电沉积法修复钢筋混凝土裂缝效果的研究

张铁男，陈正发，刘桂凤，彭高举

（1.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；

2.山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博 255049）

电沉积法修复钢筋混凝土裂缝效果的研究

张铁男1，陈正发2，刘桂凤2，彭高举1

（1.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；

2.山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博 255049）

裂缝是影响混凝土耐久性的关键因素，而电化学沉积法对于混凝土裂缝的修复有着独特的优势。通过试验现象，分析了其沉积物的形成和质量变化的内因，同时得出了Mg（NO3）2电解液的修复效果优于ZnSO4电解液的修复效果，且二者均不能完全填充裂缝的结论；并通过分析修复后混凝土试块表面覆盖率随时间的变化规律，得到了混凝土试块在不同电解液浓度及不同电流条件共同作用下表面覆盖率随时间变化的经验公式。

电化学；混凝土；裂缝；表面覆盖

0 引言

由于混凝土材料具有抗压强度高、抗拉强度低及非匀质脆性等特点，导致了混凝土裂缝成为了钢筋混凝土结构的常见缺陷。它不仅严重影响了结构的美观性和使用性，而且裂缝的出现，为外部介质提供了直接接触钢筋的通道，氯离子、水蒸气等可直接腐蚀钢筋表面，导致钢筋锈蚀，这也严重影响了结构的耐久性。混凝土裂缝的修复方法很多，主要有混凝土置换法、填充法、灌浆法、表面修补法、结构加固法、电化学沉积法、混凝土自修复法及聚脲技术[1-2]，其中混凝土置换法、填充法、灌浆法、表面修补法和结构加固法是传统的混凝土裂缝修复方法，应用广泛。而电化学沉积法、混凝土自修复技术及聚脲技术是新兴的修复混凝土裂缝的方法，尚未成熟。其中电化学沉积法修复混凝土裂缝是20世纪末发展出来的一种新兴的混凝土修复方法。带裂缝混凝土置于电解液环境中，通过一定的电流，其内部钢筋作为阴极，外部再附加阳极形成闭合回路。混凝土作为一种离子导体，在电场作用下于电解液中发生一系列的化学反应并生成沉积物，填塞裂缝，从而达到混凝土裂缝修复的目的。这种方法解决了传统修复方法存在的二次裂缝的问题，且该方法特别适用于传统的修复方法难以奏效的海工结构[3]，同时也表现出了独特的优越性和适用性。

关于电沉积法修复混凝土裂缝，国内外学者已进行了大量研究。首先日本学者[4-7]对此种方法进行了尝试，并进行了实际工程的应用，通过透水系数、弯曲强度、X射线、SEM等评价混凝土裂缝的修复效果，证实了电化学方法修复混凝土结构的有效性。国内学者[8-13]也证明了这种方法的可行性，设计试验系统，同时以质量增加量、表面愈合率、超声波速等方法来评定混凝土裂缝的修复效果，也有人通过细观力学方法分析电沉积法修复后的饱和混凝土的性能。但多数研究依然停留在实验层面，对于修复效果的系统化、定量化的研究尚且存在不足，仍不能用于有效的指导工程实践。

本文通过对不同种类及不同电解液浓度的裂缝修复效果进行了比较，分析了试验现象出现的机理。其次，通过表面覆盖率、质量变化量等对修复效果进行了评价。最后根据混凝土在不同电解液浓度、不通电流条件以及不同时间段的多因素共同作用下其表面覆盖率的变化规律总结出了经验公式。

1 试验

1.1 试验原材料与配合比

水泥：P·O42.5水泥；机制砂：山东万泰建筑骨料有限公司产，石粉含量8.9%，细度模数3.4，表观密度2560 kg/m3，堆积密度1693 kg/m3，含水率0.09%；粗骨料：取自工程现场，经测试表观密度2688 kg/m3，堆积密度1753 kg/m3，压碎指标9.1%，针、片状颗粒含量1.2%；水：普通自来水。通过试验确定的混凝土质量配合比为：水泥∶砂∶石子∶水=1.00∶1.51∶2.47∶0.48。

电解质：ZnSO4，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司生产，ZnSO4·7H2O含量不小于99.5%；Mg（NO3）2，天津博迪化工股份有限公司生产，Mg（NO3）2·6H2O含量不小于99.0%。电解质溶液用去离子水配制。

