性能徐变性对粘 结强度的影响，在动荷载作用下粘钢加固的试验及理论分析等问题，都有待进一 步的研究。 ( 4 ) 预应力加固法 采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆，对陆基混凝土或整体进行加固，改变原 结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变现 象得以完全消除，减小构件挠度，缩小混凝土构件的裂缝宽度，提高构件承载力， 适用于大跨结构，以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应 变状态下的大型结构加固。施工时，预应力拉杆或撑杆的锚固件应用乳胶水泥或 铁屑砂浆并通过膨胀螺栓锚固在坚实的混凝土基层上，结合面应进行粗糙和清洁 处理，预应力施加方法应根据旌工条件及预应力值大小确定。此外，结构加固还 有粘贴碳纤维法、增设支点加固法等。 1 2 1 2 表面处理法【1 纠6 】 采用弹性涂膜防水材料、聚合物水泥膏及渗透性防水剂等，涂刷于裂缝表面， 恢复其防水性和耐久性，适用于对结构的强度影响不大，但会使钢筋锈蚀且有损 美观的表面及深进微细裂缝的治理( 裂缝宽度小于0 2 m m ) 。对于稀而少的裂缝， 可骑缝涂覆修补；对于细而密的裂缝，应采用全部涂覆修补。由于涂层较薄，涂 覆材料应选用粘着力强且不宜老化的材料。对于活动性裂缝应采用延伸率较大的 弹性材料。 表面处理法施工简单，但是涂料无法深入到裂缝内部，而且我国还缺少耐久 性和防水性可靠而价格适中的涂抹材料。 1 2 1 3 灌浆法【1 7 l 将树脂浆液、水泥浆液或聚合物浆液等灌入裂缝内部，达到恢复结构整体 性、耐久性和防水性的目的，适用于宽度较大( 3 m m1 、深度较深的裂缝，尤其 4 第一章绪论 是受力裂缝。灌浆法按灌浆材料可以分为水泥灌浆法和化学灌浆法，当裂缝宽度 大于2 m m 时常采用水泥灌浆法，小于2 m m 采用化学灌浆法，其中化学灌浆法 具有粘度低、可灌性好、收缩小、粘结强度高以及恢复效果好等优点。 灌浆法不损伤原有结构，补后防水性和耐久性可靠，修补质量良好，但是国 内目前尚无定型的化学灌浆设备，在一定程度上影响该技术的推广与普及。 1 2 1 4 填充法( 嵌缝法) 【1 8 】 沿裂缝将混凝土开凿成u 型或v 型槽，然后嵌填各种修补材料，达到恢复 防水性、耐久性和部分恢复结构整体性的目的，适用于补救数量少的宽大裂缝 p o 5 m m ) 和钢筋锈蚀所产生的裂缝。填充法所使用的嵌填材料视修补目的而定有 环氧树脂、环氧砂浆、聚合物水泥砂浆等。对于活动性裂缝，应采用极限变形较 大的延伸性材料；对于锈蚀裂缝，应先加宽、加深凿槽，直至完全露出钢筋生锈 的部位，彻底除锈，然后涂上防锈涂料，再填充聚合物水泥砂浆、环氧砂浆等。 填充法对结构有损伤，像混凝土梁、电杆、轨枕这些物件不宜采用，另外， 目前许多单位采用环氧树脂砂浆填补，由于收缩和老化的关系，长期效果都不甚 理想。 1 2 2 混凝土裂缝自修复方法 混凝土裂缝自修复方法是国外近些年提出的混凝土裂缝修补方法，指混凝 土在外部或内部条件作用下，释放或生成新的物质自行愈合其裂缝。这些自修复 方法包括：结晶沉淀法、渗透结晶法、聚合物固化法掣1 9 - 2 6 。 1 2 2 1 结晶沉淀法 利用物理、热学与力学过程对微细裂缝的自修复作用，在水流或水介质作 用下，裂缝区形成中的c a c 0 3 c t h h 2 0 物质体系与水泥浆体中的c a ( o h ) 2 发生 反应生成难溶于水的c a c 0 3 ，然后c a c 0 3 与c a ( o h ) 2 结晶沉淀在裂缝中聚集、生 长，逐渐密封、愈合裂缝。 