摘要: 從電化學角度對電沉積方法修復混凝土裂縫的原理及其影響因素進行了探索性的試驗研究,證實了在裂縫尖端有電流密度集中現(xiàn)象,通過調節(jié)外加電壓統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),裂縫端的電流密度比臨近無損傷區(qū)域高出了數(shù)百倍;試驗測定了電沉積過程中受損水泥基試塊的質量增加量、裂縫愈合率等參數(shù),并研究了水灰比和不同電解質溶液對混凝土電沉積修復效果的影響.

關鍵詞: 電沉積; 鋼筋混凝土; 裂縫修復; 電極反應

中圖分類號: TU 528. 571 　　　　　　文獻標識碼: A 　　　　　文章編號: 0253 - 374X(2006) 11 - 1441 - 04

　　混凝土是一種非勻質多孔性的脆性材料,其內部存在大量微細裂縫和不同大小的孔隙,抗拉強度遠遠低于其抗壓強度,對沖擊、開裂的抵抗能力差.混凝土在受力或其他諸多因素的作用下,易在其內部或者表面出現(xiàn)裂縫,導致其性能劣化、耐久性下降,并可能進一步引起其內部鋼筋的腐蝕. 因此鋼筋混凝土結構的裂縫預防和修復,長期以來一直是學術界和工程界所關注的重要課題.

　　日本學者嘗試利用電沉積方法修復海工混凝土結構的裂縫[1 ] . 把帶裂縫的海工混凝土結構中的鋼筋作為陰極,在海水中外加輔助的陽極,在兩者之間施加微弱的低壓直流電,因為混凝土本身就是一種導體,所以在海工混凝土結構的表面和裂縫處有沉積物(主要成分為CaCO3 和Mg (OH) 2) 生成從而修復裂縫. 該方法特別適用于傳統(tǒng)的修復技術難以奏效的海工結構,因為海水本身就是良好的電解質. 近年來,Ryu 等[2～5 ]對利用電解沉積方法修復陸上混凝土結構裂縫的可行性進行了試驗研究. 為了充分發(fā)揮和更好地利用電沉積方法所具備的修復鋼筋混凝土裂縫的獨特優(yōu)勢,同時也為了更好地把握其修復的效果,有必要對電沉積法修復混凝土裂縫進行更加深入細致的試驗研究. 筆者比較研究了混凝土的不同水灰比和使用不同的電解質溶液對電沉積修復效果的影響,并從電化學角度對電沉積過程中使用不同的電解質溶液所發(fā)生的化學反應進行了分析.

1 　試驗

1. 1 　原材料

　　水泥:P·O 42. 5 普通硅酸鹽水泥; 細集料: 河砂,細度模數(shù)為2. 6 ;外加劑:高效減水劑.

1. 2 　試驗裝置與原理

　　采用片狀鈦網(wǎng)板作為輔助電極,主裂縫所在面朝下,砂漿試塊中預先埋有鋼筋引出導線和電源的負極相連作為陰極;鈦網(wǎng)放入電沉積溶液和電源的正極相連作為陽極;這樣砂漿、電沉積溶液、鈦網(wǎng)、導線和電源就構成了一個回路. 具體試驗裝置如圖1.每5 天更換一次溶液,以使溶液的濃度基本保持恒定. 由于溫度等外界條件對試驗有影響,所以在整個試驗過程中盡量保持外界條件的恒定. 采用穩(wěn)壓電源向回路中施加微弱的低壓直流電( 約1. 0A ·m- 2) . 當有電流通過的時候,因為電沉積溶液中存在大量的離子,并且砂漿本身就是一種導體,所以電流的傳導可以通過離子的定向移動而完成. 陰離子總是移向陽極(鈦網(wǎng)) ,而陽離子總是移向陰極(鋼筋) . 當陰陽離子分別接近異性電極時,在電極與溶液接觸的界面上分別發(fā)生電子的交換(離子或電極本身發(fā)生氧化或還原反應) . 由于裂縫的存在使鋼筋直接和電解質溶液接觸,并且鋼筋的電導率遠大于砂漿,導致鋼筋處電流密度增加,其表面會產(chǎn)生大量的OH- ,從而導致遷移到陰極的陽離子( Zn2 + ) 與OH- 結合生成難溶的沉積物,隨著沉積物的不斷增加使得裂縫逐漸愈合,從而達到了修復的效果.