1.2 试件制作与养护

试验采用70 mm×70 mm×210 mm的长方体混凝土试块，混凝土保护层厚度30mm。为严格控制水灰比、砂率等参数，统一采用混凝土强制式搅拌机（SJD 100型单卧轴强制式混凝土搅拌机）搅拌，混凝土坍落度控制在75～90 mm。在试块的横断面中心位置处，沿试块纵向埋置φ8 mm光圆钢筋。本试验自行设计了裂缝预制架，预制裂缝宽度为0.3 mm，深度为30 mm。将涂好脱模剂的裂缝预制架置于试模纵向中间位置处并固定，分3次向试模内浇筑混凝土。将浇筑振捣完成的混凝土试块置于标准环境下养护24 h后脱模。将成型拆模后的试块放在（20±3）℃、相对湿度大于90%的标准环境下养护到28d。

1.3 试验方法

试验装置如图1所示。将带裂缝的混凝土试件分为9组，每组3块。容器内的电解质溶液设置3种不同浓度，分别为0.1、0.3、0.5 mol/L。同时设置1组浓度为0.3 mol/L的ZnSO4电解质溶液，与0.3 mol/L的Mg（NO3）2的电解质溶液进行修复效果的对比。采用0～30 V的可调直流稳压器作为外加电源，将裸露在混凝土外的钢筋连接电源负极后涂抹硅橡胶密封，同时溶液中的钛板连接到电源正极，形成闭合回路。通过的电流的强度分别为10、20、30 mA。试验周期为28 d，为保证试验环境的相对恒定，每隔7 d更换1次电解液，并通过测量表面覆盖面积及质量的变化对裂缝修复程度进行评估。

图1 试验装置示意

2 现象与分析

电流接通后，裂缝及电极附近有气泡冒出。随着试验的进行，试块表面及裂缝处有沉积物生成，外加阳极附近也有白色沉淀生成。生成气体的离子反应为：

生成沉淀的离子反应为：

电极在电场作用下发生氧化还原反应，阴极气泡为H+还原生成的氢气，阳极为水氧化生成的氧气，电解槽底部以及试件表面沉积物为Mg（OH）2和MgCO3。在电场力作用下Mg2+、H+等阳离子向阴极移动，吸附于混凝土内部孔隙与表面及裂缝处，OH-、NO3-等阴离子向阳极移动，Mg2+与OH-结合生成Mg（OH）2沉积物。另外，本次试验使用的砂为机制砂，主要成分为碳酸钙，阴极生成的H+在电场作用下，向混凝土内部迁移，与机制砂中的CaCO3发生微弱反应，生成HCO3-与Ca2+，造成部分碳酸钙溶解。如图2所示说明了混凝土内部机制砂的反应及离子运移情况。而且混凝土内部Ca（OH）2等微溶物中的OH-等阴离子在外加电场作用下向混凝土外运动，间接加强了混凝土内部的酸性，给H+与CaCO3的反应增加了动力，在试块表面生成了MgCO3白色沉积物。

图2 离子运移示意

Mg（NO3）2与ZnSO4作为电解液在裂缝周围出现沉积物的方式不同，如图3所示。

图3 不同电解质溶液时沉积物位置

由图3可知，Mg（NO3）2电解液在修复混凝土裂缝中直接沿着裂缝深度方向生成沉积物，进行裂缝的填充愈合；ZnSO4作为电解液时，沉积物在混凝土裂缝面上进行覆盖，随通电时间的延长，沉积物厚度逐渐增加，进而实现裂缝的愈合。由于Mg（NO3）2电解质溶液修复混凝土裂缝时，生成主要沉积物为微溶物Mg（OH）2，在电解液中处于动态平衡状态；ZnSO4电解质溶液修复生成的主要沉积物为不溶物ZnO，在电解液中其电阻要大于Mg（OH）2的电阻，因此导致反应初始阶段裂缝底部生成沉积物后，裂缝处电流集中不明显，电势随着裂缝深度不发生明显变化，最终导致沉积物沉积在整个裂缝侧壁上。此外，二者均可封闭裂缝，但均不能实现完美密实的填充，如图4所示。

图4 不同电解质溶液修复后裂缝愈合效果

在试验过程中，与附加阳极垂直的混凝土侧面生成沉积物厚大，而平行附加阳极的侧面并没有出现同样面积与厚度的沉积物，如图5所示。在通电过程中阳极反应生成的气泡上升，到达混凝土试块的平行于附加阳极的侧面，加之该侧面水平置于电解槽内，导致气泡吸附在混凝土该侧面不能及时排出到电解液以外。引起该面可发生化学反应与离子交换的有效面积减小。另外由于该侧面与电极之间距离较小，随着电化学反应的进行，阳极附近超电势突出，浓差极化明显，因此在该侧面上生成的沉积物的厚度小于垂直附加阳极的混凝土侧面上所生成沉积物厚度。

