电化学沉积法修复混凝土裂缝的研究进展.pdf
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1、 1 2 O 材料导报 : 综述篇 2 0 1 0年 6月( 上) 第 2 4卷第 6期 电化学沉积法修复混凝土裂缝 的研 究进展 储 洪强 , 王培铭 , 蒋林华 ( 1 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 2 0 0 0 9 2 ; 2 河海大学力学与材料学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 从电沉积法修复混凝土裂缝的机理、 电沉积溶液的选择、 电沉积效果的表征及其影响因素、 电沉积方法 修复后混凝土性能的改善 4个方面论述了电化学沉积法修复混凝土裂缝的研究进展。探讨了对电沉积法修复混凝 土裂缝的机理, 分析了电沉积溶液的选择要求, 对比了不同学者关于电沉积效果的表
2、征方法及其影响因素, 并归纳了 电沉积 方法修 复后混凝 土性能的改善 , 最后提 出电沉积 方法对混凝土裂缝 的修复机制 、 愈合 效果评价 、 电沉积层与钢 筋混凝土结构基体材料界面结合机制等方面还有待进一步的研究。 关键 词 电化学沉积法裂缝修复混凝土 Ad v a n c e s i n Re s e a r c h 0 n El e c t r 0 d e p 0 s i t i 0 n M e t h o d f o r Re p a i r o f Co n c r e t e Cr a c k s CHU Ho n g q i a n g ,W ANG Pe i mi n g
3、,J I ANG Li n h u a ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s , Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , To n Ni Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ; 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ,Ho h a i Un i v e r s i
4、 t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t Th e a d v a n c e s i n r e s e a r c h o n e l e c t r o d e 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 o n c r e t e c r a c k s ,i n c l u d i n g t h e me c h a n i s m ,s e l e c t i o n o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n s ,c h a
5、 r a c t e r i z a t i o n me t h o d a n d i n f l u e n c e f a c t o r s o f e l e c t r o d e p o s i t i 0 n e f f e c t , a n d i mp r o v e me n t o f c o n c r e t e p r o p e r t i e s a f t e r e 1 e c t r o d e p o s i t i o n Th e r e p a i r me c h a n i s m o f e 1 e c t r o d e p o s
6、i t i o n i s d i s c u s s e d Th e r e q u i r e me n t o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n s i S a n a l y z e d Di f f e r e n t e l e v a t i o n me t h o d s a n d i n f l u e n c e f a c t o r s a r e c o mp a r e d An d i mp r o v e me n t o f c o n c r e t e p r o p e r t i e s a f t
