不同電流密度下混凝土裂縫電沉積產(chǎn)物的分布特性

金偉良，彭文浩，毛江鴻，王金權(quán)，樊瑋潔，潘崇根

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315317)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中將產(chǎn)生微裂縫，甚至貫穿裂縫，裂縫會引起滲漏、保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕、混凝土碳化等，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。特別是在海洋環(huán)境中，裂縫會加速氯離子的侵蝕，混凝土的自由氯離子和總氯離子均隨著裂縫寬度增加而呈二次函數(shù)增加[1]。一方面，在毛細(xì)作用下，外部氯離子會沿裂縫快速侵入到鋼筋表面，引起鈍化膜局部破壞而使鋼筋提前發(fā)生坑蝕；另一方面，裂縫的存在容易使鋼筋發(fā)生“小陽極、大陰極”的電化學(xué)腐蝕，從而加快鋼筋銹蝕的發(fā)展。因此，研究水環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)方法具有重要意義。

對于水環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)，傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)技術(shù)(結(jié)構(gòu)加固法、表面處理法、灌漿法、填充法等)存在很大的局限性[2-4]，而對于裂縫自修復(fù)技術(shù)[5-6]，滲透結(jié)晶法在裂縫寬度大于0.4 mm后，自修復(fù)效果不佳。結(jié)晶沉淀法在水流速度很快時(shí)，難以形成碳酸鈣沉淀，從而影響修復(fù)效果。聚合物固化法仍有關(guān)鍵問題尚未解決。電沉積法是用電化學(xué)方法修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的一種方法，對于傳統(tǒng)修復(fù)方法不經(jīng)濟(jì)，甚至是難以實(shí)施的水下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)特別適用。其通過施加弱電流，將水環(huán)境中的電解質(zhì)進(jìn)行電解沉積，在混凝土裂縫及表面生成一層化合物，填充、愈合混凝土裂縫。根據(jù)這一原理，研究者們從電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的可行性、機(jī)理、混凝土參數(shù)(水灰比、保護(hù)層厚度)、電沉積系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)(電解液濃度、電流密度、通電量)等方面開展了一系列研究[7-11]。

如何有效評價(jià)鋼筋混凝土裂縫的愈合效果一直是電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。蔣正武等[12]采用多孔混凝土模擬帶裂縫混凝土，以透水系數(shù)、質(zhì)量增加量及超聲波聲速作為評價(jià)指標(biāo)，研究電解質(zhì)濃度及電流密度對電沉積的影響；Ostuki等[13-14]以及儲洪強(qiáng)等[15-16]提出以裂縫填充深度、裂縫閉合率、表面覆蓋率、質(zhì)量增加率作為評價(jià)指標(biāo)，研究不同因素對電沉積效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較寬的裂縫，即使裂縫壁有沉積物覆蓋，但沉積物并不一定將裂縫覆蓋完全，此時(shí)，計(jì)算裂縫愈合率時(shí)是否將該處裂縫列為已愈合裂縫值得討論。電沉積產(chǎn)物大部分覆蓋在試件表面，裂縫中沉積物的質(zhì)量占沉積物總質(zhì)量的小部分，而且，沉積物在試件表面的覆蓋情況以及沉積物質(zhì)量的增加情況但并不能完全反映裂縫的愈合情況，因此，將表面覆蓋率、質(zhì)量增加率作為評價(jià)指標(biāo)，具有一定的局限性；混凝土裂縫處的透水系數(shù)能直接反映裂縫的愈合情況，普通無裂縫混凝土的透水系數(shù)常用帶壓力的透氣、透水試驗(yàn)，但并不適用于帶裂縫混凝土透水系數(shù)的測量，因?yàn)榱芽p的存在使壓力不能有效保持，因此，只能采用自然滲透的測試方法，但自然滲透方法測試周期長，試驗(yàn)不方便。Ostuki等[17-18]根據(jù)通電機(jī)理，選定通電條件，以研究裂縫處的電流密度，結(jié)果表明，裂縫處的電流約為總電流的15%～19%。姚武等[19]通過測量相同外加電壓下同一試件在破壞前后的電流密度，發(fā)現(xiàn)破壞后的試件在相同電壓下所通過的電流明顯增大，裂縫處的電流密度相對試件其他未裂部位高出數(shù)百倍。宋顯輝等[20]利用有限元定量模擬混凝土試件和溶液中電流密度的分布情況，結(jié)果表明，裂紋尖端附近的電流密度相對于其他部位高出570倍。由此可見：裂縫中電流密度遠(yuǎn)大于無裂縫處混凝土的電流密度。把電路中的電阻分為裂縫中的電阻R1和混凝土試件的電阻R2，兩者為并聯(lián)關(guān)系，裂縫未愈合時(shí)，R1很小，此時(shí)，裂縫不僅是主要的電流通道，也是主要的離子通道(陰極產(chǎn)生的OH-與溶液中的Zn2+在離子通道中生成ZnO沉淀)，沉積物在裂縫中快速沉積，根據(jù)并聯(lián)電阻公式，R1增加導(dǎo)致R總增加明顯。隨著通電的進(jìn)行，裂縫逐漸愈合，電流通道與離子通道由裂縫處向無裂縫處分散，R1增加速率變緩，并且，由于R1變大，R1變化對R總的影響變小，此時(shí)，R總增加變緩。在通電前期，沉積物主要在裂縫中生成，R1增加明顯，裂縫愈合后，沉積物在整個(gè)試件中生成，此時(shí)，R1與R2增加緩慢，導(dǎo)致R總增加緩慢。由此可知，混凝土電阻R總變化能有效反映裂縫處電阻的變化情況，進(jìn)而反映裂縫的愈合情況。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了電化學(xué)沉積修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的試驗(yàn)裝置，采用陰極、陽極間的電阻及裂縫最終填充深度評價(jià)愈合效果，探究電流密度對電沉積修復(fù)的影響。此外，為對沉積物進(jìn)行深入分析，引入掃描電鏡、X射線衍射法分析了沉積物的礦物成分、微觀形貌。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試件制備

