电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响.pdf

6 6 材料导报 ： 研究篇 2 0 1 0年 6月( 下) 第 2 4卷第 6期 电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响 储 洪强 ， 孙达 ， 蒋林华 ( 河海大学力 学与材料学院 ， 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 研究了电沉积法修复混凝土裂缝中溶液浓度及温度的影响， 测定了电沉积过程中的试件质量增加率、 表面覆盖率、 裂缝愈合率及裂缝填充深度。结果表明， 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 的规律不明显 ， 温度对裂缝填充深度的影响较小。 关键 词 电沉积法裂缝修复溶液浓度溶液温度 I nf l u e n c e o f Co nc e nt r a t i o n a n d Te mpe r a t u r e o f El e c t r o l y t e S o l u t i o n o n Re pa i r o f Co nc r e t e Cr a c ks b y El e c t r o de po s i t i o n M e t ho d CHU Ho n g q i a n g，S UN Da ，J I ANG Li n h u a ( 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 t y ，Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t Th e i n f l u e n c e o f c o n c e n t r a t i o n a n d t e mp e r a t u r e o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n i s i n v e s t i g a t e d，f o u r p a r a me — t e r s s u c h a s r a t e o f we i g h t g a i n ，s u r f a c e c o a t i n g ，c r a c k c l o s u r e a n d f i l l i n g d e p t h o f c r a c k a r e me a s u r e d ．Re s u l t s s h o w t h a t r a t e o f s u r f a c e c o a t i n g a n d r a t e o f c r a c k c l o s u r e d e c r e a s e ，wh i l e f i l l i n g d e p t h o f c r a c k i n c r e a s e s a s c o n c e n t r a t i o n o f e l e c t r o l y t e s o l u t io n i n c r e a s e s ，a n d t h e r e g u l a r i t y o f we i g h t g a i n v e r s u s c o n c e n t r a 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 i s n o t e v i — d e n t ．Ra t e o f s u r f a c e c o a t i n g d e c r e a s e s ，wh i l e r a t e o f c r a c k c l o s u r e i n c r e a s e s a s t e mp e r a t u r e o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n i n — c r e a s e s ，r a t e o f we i g h t g a i n d o e s n t v a r y wi t h c r a c k wi d t h r e g u l a r l y ，i n f l u e n c e o f t e mp e r a t u r e o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n o n e l e c t r 0 d e p o s i t i o n i s v e r y s ma l 1 ． Ke y wo r d s e l e c t r o d e p o s i t i o n me t h o d ，c r a c k r e p a i r ，e l e c t r o l y t e s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n，s o l u t i o n t e mp e r a t u r e 0 引言 电化学方法是新近出现的防护和修复混凝土裂缝的有 效方法之一 ， 常用 的阴极保护法和电化学脱盐法在国内外已 得到广泛的研究与应用[ 1 ] 。电化学沉积法也是一种电化学 方法 ， 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 。 日本、 美国对 电沉积方法修复混凝土裂缝进行了探索性 试验研究[ 7 -- 1 0 ] ， 以带裂缝的混凝土结构 中的钢筋 为阴极， 同 时在电沉积溶液中放置难溶性 阳极， 两者之间施加弱 电流， 最后在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 了有 害物质侵蚀混凝 土 。 国内对该项技术的研究才 刚刚起步， 研究表明D I , l a ] ， 在 电沉积方法修复混凝土裂缝 中， 辅助电极、 电极距离、 混凝土 参数等因素对电沉积效果均有影响， 而电沉积溶液浓度及温 度的影响尚不清楚 。