7、e r e l e c t r o d e p o s i t i o n i s g e n e r a l i z e d At l a s t ,t h e f u r t h e r r e s e a r c h s u c h a s r e p a i r me c h a n i s m,a s s e s s me n t o f c r a c k h e a l i n g a n d i n t e r p h a s e c o mb i n e me c h a n i s m i s p u t f o r wa r d Ke y wo r d s e l e c
8、 t r o d e p o s i t i o n me t h o d,c r a c k s ,r e p a i r ,c o n c r e t e 混凝土裂缝长期以来一直是学术界和工程界所研究 的 重要课题 。国内外发表 了大量有关混凝土裂缝 的成因、 评估 与修补的文献n 。混凝土的裂缝是不可避免的, 其微观裂 缝是由本身物理力学性质决定的。裂缝修补 的目的是使结 构构件因开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。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
9、、 填 充法 ( 嵌缝法) 等 6 - 1 o , 然而上述方法对水环境 中的钢筋混凝土结构裂缝 的 修复仍存在很大的局限性 , 因而研究新型、 实用的水下混凝 土裂缝的修复方法具有非常重要的现实意义 。 电化学沉积法是 国际上近些年出现的修复混凝土结构 病害的一项新技术, 特别适用于传统修复技术难以奏效或价 格太高的混凝土结构。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 国应用电沉积方法 进行金属 和合金材料保护的研究十分活跃 1 ” , 但应用电沉积方法进 行混凝土结构保护和修复方面的研究较少 , 国际上, 日本 自 2 O 世纪 8 O 年代后期就开始进行利用电沉
10、积方法修复海工混 凝土结构裂缝的研究 1 “ , 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 。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 。根据这一原理, 日本、 美国近年来对 利用电沉积方法修复陆上混凝土裂缝 的可行性及经 电沉积 技术处理后具有干缩裂缝混凝土的部分性能进行 了初步试 验研究_ 】 。本文则主要介绍 了电化学沉积法
11、修复混凝土 裂缝的研究成果及技术研究进展 , 以便为将来该技术的应用 提供一定的参考和理论支持 。 1 电沉积法修 复混凝土裂缝的机理 国内外关于电沉积法修复混凝土裂缝的机理仅有一些 初步的探讨, 一般认为 : 在电位差的作用下 , 混凝土本身以及 电沉积溶液中的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。国内蒋正武等认为电极 间电势差引起的电极反应是电化学沉积的动因, 裂缝愈合机 *海岸灾害及防护教育部重点实验室开放研究基金资助项 目; 河海大学 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 8 4 2 7 8
12、 1 1 ) ; 教育部博士学科 点专项科研基金项 目( 2 0 0 2 0 2 9 4 0 1 2 ) 储洪强: 男, 1 9 7 8年生, 讲师, 博士研究生, 主要从事新材料及结构耐久性研究 E - ma i l : c h q 7 8 2 0 0 9 1 2 6 c o rn 电化学沉积法修复混凝土裂缝的研究进展 储 洪强等 1 2 1 理在于电解反应生成的产物在裂缝中诱导成核 , 生成 不溶性 晶体 , 从而使裂缝密实、 愈合。另外 , 同济大学的姚武等 3 l _ 分析了电沉积法修复混凝土裂缝过程 中所发生 的主要 电极 反应 : Mg S O 溶液 : 阳极 4 OH一 -4 e
