王 沖,劉煥芹,林鴻斌,白 光,葉建雄

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045)

電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮技術(shù)

王 沖,劉煥芹,林鴻斌,白 光,葉建雄

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045)

混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B及防潮一直是土木工程領(lǐng)域需要克服的重要技術(shù)難題之一。文章研究了電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮的影響因素,包括電滲脈沖電壓、混凝土水灰比、液相中離子濃度,以及脈沖頻率等;模擬測(cè)試了電滲脈沖作用下混凝土結(jié)構(gòu)的排水與相對(duì)濕度變化。研究表明,隨著脈沖電壓升高與混凝土水灰比增大,電滲脈沖下混凝土滲水量增加;Na2 SO4溶液濃度增大時(shí),電滲脈沖作用下混凝土滲水量增加;脈沖頻率對(duì)混凝土滲水量影響不大;研究亦顯示電滲脈沖作用下混凝土排水效果明顯,混凝土相對(duì)濕度顯著降低。

電滲脈沖;混凝土;抗?jié)B防潮

水泥混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B及防潮一直是土木工程領(lǐng)域需要克服的重要技術(shù)難題之一。由于地下結(jié)構(gòu)的滲水,混凝土易受地下水中化學(xué)物質(zhì)的侵蝕,加速混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕,引起結(jié)構(gòu)劣化,嚴(yán)重威脅到結(jié)構(gòu)工程的安全性。此外,建筑結(jié)構(gòu)地面滲水、滲潮,造成居住環(huán)境質(zhì)量的下降,并對(duì)安裝于建筑底層的大型設(shè)備等有一定的腐蝕影響。

目前地下建筑防潮排水的方式主要有涂刷防水涂料法、覆蓋防水卷材法、添加防水劑法、應(yīng)用水泵或除濕裝置法及外部排水設(shè)施法等[1]。這些方法既可在施工初期應(yīng)用,也可在工程結(jié)束后使用或維修中應(yīng)用,各有特點(diǎn),但也各有一定的局限性,如防潮不夠徹底、建筑性能降低、成本高、壽命短、翻修率高等。

電滲脈沖(Electro-osmotic pulse,簡(jiǎn)稱(chēng)EOP)技術(shù)是防潮抗?jié)B的一種新技術(shù)。1809年,Reuss發(fā)現(xiàn)了電滲現(xiàn)象,即在外加電場(chǎng)作用下,液相在固體孔隙中的移動(dòng)[2]。1939年,德國(guó)人Casagrande首次成功地將電滲應(yīng)用在德國(guó)一個(gè)鐵路路基開(kāi)挖工程的邊坡穩(wěn)定上,此后他又將該法應(yīng)用于土建深基坑開(kāi)挖和鐵路路基加固工程[3]。1947年,Casagrande開(kāi)始應(yīng)用動(dòng)電技術(shù)對(duì)粘土進(jìn)行脫水[4]?，F(xiàn)在,電滲已在地基加固[5-8]、混凝土再堿化[9]、降低混凝土水灰比[10]等工程中得到廣泛研究與應(yīng)用。

電滲脈沖是在電滲基礎(chǔ)上,將電壓按照預(yù)定的周期,非連續(xù)性的施加于電滲電場(chǎng),在電場(chǎng)陽(yáng)極、陰極之間產(chǎn)生脈沖電流。多孔材料內(nèi)若滲有水分,電場(chǎng)作用下即形成水合雙電層結(jié)構(gòu),在電場(chǎng)作用下水分遷移。1998年,美國(guó)陸軍結(jié)構(gòu)工程研究實(shí)驗(yàn)室Vincent Hock等人[11]開(kāi)始研究將電滲脈沖技術(shù)用于防止地下混凝土結(jié)構(gòu)與粘土材料的水分滲透,發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)不但阻止水的滲漏效果很好,而且能夠降低地下建筑中的空氣濕度。研究成果分別于2002—2007年開(kāi)始公布或發(fā)表[12-16]。除個(gè)別文獻(xiàn)[1]外,國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)研究甚少。本研究的目的,是研究電滲脈沖技術(shù)用于結(jié)構(gòu)混凝土的抗?jié)B防潮影響因素及技術(shù)可行性。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用原材料

1.1.1 水泥 使用重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 水泥的化學(xué)成分 /%

1.1.2 集料 細(xì)集料采用岳陽(yáng)中砂,級(jí)配良好,細(xì)度模數(shù)3.0;粗集料采用歌樂(lè)山石灰石碎石,粒徑為5～10mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土成型與養(yǎng)護(hù) 按表2所示配合比稱(chēng)量原材料,強(qiáng)制攪拌、振動(dòng)成型,靜置24 h后脫模,再移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。試件尺寸為 100 mm× 100 mm×400 mm?；炷翗?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d待測(cè)。