本试验就 电沉积方法修复混凝土裂缝 中溶液浓度与温度对电沉积效果的影响进行 了研究 ， 从而为 采用电沉积法修复混凝土裂缝 时选取合适的溶液浓度和温 度提供了依据。 1 实验 1 ． 1 实验方案 选用 Z n S O4 、 Mg S O 4电沉积溶液 ， 电流密度为 1 A／ m ， 每组 3个 ， 共有 3 6个试件； 每 5天更换 1次溶液 ， 以保持溶液 浓度基本恒定 ， 实验持续 2 O天。实验方案详见表 1 。 1 ． 2 试件制作 实验 用 水 泥 砂 浆 试 件 的 尺 寸 为 4 0 ram X 4 0 mm X 1 6 0 mm， 水泥采用 3 2 ． 5级普通硅酸盐水泥， 水灰 比为 0 ． 6 0 ， 胶砂 比为 1： 2 ． 5 ， 钢筋 ~ p 6 m m， 预先埋置于砂浆试件 中， 保护 层厚度( 钢筋外边缘与裂缝所在面之间的距离) 为 1 5 ra m。试 件在标准条件下养护 2 8天后在 NYL - 6 0 0型压力试验机下 施加横向劈裂荷载 ， 则在其 纵向中部位置附近产 生贯穿裂 缝 ， 缝宽( O ． 3 - t - 0 ． 0 5 ) ram。为保证沉积物只在裂缝所在面生 *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( 2 0 0 8 4 2 7 8 1 1 ) ； 教育部博士学科点专项科 研基金( 2 O 0 2 O 2 9 4 O 1 2 ) 储洪强： 男， 1 9 7 8年生， 博士研究生， 讲师， 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 电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响／ 储洪强等 6 7 成， 在其它面均涂上硅橡胶。试件表面及裂缝的情况见图 。 2 结果与讨论 表 1 实验方案 Ta bl e l Ex p e r i me n t a l p l a n 一 图 1 试件表面及裂缝情况 Fi g ． 1 De t a i l s o f mo r t a r s u r f a c e a n d c r a c ke d p a r t 1 ． 3实验装置 将带有裂缝的水泥砂浆试件放入电解槽 中， 试件 中预先 埋人钢筋并引出导线， 该导线与 电源的负极相连作为阴极 ， 同时将片状钛 网板放人电解槽底部 ， 并与 电源的正极相连作 为阳极 ， 然后注入 电沉积溶液， 构成 回路， 装置如图 2所示 。 向回路 中施加微弱的低压直流电， 水泥砂浆试件内部及溶液 中的正负离子分别向两极移动， 同时在电极上发生一系列反 应 ， 在水泥砂浆试件的裂缝 中出现沉积物 ， 最终达到修复裂 缝 的 目的 。 图 2 实验装置示意图 Fi g ． 2 S p e c i me n o r i e n t a t i o n an d c u r r e n t a p p l i c a t i o n 接通电路后 ， 在砂浆试件与辅助电极的表 面立即产生气 泡， 5天后在 0 ． 5 mo l ／ I Z n S O 溶液中 3个试件的裂缝处均出 现灰色沉积物， 表面为 白色物质 ( 见图 3 ) ， 1 0天后表面同时 出现灰色物质( 见图 4 ) ， 2 O 天后将试件沿着裂缝横向切开可 以发现 ， 这 3 个试件 的裂缝内部均为 白色沉积物 ， 而其余试 件的表面、 裂缝处及裂缝内部在整个过程中均出现白色沉积 物。由于电沉积速度可通过质量的增加情况来反映， 而试件 表面沉积物覆盖及裂缝被沉积物填充的情况均与电沉积处 理后带裂缝混凝土抗侵蚀能力的提高效果有关l l ] ， 所以采 用质量增加率 、 表 面覆盖率、 裂缝愈合率及裂缝填充深度来 评价电沉积效果。 图 3 5天后试件表面及裂缝的沉积情况 F i g． 3 Ap p e a r a nc e o f e l e c t r o d e p o s i t s o n t h e mo r t a r s u r f a c e an d c r a c k e d p a r t a f t e r c h a r g i n g 5 d a y s 圈 4 1 0天后试件表面及裂缝的沉积情况 Fig ． 4 Ap pe a r a n c e o f e l e c t r o d e p o s i t s o n t h e mo r t a r s u r f a c e an d c r a c k e d pa r t a f t e r c h a r g i n g 1 0 d a y s 2 ． 1 质量 增加 率 每隔 5 天取 出试 件并放入 温度 ( 2 0 -4 -_2 ) ℃、 相对 湿度 6 O 5 的恒温室内， 待 2 4 h后称其质量， 质量增加率按式 ( 1 ) 计算， 其随时间变化的曲线见图 5 。 ． ^i f R 一 1而 1／ 1 i l o o o ff。 ( 1 ) 电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响／ 储 洪强等 6 9 化 ， 使砂浆试件更密实 ， 从而增大了 OH一 从试件 内部析出的 阻力， 减缓了沉积物的生成速度。由于试件 的表面积相对较 大， 后一种作用在沉积过程 中占主导地位 ， 而裂缝 内部横断 面积相对较小 ， 导致前一种作用在沉积过程 中效果更明显 ， 所以表面覆盖率随温度的升高而减小， 裂缝愈合率随温度 的 升高而增大。质量增加率随温度 的变化无 明显规律 ， 温度对 裂缝填充深度的影响也不大。 图 8 裂缝填充深度随电沉积溶液浓度 ( a ) 及温度( b ) 变化的情况 F i g ． 8 F i l l i n g d e p t h o f c r a c k v e r S u S c o n c e n t r a t i o n ( a )a n d t e mp e r a t u r e ( b )o f e l e c t r o l y t e s o l u t i o n 6 0 0 0 5 0 0 0 40 0 0 ’ 3 0 0 0 占2 0 0 0 l 0 0 0 O O l O 2 0 3 O 40 5 0 6 0 2 0 ／ ( 。 ) 图 9 试件裂缝处灰色沉积物的 X R D图 F i g ． 9 Pa t t e r n s o f X - r a y d i f f r a c t i o n o f e l e c t r o d e p o s i t s o n t h e m o r t a r c r a c k e d p a r t 图 1 O 灰色沉积物的 S E M 照片 F i g． 1 0 S c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o g r a p h o f g r e y e l e c t r o d e p o s i t s 图 l l 白色沉积物的 S E M 照片 F i g ． 1 1 S c a n ni n g e l ec t ro n mi e r o g r a p h o f wh i t e e l ec t r o d e p o s i t s 3结论 ( 1 ) 表面覆盖率、 裂缝愈合率随电沉积溶液浓度 的增加 而减小 ， 裂缝填充深度随浓度的增加而增大； ( 2 ) 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， 温度对裂缝填充深度的影响不 大 ； ( 3 ) 质量增加率随电沉积溶液浓 度、 温度的变化无 明显 规律 。 参考文献 1 Gl a s s G K，Ha s s a n e i n A M ，Bu e n f e l d N R．Ca t h o d i c p r o — t e c t i o n a f f o r d e d b y a n i n t e r mi t t e n t c u r r e n t a p p l i e d t o r e i n — f o r c e d c o n c r e t e [ J ] ． C o r r o s S c i ， 2 0 0 1 ， 4 3 ： 1 1 1 1 2 Ha s s a n e i n A M ，Gl a s s G K，Bu e n f e l d N R．P r o t e c t i o n c u r — r e n t d i s t r i b u t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a t h o d i c p r o t e c t i o n s y s t e ms [ J ] ． C e me n t C o n c r C o mp o s ， 2 0 0 2 ， 2 4 ： 1 5 9 3 D u R o n g g u i ( 杜荣 归) ， Hu a n g Ru o s h u a n g( 黄若双) ， Z h a o B i n g ( 赵冰) ， e t a 1 ．A p p l i c a t io n a n d d e v e l o p me n t o f c a t h o d i c p r o t e c t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s ( 钢筋混凝土结构 中阴极保护技术的应用现状及研究进展) E J ] ．Ma t e r P r o — t e c t ( 材料保护) ， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 1 1 4 Ar y a C，S a ’ i d — S h a wq i Q Fa c t o r s i n f l u e n c i n g e l e c t r o c h e mi c a l r e mo v a l o f c h l o r i d e f r o m c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t C o n c r R e s ， 1 99 6， 2 6： 85 1 5 Wa n g Y．Li I Y。P a g e C L． A t wo - d i me n s i o n a l mo d e l o f e l e c t r o c h e mi c a l c h l o r i d e r e mo v a l f r o m c o n c r e t e ~ J ] ． C o mp u — t a t i o n a l Ma t e r S c i ， 2 0 0 1 ， 2 0： 1 9 6 6 I A S e n l i n ( 李森林 ) ， F a n We i g u o ( 范卫 国) ， C a i We i e h e n g ( 蔡 伟成 ) ， e t a 1 ．L a b o r a t o r y t e s t s o f e l e c t r o c h e mi c a l r e mo v a l o f c h l o r i d e f o r a n t i — c o r r o s i o n ( 电化学脱盐防腐技术的室内试验 研究 ) [ J ] ．Hy d r o - S c i E n g ( 水利水运工程学报) ， 2 0 0 1 ( 3 ) ： 3 5 7 Ot s u k i N，Ry u J S ． Us e o f e l e c t r o d e p o s i t i o n f o r r e p a i r o f c o n c r e t e w i t h s h r i n k a g e c r a c k s [ J ] ． Ma t e r C i v i l E n g ， 2 0 0 1 ， 1 3 ( 2 )： 1 3 6 8 Ry u J S An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e r e p a i r o f c o n c r e t e c r a c k b y e l e c t r o c h e mi c a l t e c h n i q u e [ J ] ． Ma t e r S t r u c t ， 2 0 0 1 ， 3 4( 4 ) ： 4 3 3 9 Ry u J S，Ot s u k i N． Cr a c k c l o s u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y e l e c t r o d e p o s i t i o n t e c h n i q u e [ J ] ． C e me n t C o n c r R e s ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 5 9 ( 下转第 7 5页) 活性炭吸附性能与其粒度分布分形维数的关系研究／ 刘 娟等 7 5 间的关系 ， 将 5种活性炭样品的粒度分布分形维数值与其平 衡吸附量进行线性拟合， 得到图 2所示 曲线及关 系式 Y一 3 O ． 