試驗(yàn)采用的混凝土試件尺寸為100 mm×50 mm×200 mm(長×寬×高),內(nèi)置兩根直徑為10 mm的HPB235圓鋼，鋼筋一端置于混凝土內(nèi)，一端露出混凝土20 mm，用作陰極接頭，混凝土保護(hù)層厚度為20 mm，試件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試件尺寸

混凝土配合比如表1 所示。其中，水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥，砂子為Ⅱ區(qū)天然河砂，石子為5～16 mm連續(xù)級配碎石。混凝土采用機(jī)械攪拌、振搗，振搗成型后24 h拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportion of concrete specimen

1.2 裂縫制作

將養(yǎng)護(hù)成型的試件在JYS-2000壓力試驗(yàn)機(jī)下施加橫向劈裂荷載，使試件中部位置附近產(chǎn)生寬度為0.2～0.4 mm的貫穿裂縫，裂縫寬度用裂縫卡尺讀取。裂縫制作裝置、試件表面裂縫以及試件側(cè)面的裂縫情況見圖2。

圖2 裂縫制作過程

從圖2可見，裂縫在混凝土試件表面以及側(cè)面均呈現(xiàn)出曲折的形態(tài)，裂縫貫穿至鋼筋表面，裂縫寬度沿深度方向逐漸減小，裂縫界面粗糙。

1.3 試驗(yàn)裝置

將已制備裂縫的鋼筋混凝土試件放入盛有電解質(zhì)的容器中，采用0～60 V的可調(diào)直流穩(wěn)壓器作為電源，采用鈦板固定在容器壁并與電源正極相連作為陽極，鋼筋露出部位與電源負(fù)極相連作為陰極，試件豎直放置，以控制混凝土表面與陽極間距離為2 cm。電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的試驗(yàn)裝置見圖3。

圖3 試驗(yàn)裝置圖

對于陸地上的電沉積修復(fù)裝置，可以利用混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋作為陰極，在混凝土結(jié)構(gòu)外表面布設(shè)陽極鈦合金網(wǎng)片。在鈦合金網(wǎng)片外鋪設(shè)含ZnSO4溶液的海綿層，通過施加控制直流，使鋼筋和鈦合金網(wǎng)片之間形成電場。對于海水中的電沉積修復(fù)，由于海水中含有Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子，所以，海水本身就是良好的電沉積溶液，因此，僅需要將在裂縫表面鋪設(shè)陽極鈦合金網(wǎng)片，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋用作陰極，然后，通電使鈦合金網(wǎng)片與鋼筋之間形成電場。