结晶沉淀法是一个自然修复过程，只发生在混凝土中有潮气或水、但没有拉 应力存在的情况，在活动缝上、修复时有变位发生以及水流流过裂缝时( 除非水 流很慢，否则c a c 0 3 沉淀会被溶解和冲洗) 均不会发生。 第一章绪论 1 2 2 2 渗透结晶法 利用在混凝土中掺入活性外加剂或外部涂覆一层含活性外加剂的涂层，在 一定的养护条件下，以水为载体，通过渗透作用使其特殊的活性化学物质在混凝 土微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续水化， 形成不溶性晶体。 渗透结晶是一种主动激发、自修复的过程，必须在有水或足够湿度的情况下 才会发生，可显著提高混凝土结构水密性，但对大于0 4 r a m 的裂缝自修复效果 不佳。 1 2 2 3 聚合物固化法 充分模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到修 复的原理，在混凝土传统组分中复合特殊组分或混凝土内部形成智能型仿生自愈 合系统，如可采用液芯纤维或胶囊植入混凝土中，基体开裂时，液芯纤维或胶囊 发生破裂使粘结液流出，深入裂缝使其重新愈合。该法目前还存在一些关键性问 题尚未解决，如胶囊及其空穴对强度的影响，多次可愈合性、胶囊的时效以及愈 合的可行性与可靠性。 1 2 3 电沉积法 图1 1电沉积法修复原理示意图 电沉积法修复混凝土裂缝是国际上近些年出现的一项新技术，特别适用于用 6 第一章绪论 传统修复技术难以奏效或修复成本太高的水环境中混凝土结构。该法是一种电化 学方法，在金属材料中的应用十分普遍，近年来我国应用电沉积法进行金属和合 金材料保护的研究十分活跃1 2 3 之5 】，但应用于混凝土结构保护和修复领域还处于起 步阶段。其基本原理为：以带裂缝的海工混凝土结构中的钢筋为阴极，同时在海 水中放置难溶性阳极，两者之间施加弱电流，在电位差的作用下正负离子分别向 两极移动，并发生一系列的反应，最后在海工混凝土结构的表面和裂缝里生成沉 积物，覆盖混凝土表面，愈合混凝土裂缝，原理图见图1 1 所示。这些沉积物不 仅为混凝土提供了物理保护层，而且也在一定程度上阻止有害物质侵蚀混凝土。 国际上，日本【2 6 11 2 7 1 和美国自8 0 年代后期丌始进行对电沉积法修复陆基混凝土 裂缝的可行性进行了初步试验研究 2 8 - 3 1 】，基本情况如下： 日本的大即信明( 0 m 血i ) 等 3 2 1 选择尺寸为4 0 i i l m 4 0 l i l m 1 6 0 m m 的水泥 砂浆试件，选取浓度均为o 1 m o l l 的氯化镁、硫酸锌、硝酸银、氯化铜、硫酸铜、 碳酸氢钠、硝酸镁和饱和氢氧化钙等8 种溶液进行电沉积试验，硫酸锌溶液沉积 效果最好。 r y u 等1 3 3 1 1 3 4 3 5 谰o 1 m o f l 的z n s 0 4 溶液，采用经过1 8 个月氯离子侵蚀的混 凝土试件，施加电流密度为o 5 a i m 2 的直流电进行了电沉积试验。通电8 周后， 裂缝完全闭合；电沉积过程使近7 0 的氯离子从混凝土中移出，进入到电解质溶 液。 