13、一 2 H2 O+O2 十 阴极 4 H +4 e一 2 H 十 M g + 2 0HM g ( OH) 2 Mg C 1 溶液: 阳极 2 C 1 一 -2 e C 1 z 十 阴极 2 H +2 e H。 十 Mg 抖 + 2 OH一 一M g ( OH) 2 Z n S O 溶液 : 阳极 4 0H一 一4 e 一 2 H 2 O +O 十 阴极 4 H +4 e 一 2 H 十 Zn + 2 OH一一Z n( OH ) 2 、 Zn ( 0H) 2 一Z n O+ H2 O 但是对于电沉积法修复混凝土裂缝过程 中离子 的迁移 只有定性的认识 , 缺乏定量的评定 , 迁移规律、 影响因素
14、还有 待进一步探明, 另外发生上述电极反应 的动因、 过程 、 影响因 素, 沉积物在混凝土异相介质上尤其 是裂缝 截面上 的成核 、 结晶、 填充的过程 , 沉积物微观结构的特征 , 从化学与电化学 角度揭示沉 积层 的生长过程与机 理, 还需要进一 步研究量 化 。 沉积 裂缝 丌 百 丌 Mg C 1 溶液 Mg ( N O ) : 溶液 Z n S O 溶 液 A g NO 溶液 图 1 裂缝里沉积物的填充情况 F i g 1 De t a i l s o f e l e c t r o d e p o s i t s i n t h e c r a c k 另外, 笔 者 还通 过
15、大量 的探索 试 验筛 选 出 一种 添加 剂_ 3 。结果表 明, 试件表面覆盖率及裂缝填充深度随添加剂 掺量 的增加而变大, 而裂缝愈合率 随添加剂掺量的增加而减 小 ; 未掺加添加剂的 Z n S O 电沉积溶液 中, 沉积物 出现 了 2 种形貌( 颗粒状和层状结构 ) , 而且 以层状结构为主; 在 电沉 积溶液中掺加添加剂沉积物 的组成没有改变 , 仅对其微观结 构有一定的影响, 随添加剂掺量 的不同会形成形貌相异的沉 积物 , 加入添加剂后使 电沉积层更趋致密、 平整 。 目前筛选出的电沉积溶液及添加剂成本 比较高 , 而且添 加剂暴露在大气中会有质量损失, 还需作进一步研究 以
16、提高 其各方面的性能, 并降低成本, 使带裂缝 的混凝土结构经过 电沉积处理后达到 比较理想的修复效果。 2 电沉积 溶液的选择 3 电沉 积效果的表征及影 响因素 电沉积法修复海工混凝土裂缝时, 海水本身就是 良好的 电沉积溶液 1 。如果将 电化学沉积法用于陆上混凝土裂 缝 , 则需要选定合适的电沉积溶液。由于不 同的电沉积溶液 将生成不同的沉积物 , 并直接影 响修复效果 , 所以 电沉积溶 液的优选问题是一个重要的研究课题。 日本 的 Os t u k i等l 】 驯 选 用 尺 寸为 4 0 mm 4 0 mm x 1 6 0 mm的带裂缝( 宽度 0 0 5 O 1 0 mm) 水
17、泥砂浆试件对电 沉积溶液的选择进行了试验研究 。试验选取 Mg C 1 。 、 Z n S O4 、 Ag NO 3 、 Cu C1 2 、 Mg ( NO3 ) 2 、 C u S O4 、 C a ( OH) 2 、 Na HC ( ) 3 共 8 种溶液 , 其 中 A g N O a 、 C u C 1 、 C u S O 的浓度为 0 0 1 m o l L , 其 余 5种溶 液 的浓 度为 0 1 mo l l , 施加 的 电流密度 分别 为 0 2 5 A m 、 0 5 A m , 通电 4 8周。结果表明, 采用 Mg C 1 。 、 Z n S O 、 Mg ( N O
18、 。 ) 。 电沉积溶液 , 试件 表面存在较多沉积物 , 主要矿物成分分别为 Mg ( OH) 2 、 Z n O、 Mg ( OH) : ; 采用 Ag NO 。 电沉积溶液 , 试件上的沉积物只分布在裂缝 的周 围, 主 要矿物成分为银 ; 而采用 Cu C 1 、 Cu S ( ) 4 、 C a ( OH) 、 Na Hc ( ) 电沉积溶液 , 试件表面几乎没有沉积物。将出现沉积物的试 件沿着裂缝断 面切开 , 沉积物在裂缝里 的填充 情况见 图 1 。 笔者 3 l _ 也进行了电沉积溶液的选择试验研究, 得到了与 日本 学者 比较接近的结果。 日本的 R y u 等ll2 认为
19、强酸根离子如 S O 卜、 N O 。会对 混凝土产生酸腐蚀, 故选用 0 5 mo l L的 Mg ( CH。 C OO) 。电 沉积溶液 , 混凝土试件 的尺寸为 1 0 0 mm3 0 0 mm4 0 0 mm, 缝宽约为 0 5 mm, 电流密度为 1 O A m 、 2 0 A m 。结果表 明, 电沉积试验后 , 裂缝封闭率达到 1 0 0 , 表面覆 盖率达到 7 O 3 1 电沉积效果的表征 目前对 电沉积效果的评价指标主要存在以下 2 种观点 。 日本的 Os t u k i 等以及笔者提出以质量增加率 、 表面覆盖率 、 裂缝愈合 率 以及裂缝 填 充 深度来 评 价 电沉
