电沉积法修复混凝土裂缝技术探讨

任晶轩

(重庆交通大学 重庆 400074)

电沉积法修复混凝土裂缝技术探讨

任晶轩

(重庆交通大学 重庆 400074)

随着钢筋混凝土材料发展到如今,它已经开始在我们生活中发挥着不可替代的作用。对于我们来说，修复裂缝就是为了防止未来混凝土随着时间日积月费遭到不可恢复性的破坏。钢筋混凝土结构受混凝土内部因素和外部环境(如温度等)的共同作用,易产生裂缝(外部和内部),造成局部损伤和腐蚀破坏等病害,随着日积月累,这些病害会不断扩大,以至于混凝土材料本来良好的性能不断降低，严重的还会对结构造成灾难性事故，从而严重影响人民生命财产安全和国民经济的发展。[1]于是混凝土裂缝修复自然就成了我们密切关注的问题，裂缝事关结构的稳定和耐久性，因此，如何修复裂缝自然也就成为了学术界和工程界研究的课题。[2,3]

混凝土裂缝；电化学反应；裂缝修复

一、裂缝成因及修复新技术

混凝土裂缝类别的划分有很多种标准,根据裂缝形成原因,可以分为由非荷载引起的裂缝和结构承担的荷载引起的裂缝。

作用在结构上的荷载使结构构件产生裂缝是由于混凝土材料抗拉性弱这一特性造成的。由非荷载原因引起裂缝的主要有温差过大、混凝土收缩、钢筋锈蚀、碱骨料反应和基础不均匀沉降等因素。热胀冷缩就是混凝土结构随着外界温度的变化而造成结构产生变形。

随着对混凝土的大量使用，我们不断总结经验，在检测和修复混凝土裂缝这方面到目前为止提出了多种有效的措施和办法，最近这些年，又有多种新型材料可以有效解决裂缝问题，同事，在裂缝修复的技术上也提出了许多新的方法。如，混凝土自修复法中的结晶沉淀法、渗透结晶法等；另外，聚脲技术也是一种新的技术，这是一种刚发展起来的施工技术，具有无污染、节能的优点。

二、电沉积法研究

(一)电沉积法研究现状

电沉积法的工作原理来源于高中化学就已经接触过的电解知识，它在微电子、陶瓷等方面有着相当大的应用。因此我们自然可以想到运用电解的原理将混凝土结构性质和水环境结合，通过电沉积法修复裂缝也是一种很好的办法，同时，进行该项研究，也是化学和工程相结合的一次很有意义的学科交叉研究。对于常规方法来说无论是在经济上还是技术上都存在诸多缺点，增加成本，且技术上不以保证质量。一旦电沉积法研究成熟，那么无论是在成本上还是技术上都会产生巨大的积极作用，成本将大大节约，技术上对于原来我们无法修复的微裂缝，也可以进行修复，无论是海工或水工混凝土的修复都不再是困难。日本一些学者对海工混凝土结构进行了初步的理论研究,他们的研究结果证明电沉积法可以用来弥补混凝土结果的裂缝。Hilbertz用该法进行了修复混凝土裂缝的大量相关研究。近些年来,Ryu等也在实验室内进行这些方面的试验。国内的学者中,李卓球(武汉理工大学)等进行了“导电纤维混凝土裂缝的钝化”试验研究[4,5]。

近年来我国应用电沉积法进行化学上的研究很多,但是把该化学方法应用在砼裂缝处理上却是空白。电沉积法最基本作用机理为:由于海水中含有丰富的离子，所以海水是天然的电解质溶液，我们把混凝土构件作为电解池阴极，选用一种惰性金属材料(如铂丝)作为阳极，这种惰性金属不能失电子，在阴阳极之间加一个电场，构成闭合回路，整个体系内部会有微弱电流，电解开始，在阴阳极两端发生着化学反应，混凝土作为阴极，因此在其表面和裂缝中会有产物生成并沉积下来，通过该法进行早期研究的是美国和日本，在80年代后期他们就通过陆地上的混凝土结构进行实验研究，该法的可行性进行初步探索。[2,8]基本情况如下:

Ryu设计电沉积试验，通直流电，用的是0.lmol/l的硫酸锌溶液,试件采用经15个月氯离子侵蚀的混凝土试件。连续通电8周,裂缝完全愈合。

(二)电沉积过程的电化学反应特征、及控制方式

电沉积这一反应过程本来就涉及本来就电化学、胶体等方面的知识。通常情况下,电沉积过程简单说来有以下5个步骤:①电化学反应发生；②产物的生成；③一旦改变电位,两个电极有充放电现象出现④溶液中正负离子在外加电场的作用下的相对移动；⑤化学反应的发生与新物质生长过程和电解质相中的传质步骤。另外，随着电化学反应的发生存在一般化学反应，我们不能理论地认为得那么理想化，实际试验是综合的。这个过程也并不是那么理想也存在很多矛盾，其中反应离子的能量大小和离子活化能峰是存在的最主要的矛盾,主要影响因素则是电极电位、电极的表面积大小、反应物的活性。

了解电沉积参数,如电极装置、电流密度等因素深入理解电化学动力学,弄清楚电化学反应动力参数的意义和动力参数对裂缝愈合过程的影响才是真正深入研究电沉积过程的重点。不同的电解质溶液进行试验，那么试验过程中的生成物种类、裂缝愈合的效果好坏和生成物在阴极沉积速率的大小等参数也会有所不同。

(三)电沉积法的影响因素

根据储洪强、孙达、蒋林华(河海大学力学与材料学院)研究的“电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响”的结论：(1)裂缝愈合率、表面覆盖率这两个参数随电沉积溶液浓度的减小而增加,裂缝填充深度将随浓度的减小而减小；(2)表面覆盖率会随电沉积溶液温度的降低而增大,温度并不是影响裂缝填充深度的主要因素，裂缝愈合率会随温度的降低而逐渐降低；(3)电沉积溶液的浓度和温度对质量增加率无影响。

最后，从实际效果我们发现溶液里的离子浓度是影响修复效果的一个重要因素。

(四)目前电沉积法有待解决的问题

从电解的基本原理、结果评价方法与各项指标的综合分析来看,裂缝中沉积物的力学性能好坏，强度是否满足要求，电解质浓度大小、电流密度大小、通电时间长短等试验参数决定了裂缝愈合效果,而工艺参数则由周围的具体环境以及构件的因素决定。事实证明，电沉积法是一种新型的并且有极大研究价值的修复方法，原理上是完全正确的，并且是一种节约成本且十分有效的方法。通过电化学中的电解原理在裂缝处诱导成核，产生生成物，有金属单质，氧化物等不溶性晶体沉积入缝，效果甚好。但现在这个课题还有许多问题需要我们解决。

(1)原理这块儿已经成熟，但是在实验室里面实际效果不太容易控制，实际效果并不是很明显；

(2)实验过程当中，前期沉积速度较快，而后期较慢；

(3)目前还无法完全实现在工程实际中的有效操作，比如说，如何低成本条件下将深水下的构件和外加电源连接成为电解池；我们还需要模拟深海中的低温环境来检测低温环境下是否能够有效实现沉积；

(4)不同电极材料对沉积效果是否有影响。

[1]储洪强.电沉积方法修复混凝土裂缝技术研究[D].河海大学,2005.

[2]蒋正武,孙振平,王培铭.电化学沉积法修复钢筋混凝土裂缝的机理[J].同济大学学报：自然科学版,2004,32(11):1471-5.

[3]蒋正武,刑锋,孙振平,et al.电沉积法修复钢筋混凝土裂缝的基础研究[J].水利水电科技进展,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]储洪强,王培铭,蒋林华.电化学沉积法修复混凝土裂缝的研究进展[J].材料导报,2010,24(11):120-3.

任晶轩(1991.3-)，男，汉，河南，研究生在读，重庆交通大学，研究方向：港口航道及近海工程。