美国的j r y o u 等1 3 6 1 认为强酸根离子，如s 0 4 2 一、n 0 3 一会对混凝土试件表面 形成酸腐蚀，损害试件，故而选用o 5 m o m 的m g ( c h 3 c o o h 溶液作为电解质溶 液，混凝土试件的尺寸为1 0 0 m m x 3 0 0 r a m x 4 0 0 r a m ，裂缝宽度约为o 5 m m ；然 后施加电流密度为1 0 a m 2 和2 0 a m 2 的直流电。在电沉积试验过程中及结束后 进行氧渗透率、水渗透率以及孔径分布的测试。研究结果表明：电沉积试验后， 裂缝封闭率达到1 0 0 0 , 6 ，表面覆盖率达到7 0 ；在通电进行l d 后，水渗透率和 氧渗透率都急剧下降；孔径分布测试结果表明，电沉积试验前试件的5 0 的孔隙 直径约为0 2 4 | im ，8 个星期试验后，这一数据降低到0 1 7i im 。 日本的大即信g q c o s t u k i ) 【3 7 l 等对m g c h 、z n s 0 4 两种电解质溶液的电沉积试 验( 通电时间为6 0 d ) 后的试件的水渗透系数和孔径分布进行测试。结果表明，试 件的水渗透系数的数量级从1 0 咱下降到了1 0 - o ；m g c l 2 溶液电沉积后的试件孔 7 第一章绪论 径分布主要在o 0 8 l a m 至o 7 i l m 之间，z n s 0 4 溶液电沉积后的试件孔径分布主 要在0 ium 至l i t m 之间，而电沉积试验之前主要分布在0 1 l - t m 至6 i t m 之间。 中国河海大学的蒋林华、储洪强等【1 2 ii t 3 1 研究分析辅助电极及电极距离对沉 积效果的影响发现：不论辅助电极和电极距离如何选取，试件的裂缝愈合速度在 试验开始5 d 时最快，2 0 d 后裂缝基本完全愈合；在所选取的3 种( 圆柱石墨、片 状钛网板、棱柱状钛网板) 辅助电极中，对于试件质量增加率、表面覆盖率及裂 缝愈合率这3 个指标，均是棱柱状钛网板效果最好；表面覆盖率随电极距离增大 而增大，裂缝愈合率则随电极距离增大而减小；采用m g s 0 4 电沉积溶液时，试 件质量增加率随电极距离的增大而增大，而采用z n s 0 4 电沉积溶液时，试件质 量增加率随电极距离的变化无明显规律。 同济大学的姚武等i - 7 1 ，通过实验测量了在相同外加电压情况下，同一试件( 裂 缝宽度为0 4 r a m ) 在破坏前后的电流密度。测试结果显示，破坏后的试件在相同 电压下通过的电流明显增大，说明裂缝处存在高密度电流，与试件其他未裂部位 相比，电流密度高出数百倍。进一步分析发现，随着外加电压的增加，破坏前的 电流密度呈等比线性增加，但裂缝处的电流密度增加速率明显高得多，从而导致 裂缝处与未裂部位电流密度的比值随外加电压的增加而递增。 1 3 本文的主要研究内容 传统的混凝土裂缝修复技术( 结构加固法、表面处理法、灌浆法、填充法等) 对水环境中钢筋混凝土构件裂缝的修复存在很大的局限性，而对于裂缝自修复技 术，结晶沉淀法在水流很快时c a c 0 3 沉淀会被溶解和冲洗影响修复，渗透结晶 法对大于0 4 m m 的裂缝自修复效果不佳，聚合物固化法还有一些关键问题有待 解决，故研究新型、实用的水下混凝土结构裂缝的修复方法具有重要的实际意义。 电沉积法既适用于海工结构混凝土水下裂缝的修复，又可用来修复陆基混凝土裂 缝。电沉积法修复混凝土裂缝的室内试验研究已取得较大进展，但目前国内外研 究成果大都集中在对陆基混凝土裂缝的修复，而应用于海工结构的研究很少。当 前，大量海工结构混凝土水下裂缝需要修复，研究电沉积法应用于海工结构水下 裂缝的修复则尤为必要。 