表2 試驗(yàn)混凝土配合比

1.2.2 電滲脈沖下混凝土滲水影響因素試驗(yàn) 電滲脈沖滲水試驗(yàn)裝置為自制。試驗(yàn)箱采用5mm厚的玻璃制成,試驗(yàn)箱被平均分割為3個(gè)試驗(yàn)倉(cāng),各試驗(yàn)倉(cāng)容積尺寸為100mm×350 mm×400mm,以容納100 mm×100mm×400 mm的混凝土試件,(試驗(yàn)裝置示意圖如圖1與圖2)。安裝電極板、連接電源線(xiàn)。試驗(yàn)中確保混凝土與試驗(yàn)箱之間密封,試驗(yàn)箱中加水。待一切準(zhǔn)備完畢,即可接通脈沖發(fā)生器,調(diào)整電壓分別至10 V、18 V與25 V進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀測(cè)滲水量。

圖1 混凝土滲水試驗(yàn)裝置

圖2 混凝土滲水試驗(yàn)裝置示意圖

1.2.3 脈沖發(fā)生器 研究所用脈沖發(fā)生器為向重慶迷你科技發(fā)展有限公司定制,調(diào)壓范圍0～60 V,試驗(yàn)電壓為10～30 V,脈沖頻率為10～20 s。配有6個(gè)輸入輸出端口,脈沖波形示于圖3。

圖3 脈沖波形示意圖

1.2.4 抗?jié)B防潮模擬試驗(yàn) 研究中自制了電滲脈沖用于混凝土防潮的模擬試驗(yàn)裝置。模擬試驗(yàn)箱尺寸為600 mm×600 mm×400 mm。箱體底部混凝土厚度為30mm。脈沖發(fā)生器陽(yáng)極接在試驗(yàn)箱中,陰極接在試驗(yàn)箱外部,試驗(yàn)箱外部保持潮濕狀態(tài)。用塑料薄膜將試驗(yàn)箱密封。將濕度計(jì)放入試驗(yàn)箱內(nèi)部進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)中另準(zhǔn)備一套不加脈沖電壓的試驗(yàn)裝置以作為對(duì)比(如圖4所示)。

圖4 電滲脈沖下混凝土防潮模擬試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電滲脈沖作用下混凝土滲水量影響因素

2.1.1 不同脈沖電壓下混凝土滲水量 研究進(jìn)行了不同脈沖電壓下混凝土滲水量試驗(yàn)。擬定的試驗(yàn)電壓分別為10 V、18 V和25 V,混凝土水灰比確定為0.50,試驗(yàn)中混凝土環(huán)境介質(zhì)為自來(lái)水,脈沖頻率為10 s。試驗(yàn)共測(cè)量了通電1～7 d的滲水量,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同脈沖電壓下混凝土滲水量

試驗(yàn)結(jié)果顯示,電滲脈沖作用下,混凝土滲水量與滲水速度都和所施加的電壓關(guān)系密切,電壓越高,混凝土單位時(shí)間內(nèi)滲水量越大,滲水速度越快。當(dāng)電壓由10 V增加至25 V時(shí),第1 d的滲水量由0.5 m L增加至1.3 m L,到第7 d時(shí),總滲水量已從5.6 m L增加至10.2 m L。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)電壓為25 V時(shí),由于對(duì)水的電解作用增大,陰極端水的減少量明顯大于由于電場(chǎng)的作用而滲透至陽(yáng)極端的水量。

2.1.2 不同離子濃度對(duì)滲水量的影響 考慮到實(shí)際工程中,地下水并非純水,而是含有大量化學(xué)物質(zhì)。例如,中國(guó)西南地區(qū)地下水中硫酸鹽含量較高。因此,進(jìn)行了電滲脈沖作用下,不同液相環(huán)境對(duì)混凝土水分滲透的影響研究,擬定的3種液相環(huán)境為水、5%Na2 SO4溶液和10%Na2 SO4溶液。試驗(yàn)中混凝土水灰比為0.50,脈沖頻率為10 s,測(cè)試了電壓分別為10 V、18 V和25 V時(shí)7 d的滲水量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同離子濃度時(shí)混凝土的滲水量

圖6顯示,在相同水灰比、相同電壓作用下,滲水量隨Na2 SO4溶液濃度的增加而增加。主要原因應(yīng)該是在電場(chǎng)作用下,除電滲對(duì)溶液的遷移有關(guān)外,離子在電場(chǎng)作用下的電泳也對(duì)溶液遷移有一定影響。在電勢(shì)差的作用下,水分能夠更容易通過(guò)混凝土滲出。

同時(shí)還可以看出,處于相同環(huán)境介質(zhì)時(shí),隨著脈沖電壓的增大,滲水量增加。

2.1.3 混凝土水灰比對(duì)滲水量的影響 混凝土水灰比不同,混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)大小不一樣,水份的遷移與滲透自然也不同。電滲脈沖作用下通電7 d的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。試驗(yàn)中電滲脈沖電壓為10 V,脈沖頻率為10 s。