20、积 效果 。Ry u 等_ 2 。 采用 1 5 0 mm1 5 mm1 2 5 mm 的混凝 土试 件, 通过 1 8 个月氯离子侵蚀使之产生裂缝( 裂缝宽为 0 2 0 6 m m) , 外部 电沉积溶液为 0 1 mo l L的 Z n S ( ) 溶液 , 然后施加 电流 密度为 0 5 A m 。 的直流电。结果表明, 在试验进行的前 2 个 星期, 裂缝闭合速度最快, 昆 凝土表面 的电沉积覆盖层厚度 为 0 5 2 mm; 施加电压后不久 , 在裂纹尖端处先 出现 电沉积 使裂纹钝化 ; 试验结束时, 混凝土试件的裂缝几乎完全闭合。 笔 者_ 3 研 究 了 带 裂 缝 的水 泥
21、 砂 浆 试 件 ( 尺 寸 4 0 mm 4 0 mmX1 6 0 mm) , 缝宽为 0 2 5 0 3 5 mm, 选用 Z n S O4 、 Mg S O 、 Mg C 1 电沉积溶液, 浓度 0 5 mo l L, 电流密度 1 A m , 通电 2 O天 。结果表明, 刚开始 5天的裂缝愈合速度最快 , 2 O 天后裂缝完全愈合, 采用 Z n S O 电沉积溶液, 试件表面沉积 物的厚度为 0 1 O 3 m m, 而采用其余 2 种溶液 , 试件表面沉 积物 的厚度为 0 2 O 6 mm( 裂缝处最厚) 。 蒋正武等【 3 。 提 出以质量增加量 、 透水系数 、 超声波声速
22、 来评 定 电沉 积 效 果。试 验 采 用 多 孔 钢筋 混 凝 土 试 件 为 1 0 0 m mX1 0 0 m m2 0 0 m m 的长方体 , 内部配有钢筋骨架 ; 选 用 Mg( NO。 ) 电沉 积 溶 液 , 浓 度 分 别 为 0 0 5 mo l L、 0 1 mo l L, 施加 2种 电流密度( 0 5 A m 、 1 0 A m ) 不 同的 直流电, 持续通电 8 周 。结果表 明, 多孔混凝土的质量增加 量随电化学沉积愈合龄期的增长而增大, 多孔 昆凝土空隙率 对 电化学沉积早期愈合效果的影响较小 ; 愈合后期 , 多孔混 1 2 2 材料导报 : 综述篇 2
23、0 1 0年 6月( 上) 第 2 4卷第 6期 凝土空隙率越高, 其质量增加量略高 , 透水 系数越大 , 声速越 小 ; 电流密度与电解质浓度越大, 电化学沉积速率越快 , 多孔 混凝土的透水系数越小, 声速越大。 对于电沉积效果指标的选择 , 还需与带裂缝 的混凝土结 构经电沉积修复后的效果即混凝土结构性能的改善相联系 , 两者之间的关系还有待进一步研究, 从而确定电沉积效果的 评价指标 。 3 2 电沉积效果的影响因素 日本的 R y u 等E e 6 以及中国河海大学 的蒋林华等 3 就混 凝土本身 的参数对 电沉积效果 进行 了研究。R y u等选 用 Z n S 电沉积溶液, 浓
24、度 0 1 mo l L, 电流密度 0 5 A m , 通电 9 O 天 , 研究不同裂缝宽度、 保护层厚度以及水灰 比对 电沉积 效果的影响。结果表明, 裂缝宽度越小 , 裂缝封闭越快 , 但裂 缝 中沉积物沉积深度越大; 保护层厚度越小, 试件 的质量增 加量越大, 裂缝完全愈合时 间越短 , 试验进行 3 O天后 , 裂缝 愈合率都能达到 1 0 0 ; 水灰比越大, 单位面积上获得的沉积 物质量越大。蒋林华等也对混凝土的水灰 比、 保护层厚度、 裂缝宽度对电沉积效果的影响进行了研究, 采用带裂缝 的水 泥砂浆试件( 尺寸 4 0 mm4 0 mm1 6 0 mm) , 选用 Mg S
25、 O 电 沉积溶液, 浓度 0 1 m o l I , 电流密度 1 0 A m , 通电 2 O天。 结果表明, 不论 昆 凝土参数( 水灰比、 保护层厚度、 裂缝宽度) 如何变化 , 刚开始 5天的裂缝愈合速度最快 , 2 0天后裂缝基 本上完全愈合 ; 试件质量增加率及裂缝愈合率随水灰比的增 大而增大, 而表面覆盖率随水灰 比的增大而减小; 质量增加 率 、 表面覆盖率 及裂缝愈合率都 随保护层厚 度的增 大而减 小 ; 表面覆盖及裂缝愈合率随裂缝宽度 的增大而减小 , 裂缝 填充深度及裂缝横断面覆盖率随裂缝宽度的增大而增大。 笔者_ 3 研究 了辅助电极及其 电极距 离对电沉积效果的
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