1. 3 　試驗方法

　　試驗采用水泥砂漿試件,尺寸為40 mm ×40mm ×160 mm ,水灰質量比采用0. 3 ,0. 4 和0. 5三種,水泥與砂的質量比為1∶2. 鋼筋采用直徑4 mm的光圓鋼筋,預先埋設于砂漿試塊中,保護層厚20mm(相對于主裂縫所在面) . 試塊在標準條件下養(yǎng)護28 d 后,在DY - 208 型全自動水泥強度實驗機下施加荷載,除了荷載所在面之外,其余三個面(40mm ×160 mm) 均在其中部位置附近產(chǎn)生貫穿到鋼筋的裂縫,裂縫的寬度范圍為0. 1～0. 5 mm. 為保證沉積物只在主裂縫所在面上沉積,在其余五個面上均涂上硅膠. 試塊表面及裂縫的情況見圖2.

　　電解質溶液采用硫酸鋅、硝酸鎂和氯化鎂等三種進行試驗. 溶液的濃度為0. 2 mol·L - 1 ,每隔5 d取出試塊測量質量變化率和裂縫愈合率.

2 　試驗結果與分析

2. 1 　裂縫處的電流密度

　　在電沉積過程中,由于裂縫深處有鋼筋裸露,加之其電導率較大,有電流集中現(xiàn)象,因此電流密度較大[6 ,7 ] . 為了定量考證裂縫處的高密度電流,分別測量了在相同外加電壓情況下,同一試件(裂縫寬度為0. 4 mm) 在破壞前后的電流密度. 電流密度是指垂直于電流流向的單位面積上通過的電流強度. 試件破壞前的電流密度可表示為通過的電流與垂直面的面積(160 mm ×40 mm) 之比. 而破壞后裂縫處的電流密度則等于破壞前后電流的差值與裂縫處的面積(0. 4 mm ×40 mm) 之比. 測試結果列于表1 中. 由表1 可以看出,破壞后的試件在相同的電壓下通過的電流明顯增大,說明裂縫處存在高密度電流,與試件其他未裂部位相比,電流密度高出數(shù)百倍. 進一步分析發(fā)現(xiàn),隨著外加電壓的增加,破壞前的電流密度基本呈等比例線性增加,但裂縫處的電流密度增加速率明顯高得多,從而導致裂縫處與未裂部位電流密度的比值隨外加電壓的增加而遞增.

2. 2 　試件的質量變化和裂縫愈合率

　　電沉積過程中試件的質量增加量隨時間增長的變化曲線如圖3 所示. 試件的裂縫愈合率是指裂縫被填充的長度和裂縫總長度的百分比,其隨時間的變化曲線見圖4. 從圖3 和圖4 可以看出,在所選的三個水灰比中,采用硫酸鋅作為電沉積溶液,試件的質量增加量和裂縫的愈合率隨水灰比的增大而增大. 原因可能是隨著水灰比的增大,砂漿中的孔隙率增大,一方面降低了砂漿本身的電阻,另一方面降低了氫氧根離子從砂漿裂縫中析出的阻力,從而產(chǎn)生更大的電流,使得生成沉積物的幾率相對增加. 就所選的三種電沉積溶液而言,采用硫酸鋅溶液時電解

，

沉淀物的數(shù)量最多,試件質量增加量也最大. 從圖3中還可以看出,前5 d 試件的質量增加量最大,即沉積物生成的速度最快. 但隨后,試件的質量增加量隨著時間的增長而逐漸降低,即沉積物生成的速度變慢. 電沉積量與電流成正比,由于生成的電沉積物愈合部分裂縫導致試件的電阻增加,以及鋼筋得到保護后極化電阻和膜電阻增加導致電流的降低,因此沉積物的生成速度隨著電流的減小而逐漸變慢.