1 4 5 8 +1 ． 6 4 5 6 X( X为粒度分布分形维数 ， y为平衡吸附 量 ) ， R=0 ． 9 8 5 4 。 D 图 2 活性炭粒度分布分形维数与平衡吸附量的相关关系 F i g ． ． 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e f r a c t a l d i me ns i o ns a n d t h e a mo u n t o f a d s o r b e d me t h y l e n e b l u e a t e q u i l i b r i u m o f a c t i v a t e d c a r b o n 图 2 表 明， 活性炭的平衡吸附量与其粒度分布分形维数 之间存在较好 的线性关系 ， 随着粒度分布分形维数值 的增 大， 活性炭的平衡吸附量逐渐增大。对上述结果可作如下分 析 ： 随着细颗粒含量的增多 ， 粒度分布分形维数值不断增大， 同时活性炭对亚甲基蓝的吸附能力也逐渐增强， 可得平衡吸 附量随着粒度分布分形维数值 的增大而逐渐增大。因此 ， 在 粒级范围相同的情况下 ， 粒度分布分形维数值可定量表征活 性炭的平衡吸附量 。 4 结论 ( 1 ) 活性炭颗粒的粒径分布存 在分形结构， 当粒径范 围 相同时， 随着细颗粒含量的增加， 粒度分布分形 维数值逐渐 增大。 ( 2 ) 5种活性炭样品对亚 甲基蓝的吸附可在 1 6 0 mi n内达 到平衡 ， 平衡吸附量随着细颗粒含量的增加而逐渐增大 。 ( 3 ) 活性炭的平衡吸附量与其粒度分布分形维数之 间呈 现 良好的线性相关性， 说明在一定 的粒级范围内， 粒度分布 分形维数值可定量表征活性炭的平衡吸附量。 参考文献 1 Pi mo l Pu n j o n g h a r n ，Kh a n i d t h a Me e v a s a n a ，P r a s e r t Pa v a 一 ( 上接第 6 9页) 1 0 Ry o u J S，No b u a k i Ot s u k i ．Ex p e r i me n t a l s t u d y o n r e p a i r o f c o n c r e t e s t r u c t u r a l me mb e r s b y e l e c t r o c h e mi c a l me t h o d l, J ] ． S c r M a t e r ， 2 0 0 5， 5 2： 1 1 2 3 1 I C h u Ho n g q i a n g ( 储洪强) ， J i a n g L i n h u a ( 蒋林华) ．I n f l u e n c e o f a c c e s s o r i a l e l e c t r o d e a n d e l e c t r o d e d i s t a n c e o n e l e c t r o — d e p o s i t i o n e f f e c t ( 辅助 电极 及 电极距 离对沉 积效果 的影 响) 口] ．J B u i l d i n g Ma t e r ( 建筑材料学报) ， 2 0 0 5 ， 8 ( 4 ) ： 3 6 1 s a n t ．I n f l u e n c e o f p a r t i c l e s i z e a n d s a l i n i t y o n a d s o r - p t i o n o f b a s i c d y e s b y a g r i c u l t u r a l wa s t e ：Dr i e d S e a g a p e ( Ca u l e r p a l e n t i l l i f e r a )E J ] ．J E n v i r o n me n t a l S c i e n c e s ， 2 0 0 8 ， 2 0 ： 7 6 0 2 F a n g X u e k u n ( 方雪坤) ， Hu Ho n g ( 胡宏) ， Wu S h u n z h i ( 吴顺 志 ) ． S t u d y o n t h e i n t e r mi s s i v e a d s o r p t i o n o f me t h y l e n e b l u e i n d y e s t u f f w a s t e wa t e r b y a c t i v a t e d c a r b o n ( 活性炭 间歇式吸 附亚甲基蓝废水的研究[ J ] ．E n e r g y E n v i r o nm e n t a l P r o t e c — t i o n ( 能源环境保护) ， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 6 ) ： 3 0 3 Ha me e d B H ，Ah r n a d A L，La t i f f K N A Ad s o r p t i o n o f b a s i c d y e( me t h y l e n e b l u e )o n t o a c t i v a t e d c a r b o n p r e p a r e d f r o m r a t t a n s a wd u s t [ J ] ．