1.4 工作原理與試驗(yàn)分組

將帶裂縫混凝土的試件分為3組，每組2個(gè)試件，電流密度分別為0.5、1.0、2.0 A/m2，采用ZnSO4作為電解質(zhì)溶液，配制濃度為0.1 mol/L。試驗(yàn)期間，每6 d更換一次溶液，以保持溶液濃度基本恒定，每3 d測試通電電壓，試驗(yàn)通電持續(xù)36 d。

1.5 試驗(yàn)過程的參數(shù)跟蹤檢測

可調(diào)直流穩(wěn)壓電源顯示的電壓與電流大小的比值即為混凝土試件的電阻值，電流密度根據(jù)鋼筋表面積計(jì)算。電沉積試驗(yàn)36 d后，將試件沿著裂縫橫向切開，以裂縫界面圖片為背景，做出裂縫界面CAD圖像，利用面積查詢工具，求出沉積物在裂縫界面面積，裂縫填充面積與裂縫寬度比值，即為裂縫平均填充深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電沉積法修復(fù)混凝土裂縫過程中電阻的變化規(guī)律

將每個(gè)試驗(yàn)組的2個(gè)試件的電阻取均值，得到電流密度對電沉積過程中混凝土裂縫處電阻的影響(圖4)，由于初始裂縫寬度的差異，導(dǎo)致初始電阻不同，故選用電阻變化量作為縱坐標(biāo)，探究電流密度對電沉積效果的影響。

圖4 電阻隨時(shí)間的變化情況Fig.4 Change of electric resistance with

試驗(yàn)過程中，第6 d更換電解質(zhì)溶液，第9 d電阻明顯下降，同時(shí)，試驗(yàn)過程中，第12、18、24、30 d也更換了溶液，但由于這些時(shí)間點(diǎn)電解質(zhì)消耗量遠(yuǎn)小于試驗(yàn)前6 d的電解質(zhì)消耗量，故電阻波動不明顯。對比各電流密度下的電阻變化可知，電阻增加速率隨著通電時(shí)間增加而減緩。電沉積修復(fù)前6 d，電阻增加速率隨著電流密度增大而增大，在經(jīng)過電沉積12 d后，0.5 A/m2試件混凝土電阻平穩(wěn)增長，而電流密度為1、2 A/m2試件混凝土電阻增加量較少，在通電后期，0.5 A/m2的試件電阻仍有明顯的增長趨勢，而2 A/m2的試件電阻增長不明顯。Ryu等[21-22]研究了電流密度對電沉積效果的影響，結(jié)果表明，裂縫表面愈合率隨電流密度的增大而加快，但裂縫填充深度隨電流密度的增大而減小，電流密度越小,裂縫愈合需要的時(shí)間越長，裂縫填充越深，愈合效果越好，這與本文的研究結(jié)論是一致的。這是因?yàn)?，在同一裂縫寬度下，沉積物首先在裂縫壁沉積，然后，逐漸愈合整個(gè)裂縫，當(dāng)電流密度較小時(shí)，這個(gè)愈合的過程相對緩慢，導(dǎo)致通電前期小電流密度電阻增加緩慢，但沉積深度更大，沉積物更加緊密，而較大的電流密度沉積物尺寸較大，可能在某一位置沉積成核，阻塞裂縫中的電流通道，導(dǎo)致電流密度較大時(shí)，電阻增加的時(shí)間相對較短。

儲洪強(qiáng)等[15]研究了電沉積修復(fù)過程中電流密度對沉積物在混凝土表面覆蓋率以及沉積物質(zhì)量增加率的影響，結(jié)果表明，沉積物的表面覆蓋率隨著電流密度增加而增加，當(dāng)電流密度變化時(shí)，質(zhì)量增加率沒有明顯的變化規(guī)律；蔣正武等[12]通過多孔混凝土模擬帶裂縫混凝土，研究了電沉積過程中電流密度對沉積物的質(zhì)量增加率的影響，結(jié)果表明，質(zhì)量增加率隨著電流密度的增加而增加，由此可知，二者關(guān)于質(zhì)量增加率隨電流密度的變化規(guī)律并不一致。

