电沉积法修复水下混凝土裂缝的工程应用研究

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【摘 要】水下混凝土裂缝长期处于湿度较大的环境中，传统的灌浆技术在水下修复存在着诸多难题。而电沉积法对水下混凝土裂缝的修复仍无法真正在工程中应用开来，笔者在此提出了部分工程优化措施，以期取得更好的修复效果。

【关键词】电沉积法；工程优化措施

一、水下混凝土裂缝的形成原因

混凝土本身是一种非匀质的多孔性材料，其抗压强度较高，而抗拉强度低。因此，在工程实际中，常常发生脆性破坏。产生的裂缝如果不得到及时的处理，就会严重影响到工程结构的正常使用性能和缩短使用寿命，进而给我们带来巨大的损失。

混凝土在硬化成型以及使用过程中，不可避免地要受到温度，湿度，碱骨料反应以及基础的不均匀沉降等作用的影响，产生的裂缝不利于结构的承重、防渗。由于水下混凝土长期处于湿度较大的环境中，其裂缝的适时修复显得尤为重要。

二、研究现状

电化学沉积法修复混凝土裂缝是国际上近些年来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修复成本过高的水环境中混凝土结构。20世纪80年代后期开始，日本和美国开始对电沉积法用于陆基混凝土裂缝修复的可行性进行了初步试验研究。

Ryu 等采用150mm × 15mm × 125mm 的混凝土试件，通过18个月的氯离子侵蚀使之产生裂缝。然后用0.1 mol/L 的硫酸锌溶液，施加电流密度为0.5 的直流电进行电沉积修复试验。研究结果表明：通电8周后，裂缝完全闭合；电沉积过程使近70%的氯离子从混凝土中移出，进入到电解质溶液中去。这有助于混凝土内部钢筋的重新钝化，重而提高钢筋的抗锈蚀能力。

日本的大即信明（Ostuki）等选择尺寸为40mm × 40mm × 160mm 的水泥砂浆试件，选取浓度均为0.1mol/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中溶液进行电沉积试验。试验结果表明：硫酸锌试件的试验效果最好，试件孔径主要分布由电沉积前的0.1-6um变为电沉积后的0.1-1um，且试件的水的渗透系数也大大降低了。

美国的J.RYOU等认为强酸根离子，如 、会对混凝土试件表面形成酸腐蚀，损害试件。因而选用0.5mol/L的溶液作为电解质溶液，混凝土试件尺寸为100mm × 300mm × 400mm，裂缝宽度约为0.5mm：然后通入电流密度为 1 和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100%，表面覆盖率达到70%；在通电进行1d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，电沉积实验前试件50%的孔隙直径约为0.24um，8个星期的试验后，这一数据降低到0.17um。

近年来，中国河海大学的蒋林华、储洪强等在对电沉积法修复混凝土裂缝的研究中发现，电沉积溶液浓度及温度、辅助电极材料、阴阳两极间的电极距离等因素对混凝土裂缝的修复效果也有明显的影响。而同济大学的蒋正武、孙振平等，通过实验发现，高电流密度下的快速沉积会形成低强度的沉积层，低电流密度下的慢速沉积会形成高强度的沉积层。因此，水下混凝土的裂缝愈合需选用合适的电流密度，以获得最好的修复效果。

三、电沉积法的可行性验证

（一）电沉积法修复水下混凝土裂缝技术的原理

以带裂缝的水工混凝土结构中的钢筋为阴极，置于混凝土表面电解质溶液中的难溶性电极为阳极，在阴阳极之间通直流电，在电场的作用下，正负离子发生迁移，并发生电化学反应于混凝土裂缝或缺陷处，生成难溶性无机盐类产物，如氢氧化镁、碳酸钙等，从而达到愈合混凝土裂缝的效果。实验室修复装置原理图：

（二）实验方案设计

（1）实验装置：

将带有裂缝的水工混凝土试件放入容器中，试件中预先埋入钢筋并引出导线并与电源的负极相连作阴极，同时将片状石墨插入裂缝中并与电源正极相连作阳极，然后往容器中注入等量的已配置的硫酸锌或海水溶液，连接导线使带有裂缝的水工混凝土试件、电沉积溶液、辅助电极、电源构成一个回路。

（2）试件制作：

采用带有裂缝的水工混凝土试件，试件尺寸为100×100×100mm，预先埋置钢筋并引出导线，在标准条件下养护28d后在压力实验机施加劈裂荷载作用下在纵向中部位置产生裂缝。