图5 不同混凝土面沉积物的数量

3 结果与分析

3.1 质量变化率与电流、电解液浓度之间的关系

在试验过程中，记录试块的质量变化率和表面覆盖率，作为电沉积法修复效果的一种指标[14]，质量变化率Rm按式（1）计算，表面覆盖率Rs按式（2）计算：

式中：mt——某时刻试件的质量，kg；m0——试件的初始质量，kg。

式中：Sc——覆盖物的面积，cm2；

St——试件的总面积，cm2。

质量变化率与电流、电解液浓度之间的关系如图6所示

图6 质量变化率与电流、电解液浓度的关系

由图6可知，在某一恒定电流条件下，质量变化率随着电解质溶液浓度的增大而减小。在电解质溶液的浓度一定时，质量变化率也随着电流的增大而减小。说明当电解液浓度越大时，活性粒子数量越多，反应进行得越快；在采用电流越大的情况下，电场强度越大，电沉积反应动力大，反应也能够快速进行。而反应速率越大，形成沉积物越粗大，排列越疏松，沉积物密度越小。同时，电极极化增大，沉积物快速生成，导致H+向钢筋运动动力迅速增大，与CaCO3反应速率增大，溶解碳酸钙数量增加，因此质量变化率反而减小。

试验中采用了3种不同浓度的Mg（NO3）2电解液及3种不同的电流进行修复，其表面覆盖速率（表面覆盖率与时间的比值）随时间的变化如图7所示。

图7 表面覆盖速率随时间的变化

图7（a）～图7（c）结果表明，电解质液浓度一定时，无论试验采用何种浓度，电解质溶液中离子反应速率将会随着电流密度的增大而增大；同理，图7（d）～图7（f）结果表明，电流一定时，无论试验中采用何种电流，电解质溶液中离子反应速率将会随着电解液浓度的增大而增大。并且由图7还可以看出，在电沉积修复过程中，修复的初始阶段表面覆盖速率最大，随着修复的进行，表面覆盖速率逐渐减小至趋于0。由于在修复过程中外电流做功功率始终不变，因此在修复的最后阶段，表面覆盖率趋于稳定，但是覆盖厚度增加。

3.2 多因素共同作用下的经验公式总结

根据表面覆盖率与时间、电流及电解液浓度之间的关系，探索出了如式（3）所示共同作用下的经验公式，当选定电解质溶液浓度分别为0.1、0.3、0.5 mol/L时，公式拟合的相关系数分别为0.978、0.984、0.986，与试验结果吻合程度较好。

式中：R——表面覆盖率，%；

A——电解液浓度，mol/L；

B——电流，mA；

t——时间，d。

对电解质溶液浓度为0.5 mol/L、不同电流条件下测得的实测值与公式模型计算值进行了对比，结果见图8。

由图8可以看出，公式计算与试验结果具有较好的吻合程度。由计算模型可以看出，在浓度一定的情况下，表面覆盖率随着电流增大与时间的延长而增大，但不会无限增大，时间越长，表面覆盖率越稳定，这与试验数据规律也一致。

图8 0.5 mol/L条件下实测值与计算值的比较

4 结论

（1）Mg（NO3）2与ZnSO4作为电解液时都能封闭钢筋混凝土裂缝，但二者在裂缝中生成沉积物的方式不同，且不能实现裂缝的完美填充。

（2）修复钢筋混凝土裂缝过程中混凝土的原材料及修复条件对修复效果存在影响。质量变化率随电流的增大和电解质溶液浓度的增大而减小。

（3）修复过程中试件的表面覆盖速率随着时间的延长而逐渐减小，在外电流做功一定的条件下，最终表面覆盖速率趋于0，表面覆盖厚度逐渐增加。

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The effect of electrodeposition method on repairing reinforced concrete cracks

ZHANG Tienan1，CHEN Zhengfa2，LIU Guifeng2，PENG Gaoju1
（1.School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；
2.School of Architecture Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

The crack is a main factor to the durability of concrete，while electrochemical deposition method has a special advantage of repairing concrete cracks.The internal origin of the form of deposition and the change of its mass was studied based on experimental phenomena and data.Meanwhile，it could be concluded that the effect of Mg（NO3）2solution is superior to ZnSO4，but neither can repair the cracks completely.Besides，based on the analysis of surface coverage rate changing over time，the fit relation of surface coverage rate changing over time under the conditions of different currents and concentrations of solution is obtained.

electrochemical，concrete，cracks，surface coverage

TU472.5

A

1001-702X（2016）09-0025-05

国家自然科学基金项目（51478345）；山东省自然科学基金项目（ZR2013EEL019）；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放研究基金资助课题（sklhse-2013-C-01）；山东省高等学校科技计划项目（J13LG10）

2016-01-23；

2016-04-13

张铁男，男，1990年生，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要研究方向为土木工程材料。