圖7 不同水灰比下混凝土滲水量

從圖8中可以看出,混凝土的水灰比大小對(duì)滲水量影響明顯。脈沖電壓相同、混凝土環(huán)境介質(zhì)相同情況下,水灰比分別為0.45、0.50和0.55的混凝土7 d總滲水量隨著水灰比的增加而增加。這主要是由于水灰比增加,混凝土內(nèi)部孔隙率增加,電滲作用下混凝土內(nèi)部水分遷移更加容易,因此滲水量增加。

2.1.4 不同脈沖頻率下混凝土的滲水量 液相環(huán)境為水,脈沖電壓均為11 V的情況下,脈沖頻率分別為10 s、20 s的時(shí)混凝土的7 d滲水量和14 d滲水量試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

8 不同脈沖頻率下混凝土滲水量

從圖8可以看出,在該試驗(yàn)條件下,當(dāng)液相環(huán)境為水,脈沖電壓均為11 V,脈沖頻率分別為10 s、20 s的情況下,隨著脈沖頻率的變化,混凝土的滲水量接近。表明脈沖頻率對(duì)混凝土滲水量影響不大。

2.2 電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)中,將數(shù)量相同的自來(lái)水加入試驗(yàn)箱與對(duì)比箱。將模擬試驗(yàn)裝置接通電源后,定期記錄試驗(yàn)箱中的相對(duì)濕度,試驗(yàn)結(jié)束后明顯可以看出,施加脈沖電壓的試驗(yàn)箱中水分已經(jīng)被排出,試驗(yàn)箱底部干燥,而相同時(shí)間、相同環(huán)境下的對(duì)比箱底部依然有大量水分(這可以從圖9左水中窗戶(hù)的倒影得到證實(shí))。

圖9 電滲脈沖下試驗(yàn)箱底部水分排出

圖10試驗(yàn)結(jié)果亦顯示,在脈沖電壓為20 V,脈沖頻率為20 s,通電14 d的情況下,電滲脈沖技術(shù)對(duì)模擬地下空間中的濕度有明顯的降低作用,混凝土底部的水全部排出,并且空間內(nèi)的相對(duì)濕度從100%降低至76%。這是由于預(yù)埋在混凝土中的陽(yáng)極和預(yù)埋在混凝土外部陰極在脈沖變壓器的作用下形成電場(chǎng),將混凝土表面和空氣中凝結(jié)落下的水分通過(guò)試驗(yàn)箱底部的孔排出,從而將水分排出,最終降低了環(huán)境的濕度。沒(méi)有受到電滲脈沖作用的對(duì)比箱中混凝土底部一直積水,相對(duì)濕度亦一直維持在100%。

圖10 電滲脈沖作用下模擬空間濕度變化

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)條件下脈沖電壓與混凝土水灰比增大,混凝土滲水量增加;電滲脈沖作用下處于 Na2 SO4溶液環(huán)境中的混凝土其滲水量增加,脈沖頻率對(duì)混凝土滲水量影響不大;

2)電滲脈沖作用下混凝土排水除濕效果明顯,混凝土相對(duì)濕度顯著降低。

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(編輯 胡英奎)

Seepage Resistanceand Moisture Proof of Concrete Using Electro-osmotic Pulse

WANGChong,LIUHuan-qin,LINHong-bin,BAIGuang,YEJian-xiong
(Schoo l of Materials Science&Engineering,Chongqing University,Chongqing,400045)

Seepage resistance and moisture p roof of concrete structure is a hard work in civil engineering. The influence factors of seepage resistance and moisture proof of concrete using Electro-Osm otic Pulse (EOP),such as electric vo ltage,w ater to cement ratio of concrete,ion concentration in liquid phase,and pu lse frequency,were analyzed.Simulating experiment of EOP used to drain water and reduce relatively humidity of concrete structure isexecuted.The results show that,volume of water seepage is improved due to app lication of EOP in concrete w ith increase of electric voltage,W/C of concrete,and concentration of sodium sulfate.And pulse frequency has little effect on volume of water seepage.The results are also presented that effect of dewatering and humidity reducing are remarkable when EOP is app lied in concrete structure.

electro-osmotic pulse(EOP);concrete;seepage resistance and m oisture proof

TU761.1

A

1674-4764(2011)02-0132-05

2010-10-04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科研專(zhuān)項(xiàng)(CDJZR10130009)資助;重慶市建委建設(shè)科研項(xiàng)目(城科字2008第71號(hào))

王沖(1972-),男,博士,副教授,主要從事水泥混凝土材料研究,(E-mail)chongw ang@cqu.edu.cn。