（3）溶液配制：

用蒸馏水和ZnSO4·7H2O配制浓度为0.1mol/L的ZnSO4；海水采用海盐按天然海水密度配制。

（4）装置连接：

用导线连接装置，使带有裂缝的水工混凝土试件、电沉积溶液、辅助电极、电源构成一个回路。本实验分别以海水和ZnSO4为电沉积溶液，两组试验同时进行，接通电路，电流密度均采用0.5A/m2。

（5）过程观察：

每隔5天换一次电沉积溶液，以使溶液浓度基本保持稳定，同时取出试件观察其表面和裂缝处的沉积情况，通电时间持续20天，观察并记录实验过程中的现象。

（6）实验结果与分析

通过记录的实验数据和实验采集图片处理得到并分析试件的质量增加率、表面覆盖率、裂缝愈合率、裂缝填充深度等情况。电沉积实验后，从裂缝处的水渗透系数、表面沉积物粘结强度前后孔径分布测试等方面对沉积效果进行评定。

重点分析不同位置的溶液析出效果，判断电沉积法发生作用的最优外部边界条件，为后续电沉积法优化提供参考。

（三）室内试验的成果

现阶段，南京水利科学研究院的李勇等利用修复装置，已经开始了一系列的水下修复工作，并取得了较好的试验效果，这也加大了我们将其应用于实际工程的步伐。鉴于大量的水工混凝土裂缝亦需要修复这一事实，故电沉积法应用于水工混凝土的裂缝修复有广阔的应用前景。

四、电沉积法的工程优化

电沉积法的室内试验已充分证明电沉积法对水工混凝土裂缝的修复效果是显著的。离子反应生成的晶体在沉积区依附于裂缝壁生长，粘结性较好。然而室内试验为形成均匀、强度大的电场，采取的是铂铌阳极丝环绕混凝土试件。在实际的水工结构中，无法实现阳极材料环绕。

由于混凝土自身就是一种多孔隙的材料，其孔隙液可视为一种良好的电解质。因此我们利用了混凝土内部发生离子的迁移，从而生成沉淀物，达到修复裂缝的目的。由于我们的沉淀物首先生成在孔隙内部，因此其粘附强度较好，同时也可减少混凝土内部气体和液体的流动，取得较好的修复效果，可大大延长水工建筑物的使用寿命。我们以带裂缝的水工混凝土结构中的钢筋为阴极，以石墨为阳极（石墨微嵌或插入至裂缝内部），通以低压直流电，离子在混凝土内部迁移，在裂缝处生成沉积物。改进装置图如下示：

我们对电沉积法进行了工程优化，选取了固定阳极材料石墨，使其紧贴于待修复的裂缝区，改变了室内试验离子主要于电解质溶液中移动的机理，大量离子开始于混凝土内部移动，大大加快了反应进程，裂缝愈合速度加快。

中国河海大学的储洪强、蒋林华教授等通过测定电沉积溶液浓度及温度对水工混凝土裂缝修复效果的影响时发现，修复后的混凝土裂缝的表面覆盖率、裂缝愈合率随电沉积溶液浓度的增加而降低，而裂缝填充深度随浓度的增加而增大，质量增加率随浓度的变化无明显规律；表面覆盖率随电沉积溶液温度的升高而减小，裂缝愈合率随温度的升高而增大，质量增加率随温度变化不明显，温度对裂缝填充深度的影响较小。这也提醒我们，在实际的水工混凝土裂缝的修复工作中，要控制好电沉积溶液的浓度变化以及温度的影响，已取得较好的修复效果。

五、结语

电沉积法成功地将化学工程与水利工程学科结合在一起，解决了水下混凝土裂缝的修复工作中，传统的灌浆技术施工工艺复杂，不易操作的难题。同时，该技术可就地取材，利用海水等作为电解质溶液，可大大地节约修复成本，具有其他传统的水下混凝土修复技术不可比拟的优势。修复工艺节能环保、施工工艺方便快捷，具有广阔的应用前景。

据有关部门统计，目前在建的重大水利工程总投资规模约6千亿元，2014年中央预算内水利投资达到767亿元，比去年增加50亿元，目前已全部下达。值得关注的是，2014年5月21日，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，部署加快推进节水供水重大水利工程建设，到2020年前建设172项重大水利工程。随着172项重大水利工程的陆续开工，预计水利将在较长一段时间都保持较高的投资额，水利相关工程及设备公司将迎来发展良机。而与此同时，水利工程后期的维护工作也引起了我们的注意。据不完全调查表明，南方地区使用7—25年的混凝土港口设施中，有89%发生了钢筋锈蚀破坏，目前也存在着一些水工建筑物不能满足我们的安全、经济要求。如将电沉积法可将其应用到已建或正在建的水工结构的修复工作中去，必将大大节约我们的投资，产生更大的经济社会效益。

【参考文献】

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