鉴于电沉积方法修复混凝土裂缝大都集中在对陆基混凝土裂缝的修复研究 3 第一章绪论 现实，本文研究目标是将电沉积法用于海工结构混凝土水下裂缝修复：由于海 水为天然的电解质溶液，在实际工程中可免去电解质溶液的存放等复杂的旖工 环节，又可解决海工结构水下裂缝修复较为困难这一技术难题 结合前人的研究成果，本文改进了试验通电装置，选取混凝土试件和水泥砂 浆试件进行平行试验；选择海水和z n s 0 4 溶液作为电解质溶液；电流密度的选 择依据前人研究得出的最佳通电条件1 2 9 l ，即电流密度为o 5 a m 2 ；通电时间为8 周；研究电沉积试验后两种溶液中试件的表面覆盖率、裂缝的愈合率及其愈合效 果、裂缝的填充深度；研究电沉积后试件的水渗透系数、试件表面及裂缝中沉积 物的粘结状况、试件的孔隙结构的改善情况；研究分析电沉积法的脱盐效果，对 比海水与z n s 0 4 溶液、混凝土试件与水泥砂浆试件修复效果的差异：研究分析 沉积物的化学成分、形貌以及沉积物与裂缝壁的粘结状况；根据海水与z n s 0 4 溶液中试件沉积效果的差异，分析海水作为电解质溶液修复钢筋混凝土构件裂缝 的可行性，为把电沉积法应用于修复海工结构混凝土水下裂缝做进一步探索。 9 第二章试验方案设计 第二章试验方案设计 2 1 试验装置及工作原理 2 1 1 试验装置 将带有裂缝的混凝土试件、水泥砂浆试件放入电解质容器中，试件中预先 埋入钢筋并引出导线，该导线与电源的负极相连作为阴极，同时将辅助电极 铂铌阳极丝均匀地缠绕在试件体周围放入电解质容器中，并与电源的正极相连作 为阳极，然后注入电解质溶液。这样试件( 水泥砂浆、混凝土试件) 、电解质溶液、 辅助电极、导线、电源就构成一个回路，如图2 1 所示。 2 1 2 工作原理 由水泥和天然石料组成的混凝土完全干燥后，具有极高的电阻率，约为1 0 1 3 q m ，故归为绝缘体，而现实混凝土介于绝缘体和良导体之间，电阻率一般在 1 0 1 1 0 5q m ，受混凝土的湿度( 环境) 和组成( 材料) 影响【3 2 】。本试验是将试件浸泡 在电解质溶液中，增加湿度，降低了混凝土的电阻率，当向回路中施加电场后， 混凝土内部将产生一定强度的电流( 离子流) 。混凝土主要是依靠水泥浆体孔隙溶 液中的k + 、n a + 、c a 2 + 、o h 一等离子导电【如，正负离子分别向两极移动，即在电 位差的作用下，试件内部的阴极反应产物o h 一由钢筋穿过保护层向试件表面迁 移，水泥浆体孔隙溶液中的o h 一向试件表面迁移，而k + 、n a + 、c a 2 + 向钢筋处移 动，电解质溶液( 假定采用z n s 0 4 溶液) 中的o h 一、s 0 4 2 一向铂铌阳极丝移动，而 z n 2 + 、矿向试件表面及内部迁移，整个过程如图2 2 所示。 1 0 第二章试验方案设计 图2 1 试验装置示意图 图2 2 离子移动示意图( z n s 0 4 溶液) 当采用海水作为电解质溶液时，离子的迁移也与z n s 0 4 溶液类似。 根据电化学原理【3 8 1 ，元素周期表中第1 主族和i i 主族的金属，其金属活泼 性很强，电极电位很负( q 0 1 0 0 i t ml o 一1 0 0 | i m1 1 0 u m0 1 - 1 1 1 1 1 1 l o o p m1 肚1 0 0 u m1 1 0 i i mo 1 l 肛m o 1p m 水泥砂浆对比试件 1 8 9 53 7 23 1 41 1 0 66 3 1 3 海水中水泥砂浆试件 1 7 73 1 83 9 l9 7 28 1 4 2 z n s 0 4 溶液中 水泥砂浆试什 1 5 46 7 93 3 91 4 8 27 3 4 6 通电前后试件的孔隙率、孔径小于11 tm 的孑l 占总孔数量的百分比值、总 孔隙数量8 0 的孔( 累积孔隙率1 0 9 0 ) 的孔径所在范围统计见表4 - 5 。 