D y e s a n d P i g me n t s ， 2 0 0 7 ， 7 5 ： 1 4 3 4 Ya n C u n x i a n ( 阎存仙) ．S t u d y o n t h e p r o p e r t y a b o u t a b s o r b — i n g me t h y l e n e b i u e b y u s i n g f l y a s h ( 粉煤灰对亚 甲基蓝溶液 的吸附脱色研究) [ J ] ．E l e c t r o p l a t i n g a n d P o l l u t i o n C o n t r o l ( 电镀 和环保 ) ， 1 9 9 6 ， 1 6 ( 5 ) ： 2 7 5 Ah ma d A L，L o h M M ，Az i z J八P r e p a r a t i o n a n d c h a r a c — t e r i z a t i o n o f a c t i v a t e d c a r b o n f r o m o i l p a l m wo o d a n d i t s e — v a l u a t i o n o n me t h y l e n e b l u e a d s o r p t i o n[ J ] ．Dy e s a n d P i g — me n t s ， 2 00 7， 75： 26 3 6 Ye n i s o y - Ka r a k a s S，Ay g u n A，Gu n e s M ，e t a 1 ． P h y s i c a l a n d c h e mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p o l y me r - b a s e d s p h e r i c a l a c t i — v a t e d c a r b o n a n d i t s a b i l i t y t o a d s o r b o r g a n i c s[ J ] ．C a r b o n ， 2 00 4， 42： 4 77 7 S e i k i Ta n a d a ．Na o h i t o Ka wa s a k i ．Ta k e o Na k a mu r m Ch a r — a c t e r i s t i c s o f No n a f l u o r o b u t y l Me t h y l Et h e r( NFE)a d s o r p - t i o n o n t o a c t i v a t e d c a r b o n f i b e r s a n d d i f f e r e n t — s i z e - a c t i v a t e d c a r b o n p a r t i c l e s l- J ] ．J Co l l o i d I n t e r f Sci ， 2 0 0 0 ， 2 2 8 ： 2 2 0 8 Yu Ke ( 郁可) ， Z h e n g g h o n g s h a n ( 郑中山) ． Th e f r a c t a l c h a r — a c t e r i s t i e s o f p o wd e r s p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ( 粉体粒度分 布的分形特征) [ J ] ．C h i n e s e J Ma t e r R e s ( 材料研究学报) ， 1 9 9 5， 9 ( 6 ) ： 5 3 9 9 Wu C h e n g b a o ( 吴成宝) ， D u a n B a i t a o ( 段百涛 ) ．S t u d y o n r e — l a t i o n s h i p b e t we e n f r a c t a l c h a r a c t e r o f p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u — t i o n a n d v o i d a g e o f h o l l o w g l a s s b e a d s ( 中空玻璃微珠粒度分 布分形特征及其空隙率关系的研究)[ J ] ．C h i n a P o wd S c i T e c h n ( 中国粉体技术) ， 2 0 0 8 ， 1 3 ( 1 ) ： 1 6 1 0 Yu Ke ( 郁可) ， Z h e n g Z h o n g s h a n ( 郑 中山) ．S t u d y o n t h e f r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c s o f po wd e r s p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t io n ( 粉体粒度分布的分形研究) [ J ] ．J Ma t e r Sci E n g ( 材料科学 与工程 ) ， 1 9 9 5 ， 1 3 ( 3 ) ： 3 0 ( 责任编辑云哲) 、 1 2 J i a n g L i n h u a ( 蒋林华) ， C h u Ho n g q i a n g ( 储洪强) ．I n fl u e n c e o f c o n c r e t e p a r a me t e r s o n e l e c t r o d e p o s i t i o n e f f e c t ( 混凝 土参 数对沉积效果的影响 ) [ J ] ．A d v Sci T e e h n Wa t e r Re s o u r c e s ( 水利水 电科技进展 ) ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 3 1 3浙江大学普通化学教研室．普通化学[ M] ．北京： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 2 ( 责任编辑张竟)