余志賢，周立民,王沖

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶400015；2重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045）

電滲脈沖在混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮中的應(yīng)用

余志賢1，周立民2,王沖2

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶400015；2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，該文介紹了電滲脈沖技術(shù)用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮的一種新技術(shù)。通過試驗(yàn)分析，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，如脈沖電壓、混凝土水灰比等，實(shí)際觀測(cè)了電滲脈沖作用下實(shí)際潮濕房間混凝土地板的排水效果。研究結(jié)果表明，電滲脈沖完全可用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防潮。

電滲脈沖；混凝土；抗?jié)B防潮；新技術(shù)；電源陰陽(yáng)極；電勢(shì)差

1 電滲脈沖技術(shù)背景

地下空間結(jié)構(gòu)的防潮、防水及抗?jié)B一直是土木工程領(lǐng)域需要克服的重要技術(shù)難題之一。目前地下建筑的防水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。但各有一定的局限性，如防潮不夠徹底、建筑性能降低、成本高、壽命短、翻修率高等[1-2]。

電滲脈沖技術(shù)是防潮抗?jié)B的一種新技術(shù)。混凝土材料內(nèi)部孔隙內(nèi)充滿液相環(huán)境，液相中包含有多種離子。利用電滲原理，在外加電源陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，在正電壓脈沖作用下，促使陽(yáng)離子帶動(dòng)水分子向陰極流動(dòng)，從而使水分通過混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)毛細(xì)孔排出，從而達(dá)到地下結(jié)構(gòu)防潮、抗?jié)B和除濕的目的。1998年，美國(guó)陸軍結(jié)構(gòu)工程研究實(shí)驗(yàn)室Vincent Hock等人[3]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。在美國(guó)、挪威等地已成功安裝了1650個(gè)電滲脈沖鋼筋除潮防蝕系統(tǒng)，其中包括公共、私人建筑如軍事設(shè)施、銀行地下金庫(kù)、圖書館、學(xué)校、醫(yī)院、體育中心、私人住宅。

電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮技術(shù)原理如圖1?；炷林写嬖谠S多毛細(xì)孔，毛細(xì)孔壁表面帶負(fù)電荷，而孔壁周圍的水膜中的水分子因極化而帶正電，當(dāng)對(duì)混凝土施加外電場(chǎng)后，由于毛細(xì)孔壁是固定的，雙電層中的正離子向陰極遷移，同時(shí)對(duì)溶劑施加單向推力，使之同向流動(dòng)，產(chǎn)生電滲[3]。

圖1 電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮的技術(shù)原理圖[4]

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，通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)電滲脈沖技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮的應(yīng)用效果。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

水泥為重慶生產(chǎn)的42.5R的普通硅酸鹽水泥。細(xì)集料采用河砂，表觀密度2650 kg/m3；粗集料采用粒徑≤20mm的碎石，表觀密度2750 kg/m3。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

可行性試驗(yàn)采用自制玻璃箱裝置，玻璃厚度為5mm，玻璃箱規(guī)格為400mm×300mm×400mm，上面開口，每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱被平均分為3個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，每個(gè)實(shí)驗(yàn)艙容積尺寸為100mm×400mm× 400mm，用來(lái)容納100mm×100mm×400mm的混凝土試件，每個(gè)實(shí)驗(yàn)艙一端離開口處30 mm位置開一直徑為5mm的圓孔用以排水，裝置如圖2。

圖2 混凝土滲水實(shí)驗(yàn)裝置

圖3脈沖發(fā)生器

圖2 中，在混凝土兩側(cè)安裝銅片電極板，連接電源線。試驗(yàn)中用玻璃膠使混凝土與試驗(yàn)箱之間密封，在試驗(yàn)箱內(nèi)混凝土兩側(cè)加水。在一切準(zhǔn)備好以后，就可以接通脈沖發(fā)生器，并調(diào)電壓為10V、30V、50V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過觀測(cè)試驗(yàn)箱兩端水位高度差或滲水量分析排水效果。

脈沖發(fā)生器為重慶某公司定制(如圖3)，調(diào)壓范圍0～60V，試驗(yàn)電壓為10～50V，脈沖頻率為10～20s，配有6個(gè)輸入輸出端口，脈沖波形圖如圖4所示。

圖4 脈沖波形示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 電滲脈沖作用下混凝土水分滲透試驗(yàn)

脈沖電滲試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完畢，連接電源，過一段時(shí)間后即可觀察到如下現(xiàn)象：

（1）通電后陰極處發(fā)出咝咝的聲音，且在陰極附近有大量氣泡冒出，混凝土表面亦出現(xiàn)大量的小氣泡。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于水被電解。

（2）通電一段時(shí)間后，陽(yáng)極開始出現(xiàn)腐蝕，3天后腐蝕開始變得嚴(yán)重，試驗(yàn)完畢后，可以觀察到陽(yáng)極表面銹蝕嚴(yán)重。

（3）通電一段時(shí)間后，即開始有水分從排水孔內(nèi)流出。

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，因此水份的遷移與滲透自然不一樣。試驗(yàn)測(cè)試了電滲脈沖作用下不同水膠比混凝土滲水量，試驗(yàn)電壓為10V，脈沖頻率為10s，試驗(yàn)中混凝土環(huán)境為自來(lái)水。試驗(yàn)結(jié)果示如圖5。

圖5 不同水灰比下混凝土滲水量

從圖5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天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。