事實(shí)上，以質(zhì)量增加率以及表面覆蓋率作為電沉積修復(fù)的評價(jià)指標(biāo)，具有一定的缺陷，首先是沉積物質(zhì)量與混凝土試件質(zhì)量相比非常小，沉積物的在裂縫中的增加只是整個(gè)沉積物總量的一部分，特別當(dāng)裂縫較窄時(shí)，裂縫中沉積物的量非常少，這種情況下，計(jì)算沉積物質(zhì)量增加率誤差較大。且電流密度對沉積物微觀形貌的影響表明，沉積物顆粒隨著電流密度的增大而增大，因此，不同的電流密度下，沉積物在裂縫以及混凝土表面的分配并不是固定比例，此時(shí)，利用質(zhì)量增加率以及表面覆蓋率評價(jià)沉積物在裂縫中的填充情況，存在較大的局限性。

綜上，電沉積修復(fù)過程中，混凝土電阻隨著時(shí)間逐步增大，電阻增長速率隨著通電時(shí)間增長而減緩，電流密度越大，通電前期電阻增長速率越快，電流密度越小，電阻有效增長的時(shí)間越長。電流密度的選取應(yīng)該根據(jù)裂縫寬度以及通電時(shí)間具體分析，裂縫越寬，通電時(shí)間越短，則應(yīng)選取較大的電流密度，反之，則選取較小的電流密度，同時(shí)，電沉積通電結(jié)束時(shí)間可以以電阻基本不再變化為標(biāo)志。

2.2 不同電流密度下平均裂縫填充深度的規(guī)律

電沉積結(jié)束后，將試件沿著裂縫橫向切開，繪制電沉積裂縫修復(fù)深度曲線，圖中淺色區(qū)域?yàn)榱芽p中沉積物覆蓋區(qū)域，結(jié)果如圖5所示。

圖5 裂縫中沉積物空間分布Fig.5 Spatial distribution of sediments in the

由圖5可知，沉積物首先在裂縫表面沉積，然后向裂縫內(nèi)部發(fā)展。不同電流密度下裂縫填充深度見圖6，其中，橫軸為裂縫沿著試件寬度方向的位置(圖2(b)中寬度方向)，縱軸為裂縫填充深度，黑色填充矩形為鋼筋位置，每個(gè)電流密度試驗(yàn)有2個(gè)試件，每個(gè)試件上下表面裂縫均有沉積物生成。用CAD面積查詢工具求得裂縫橫截面沉積物覆蓋區(qū)域面積，裂縫填充面積與裂縫寬度比值即為裂縫平均填充深度。按照上述方法求得電流密度為0.5、1.0、2.0 A/m2時(shí)，裂縫平均填充深度分別為31.8、23.4、15.2 mm(初始裂縫深度50 mm)，這與文獻(xiàn)[7]中沉積物能將整個(gè)裂縫界面填充完全不同。這是由于文獻(xiàn)[7]采用人工預(yù)插鋼片的方法制作裂縫，裂縫表面與鋼筋處寬度均達(dá)到0.5 mm以及1.0 mm，裂縫界面光滑，裂縫在混凝土表面呈直線。本文中橫向劈裂形成的裂縫在混凝土表面寬度為0.2～0.4 mm，但是，在鋼筋處寬度則小于該值，裂縫寬度沿深度方向逐漸減小，裂縫在混凝土表面呈曲線，裂縫界面上混凝土粗糙，這些裂縫特征與實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)裂縫特征相同，因此，使用劈裂產(chǎn)生的裂縫能更真實(shí)地評價(jià)電沉積的修復(fù)效果。較小的裂縫寬度、裂縫表面曲折以及裂縫界面粗糙都將導(dǎo)致裂縫更容易被沉積物阻塞，因此，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在差異。這說明電沉積修復(fù)的效果在裂縫寬度很小時(shí)有一定的局限性。

由圖6可知，沉積物未將整個(gè)裂縫界面填充密實(shí)，填充深度隨著電流密度增大而減小。在3個(gè)電流密度下，鋼筋及周圍位置裂縫填充深度均較大，鋼筋之間沉積物深度明顯小于鋼筋處，電流密度越小，該現(xiàn)象越明顯。主要原因是，較大的電流密度生成沉積物尺寸大，在裂縫較窄部位沉積成核，阻塞了沉積物繼續(xù)生成，而在同一電流密度下，鋼筋周圍電流密度較大，有利于沉積物的生成，故鋼筋周圍填充深度更大。