　　通常在電沉積20 d 后,試件的裂縫基本愈合,見圖5 所示. 裂縫處往往有明顯的突起,說明裂縫處的電化學反應最激烈,生成的電沉積物也最多.

2. 3 　電沉積過程中的電化學反應

　　根據(jù)電化學知識[8 ,9 ] :在陰極上,電勢愈正者其氧化態(tài)愈先還原而析出;在陽極上,電勢愈負者其還原態(tài)愈先氧化而析出. 采用不同的電解質溶液時在電沉積過程中發(fā)生的化學反應分別如下:

　　硫酸鋅溶液:陽極: H2O →2H+ + O2/ 2 ↑+ 2e –

　　陰極:2H2O + 2e - →H2 ↑+ 2OH-

　　總反應:Zn2 + + 2OH- →ZnO ↓+ H2O

　　硝酸鎂溶液:陽極: H2O →2H+ + O2/ 2 ↑+ 2e -

　　陰極:2H2O + 2e - →H2 ↑+ 2OH-

　　總反應:Mg2 + + 2OH- →Mg (OH) 2

　　氯化鎂溶液:陽極:2Cl - →Cl2 ↑+ 2e -

　　陰極:2H2O + 2e - →H2 ↑+ 2OH-

　　總反應:Mg2 + + 2OH- →Mg (OH) 2 ↓

　　從上述所發(fā)生的化學反應來看,在硫酸鋅溶液和硝酸鎂溶液中,陽極上參加反應的是H2O ,而在氯化鎂溶液中,由于氯離子反應生成氯氣的標準電極電勢( - 1. 36 V) 比H2O 生成氧氣的標準電極電勢( - 1. 23 V) 小,所以在陽極上參加反應的是Cl - .根據(jù)法拉第電解第一定律[8 ]知,電解時在電極上析出的物質的質量和通過電解溶液的總電荷量成正比:m = KQ (1)

　　式中: Q 為析出質量為m 的物質所需要的電量; K為電化當量,其數(shù)值隨著被析出的物質種類而不同.根據(jù)法拉第電解第二定律,物質的電化當量K 和它的化學當量成正比. 某種物質的化學當量是該物質的摩爾質量M 和它的化合價n 的比值,即:K ∝ M/ n , 　K = M/ Fn (2)

　　式中: F 為法拉第常數(shù)( F = 96 500 C·mol - 1) . 將式(1) 和式(2) 聯(lián)立可得m = MQ/ Fn (3)

　　由此可以得知在通電量相同的情況下,陰極析出物的質量與其化學當量成正比. 由于析出物ZnO和Mg (OH) 2 的摩爾質量分別為81 g·mol - 1和58g·mol - 1 ,所以氧化鋅的質量較大,從而也印證了采用硫酸鋅溶液時的質量增加量比硝酸鎂溶液和氯化鎂溶液增加得要快.

3 　結論

　　(1) 在電沉積過程中,由于裂縫的存在使鋼筋直接和電解質溶液接觸,并且鋼筋的電導率遠大于砂漿,導致鋼筋處的電流密度比其他完好部位的電流密度高數(shù)百倍,其表面會產(chǎn)生大量的OH- ,從而導致遷移到陰極的陽離子(Zn2 + ) 與OH- 結合生成難溶的沉積物,因此在裂縫處的電化學反應最激烈,并且生成的電沉積物也最多.

　　(2) 通過電沉積法可以愈合混凝土的裂縫. 沉積物的質量增加率和裂縫愈合的速率隨混凝土水灰比的增大而增大.

　　(3) 電解質溶液的種類對電沉積效果有顯著影響. 不同的電解質溶液決定了在陰陽極參加電極反應的離子類型,并影響沉積物產(chǎn)生的種類. 筆者的研究表明,采用硫酸鋅溶液的電沉積效果最好.

參考文獻:

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