3.2 電滲脈沖作用下混凝土力學(xué)性能變化

電滲脈沖作用下混凝土內(nèi)水分遷移，對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)與性能可能造成一定影響。為此，研究了不同脈沖電壓對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。測(cè)試了電壓分別為11V和15V下混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。試驗(yàn)中，電滲脈沖作用下混凝土試件所處環(huán)境為自來(lái)水。另將相同配合比的混凝土試件置于相同環(huán)境下的水中以作為比較基準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果示如圖6和圖7。

圖6 不同脈沖電壓條件下混凝土抗壓強(qiáng)度

圖7 不同脈沖電壓條件下混凝土抗折強(qiáng)度

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看到，同基準(zhǔn)（不受電場(chǎng)作用）混凝土相比，電滲脈沖作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度變化都不大。以不同脈沖電壓下通電14為例，11V和15V電壓作用下抗壓強(qiáng)度分別為53.3MPa和55.0MPa，其11V和15V電壓作用下的抗折強(qiáng)度分別為8.07MPa和7.77MPa。同樣時(shí)間內(nèi)，不受電場(chǎng)作用下水養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度為53.1 MPa、抗折強(qiáng)度為7.98 MPa，無(wú)電滲脈沖作用混凝土強(qiáng)度與電滲脈沖作用下的混凝土強(qiáng)度接近。結(jié)果表明，本研究條件下，以水為介質(zhì)環(huán)境，電滲脈沖作用下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)與性能并未產(chǎn)生不利影響。

3.3 電滲脈沖作用下建筑結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮的實(shí)際應(yīng)用

為了探究電滲脈沖在實(shí)際潮濕環(huán)境中是否有抗?jié)B排水效果，利用一潮濕房間進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用效果試驗(yàn)。潮濕房間原先作為實(shí)驗(yàn)室材料庫(kù)房使用，但因年久失修，下雨時(shí)房間地板滲水嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了材料的堆放。潮濕房間情況示如圖8。

圖8 應(yīng)用試驗(yàn)用潮濕房間

潮濕堆放混凝土地板上安裝上石墨電極4根，在屋外也相應(yīng)安裝上石墨電極4根。將脈沖發(fā)生器的陽(yáng)極接在小屋內(nèi)的石墨電極，而陰極與屋外的石墨電極相接。在屋內(nèi)保持相同環(huán)境的條件下先觀察不接通電源情況下屋內(nèi)濕度變化情況，然后再接通電源施加脈沖電壓，外加上30V的脈沖電壓，脈沖頻率調(diào)為10s，觀察屋內(nèi)濕度變化情況。試驗(yàn)結(jié)果示如圖9和圖10。

圖9 潮濕房間地板未加脈沖電壓之前

圖10 潮濕房間地板施加脈沖電壓2天后

從圖9與圖10可以看出，在施加脈沖電壓后，房間內(nèi)地板濕度變化非常大，施加脈沖電壓后地板明顯干燥很多，特別是電極位置的周圍，基本沒有潮濕水分。這是由于預(yù)埋在屋內(nèi)的陽(yáng)極和預(yù)埋在屋外的陰極在脈沖發(fā)生器的作用下形成脈沖電場(chǎng)，將混凝土地板表面的水分從屋內(nèi)拍到屋外，降低了小屋內(nèi)的濕度。結(jié)果表明，電滲脈沖完全可用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防潮。

4 結(jié)論與討論

通過試驗(yàn)研究取得以下結(jié)論：

（1）在施加脈沖電壓的情況下，混凝土試件透水性良好，電脈沖并未對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，電滲脈沖用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防潮具有可行性。

（2）將電滲脈沖作用于現(xiàn)有潮濕多水的混凝土地面，結(jié)果顯示防潮作用明顯。

[1]王沖,劉煥芹,林鴻斌，等.電滲脈沖用于混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B防潮技術(shù)研究[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011,33(2):132-136.

[2]程麗華，初元璋，韓靜濤.地下與半地下建筑電滲脈沖防潮技術(shù)初探[J].中國(guó)建筑防水，2005.

[3]V.F.Hock，M.K.Mclnerney，E.Kirstein，et al.Demonstration of Electro-Osmotic Pulse Technology for Groundwater Intrusion Cintrol in Concrete Structures[R].CERL-TR-98/68，Construction Engineering Research Laboratoratories，Champaign，IL，April，1988.

[4]Vincent Hock，Sean Morefield，Michael Mclnerney，et al. Control of Water Migration Through Concret Using Electro-osmosis[J].Materials Performance，2005，44(7): 42-47.

[5]Michael K.Mclnerney，Sean Morefield，Sondra Coope.Electro-Osmotic Pulse (EOP)TechnologyforControlofWater Seepage in Concrete Structures[R].ERDC/ CERL TR-02-21，2002，8.

[6]V Hock S，Morefield S，Bushman J.B，et al.Evaluating the performance of the electro-osmotic pulse basement dewatering system[J].Materials Performance，2006，45 (1):24-28.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application of Electro-osmosis and Pulse in Anti-osmosis and Moisture Resistance of Concrete Structure

The anti-osmosis and moisture resistance of concrete structure has been one of the important technological difficulties in civil engineering. The electro-osmosis and pulse technology is introduced as a new technology applied in anti-osmosis and moisture resistance.Through experiment and analysis,the influential factors like pulse voltage and concrete water cement ratio of electro-osmosis and pulse application are studied,and the drainage effect of concrete floor in moist rooms under electro-osmosis and pulse is also inspected.The study shows that electro-osmosis and pulse can be applied in concrete structures for anti-osmosis and moisture resistance.

electro-osmosis and pulse;concrete;anti-osmosis and moisture-proof;new technology;cathode and anode of power source;potential difference

TU503

A

1671-9107（2014）07-0055-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.055

2014-03-13

余志賢（1972-），男，重慶人，本科，工程師，主要從事建筑施工管理工作。