圖6 不同電流密度下裂縫填充深度Fig.6 Crack filling depth under different current

2.3 電流密度對裂縫中沉積物礦物成分的影響

圖7為X射線衍射分析不同電流密度下混凝土裂縫中沉積物的結(jié)果。由圖7可以看出，不同電流密度下，裂縫中沉積物的主要礦物成分為ZnO，其他礦物成分含量明顯低于ZnO。表2列出了裂縫中沉積物的礦物成分含量。由表2可以看出，ZnO含量隨著電流密度增大而有少量增長，這是由于電流密度增大，陰極產(chǎn)生的OH-增加，有利于ZnO沉淀的生成。

圖7 沉積物XRD圖Fig.7 Patterns of X-ray diffraction of

電流密度/(A·m-2)ZnO/%Zn(OH)2/%Mg3(SO4)2(OH)2/%HCaFe2FeO2(Si2O7)/%CaSO4·2H2O/%Al4.64 Si1.36 O9.680.544.907.010.325.55.86.61.052.412.111.016.63.04.92.061.908.322.77.1

2.4 電流密度對裂縫中沉積物微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖8為沉積物電鏡掃描1 000倍圖，從圖8中可以看出(圖中裂縫為樣本處理過程中受壓導(dǎo)致)：電流密度為0.5 A/m2時(shí)，沉積物呈顆粒狀且排列致密；電流密度為1.0 A/m2時(shí)，沉積物呈塊狀；電流密度為2.0 A/m2時(shí)，沉積物出現(xiàn)片狀分層現(xiàn)象。圖9為沉積物電鏡掃描放大5 000倍圖，由圖9可見，電流密度為0.5 A/m2時(shí)，沉積物在空間里排列致密規(guī)律、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；電流密度為1.0 A/ m2時(shí)，沉積顆粒較大；電流密度為2.0 A/ m2時(shí)，沉積物呈針狀，尺寸大，且無序排列。這表明：電流密度是影響沉積物微觀形貌的重要因素，低電流密度下，沉積物呈顆粒狀，尺寸小，結(jié)構(gòu)規(guī)律排列，整體穩(wěn)定性強(qiáng)；高電流密度下，沉積物呈現(xiàn)塊狀，尺寸大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷層。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，電流密度增大導(dǎo)致陰極產(chǎn)生的OH-增多，沉積物的生成速度加快，離子在溶液中受到的作用力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致沉積物微觀形貌發(fā)生變化。

圖8 沉積物SEM照片F(xiàn)ig.8 Scanning electron micrograph of electrodeposits(1 000倍)

圖9 沉積物SEM照片F(xiàn)ig.9 Scanning electron micrograph of electrodeposits(5 000倍)

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，電沉積過程中，電流密度大小對裂縫修復(fù)過程及效果存在一定影響，表現(xiàn)于沉積物在裂縫中的空間分布、沉積物微觀形貌等方面，主要結(jié)論如下：

1)電沉積修復(fù)混凝土裂縫過程中，電沉積速率隨著通電時(shí)間增加而減慢；電流密度越大，通電前期電阻增加速率越快；電流密度越小，裂縫電阻有效增加時(shí)間越長。沉積物自裂縫表面向內(nèi)部填充，平均填充深度隨著電流密度增大而減小。

2)裂縫中沉積物的礦物成分主要為ZnO，電流密度對沉積物礦物成分的影響不大；高電流密度下，生成的沉積物尺寸較大、排列雜亂，且出現(xiàn)分層，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱；低電流密度下，沉積速率慢，沉積物顆粒尺寸小，排列規(guī)律，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊密。

3)研究表明，沉積物并不能完全填充裂縫界面，將電沉積技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)海洋氯鹽環(huán)境中的鋼筋混凝土裂縫仍存在耐久性問題，為將電沉積修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于海洋環(huán)境中，還需要進(jìn)一步研究電沉積修復(fù)過程中，混凝土中氯離子的排除效率，以及電沉積修復(fù)后，混凝土裂縫處抗氯離子的再滲透能力。