表4 5 试件通电前后微观结构部分参数值 试件孔孔径 海水中试件和z n s o , s 溶液中水泥砂浆试件沉积物晶粒颗粒较小，颗粒 中孔隙较少，排列紧密。而在z n s 0 4 溶液中混凝土试件沉积物较之水 第六章沉积物成分及形貌分析 泥砂浆试件颗粒较大，孔隙较多，排歹较为松散。但根据第四章试件的 水渗透系数测试可知，z n s 0 4 溶液中混凝土试件沉积物对裂缝密封良 好，满足试验要求。 试件裂缝壁与沉积层界面区之间未见明显空隙，晶体相互交错、依附于 裂缝壁而生长，十分紧密，沉积物与裂缝壁之间粘结良好。 综上所述，z n s 0 4 溶液和海水作为电解质溶液，电化学过程使溶液中阳离 子不断析出，沉积在试件表面和裂缝中，封闭试件表面、裂缝。由试件裂缝处沉 积物的s e m 照片可知，在本文所选定的试验参数下( z n s 0 4 溶液浓度为0 1 m o l l ， 电流密度为0 5 a m 2 ) ，海水中混凝土试件的沉积物较z n s o 。溶液中混凝土试件更 为致密。 第七章结论与展望 7 1 主要结论 第七章结论与展望 利用海水作为沉积溶液，在国内外尚属首次。首先自行改进了试验装置、设 计了部分检测装置和确定了效果评定参数；得出了沉积试验后海水、z n s 0 4 溶液 中试件的表面覆盖率、裂缝的愈合率及其愈合效果、裂缝的填充深度；给出了电 沉积后试件的渗透系数、试件表面及裂缝中沉积物的粘结状况、试件的孔隙结构 的改善情况；明确了电沉积的脱盐效果及海水与z n s 0 4 溶液、混凝土试件与水 泥砂浆试件修复效果的差异；分析了各试件沉积物的化学成分、形貌以及沉积物 与沉积面、沉积物与裂缝壁的粘结状况；分析比较了海水与z n s 0 4 溶液中试件 沉积效果的差异。 7 1 1 试件的表观状况改善 用沉积前、后表面( 沉积面) 的覆盖率、试件的质量增加率、裂缝的愈合率和 裂缝填充深度等参数，评定试件的表观状况改善情况。 通电开始后的前7 d ，裂缝愈合率变化最大，即裂缝愈合速度最快。但总的来 说裂缝愈合速度随时间的推迟而变慢，当试验进行5 7 周，裂缝愈合率接近 1 0 0 。水泥砂浆试件的表面覆盖情况优于混凝土试件，z n s 0 4 溶液中试件的表 面覆盏率大于海水中试件。通电过程的前l 周，试件质量增加率最大，但总的来 说质量增加率随时间的增长而减小。 沉积物在裂缝中沉积深度较深，混凝土试件填充深度为9 6 4 m m 、9 o l m m ， 水泥砂浆试件为6 1 0 m m 、5 5 6 r a m ，结果发现海水中试件裂缝填充深度大于z n s 0 4 溶液中试件，混凝土试件的填充深度大于水泥砂浆试件。 7 1 2 电沉积效果评定 用试件的渗透系数、试件表面沉积物的附着力和试件的孔径分布变化情况， 评定电沉积效果。 6 1 第七章结论与展望 试件的水渗透系数的测试采用自行设计的测试装置，原理图如图4 1 所示， 计算公式见( 4 1 ) 式。在电沉积试验之后，试件裂缝处的水渗透系数测定值接近 于无裂缝状态，透水性能得以改善，试件裂缝愈合良好。水泥砂浆试件表面沉积 层的粘结强度大于混凝土试件表面沉积层的粘结强度。经过电沉积的混凝土试件 和水泥砂浆试件孔径分布情况改善较为明显。其中，混凝土试件和水泥砂浆试件 孔径尺寸大于1 0 0 pm 的孔的百分比大幅度减少，减小幅度两者都接近9 0 ；而 孔径尺寸小于0 1i tm 的孔所占百分比都有较大幅度的增加，提高幅度约为2 0 0 和1 0 。电沉积能有效的改善试件的微观结构，使孔径尺寸减小，孔隙率下降。 7 1 3 电沉积法脱盐效果 电沉积试验后，海水中混凝土试件、水泥砂浆试件沉积面的o 0 5c m 深度 范围氯离子含量升高，o 5 lc m 、1 2e m 两深度范围氯离子含量均有不同程度 的降低。z n s o t 溶液中混凝土试件、水泥砂浆试件不同深度范围脱盐百分率基本 接近，两种试件3 个深度范围的脱盐百分率分别约为5 0 和3 0 0 , 4 。电沉积法能 有效脱除混凝土内的氯离子，从而使钢筋混凝土结构活化腐蚀的钢筋全面恢复钝 化。 7 1 4 沉积物的成分及形貌分析 海水中试件沉积物主要含m g 、c a 元素，主要成分为m g ( o h ) 2 和c a c 0 3 ， m g ( o h ) 2 所占比例较大。z n s 0 4 溶液中试件沉积物主要成分为z n ( o h ) 2 和z n o ， 其中z n o 成分较多，所占比例为8 0 以上，而沉积物同时还含有微量的从溶液 中析出z n s 0 4 晶体。 试件裂缝壁与裂缝壁之间未见明显空隙，晶粒相互交错、依附于裂缝壁而生 长，十分紧密，沉积物与裂缝壁之间粘结良好。 第七章结论与展肇 7 1 6 结论及本文存在的不足 表7 1同种试件在海水和z n s 0 4 溶液中沉积效果对比 混凝土试件水泥砂浆试件 评定指标 海水 z n s 0 4 溶液海水z n s 0 4 溶液 质量增加率 表面覆盖率 、， 两者接近 裂缝愈合率两者接近两者接近 裂缝填充深度 、， 水渗透系数 ， 沉积层粘结强度两者接近两者接近 孔隙改善情况两者接近两者接近 脱盐效果 、，、， 沉积物品粒粒径大小 、， 两者接近 注；两者比较指标较优者。圹 同种类试件在海水和z n s 0 4 溶液中沉积效果对比见表7 1 。由表可知，海水 作为电沉积溶液时，沉积效果良好，与z n s 0 4 溶液( 电沉积应用于陆基混凝土时 沉积效果最佳) 沉积效果相当，而混凝土试件沉积物的致密性和试件裂缝中沉积 物的填充深度两参数，海水优于z n s 0 4 溶液。 在适当的电流密度下，电沉积法能使一定宽度海工结构混凝土水下裂缝得以 愈合，表面状况和微观孔隙结构得以改善，混凝土中氯离子得以脱除，修复海工 结构混凝土水下裂缝是可行的。本次试验的成功，能有效的加快电沉积法应用于 实际工程的进程，为把电沉积法应用于海工结构混凝土水下裂缝的修复奠定了基 础，满足了水下混凝土裂缝修复技术的现实需要，促进了裂缝修复技术的发展。 由于试验条件有限，本次试验还存在许多不足：室内试验与实际工程中环境 条件存在差异；构件中由于为人工加入n a c l ，氯离子分布与海工结构中构件有 差异；沉积物的抗冲刷性能有待进一步研究等。 第七章结论1 展望 7 2 研究展望 要把电沉积法应用于实际工程中，还需要进行更为深入的研究，如：实际工 程中辅助阳极的安装；水位、气候等外部因素的变化对通电过程及沉积效果的影 响；海水中不同的阳离子浓度下电流密度的选择；不同的裂缝宽度下电流密度的 选择等。笔者认为还要对如下方面一些工作进行进步研究和讨论： ( 1 ) 系统研究经过电沉积处理后带裂缝混凝土的耐久性能，如抗渗、抗c ，一侵 蚀、抗碳化性能等； ( 2 ) 沉积效果对带裂缝混凝土性能提高的影响，目前只有定性认识，而对于 具体的影响情况尚不清楚，还需要大量的试验，根