王月 明， 王長(zhǎng) 丹，*， 周順 華， 劉開偉

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.安徽建筑大學(xué)安徽省先進(jìn)建筑材料工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹脹開裂每年為世界各國(guó)帶 來數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失，并容易引發(fā)安全事故［1-2］.因此，對(duì)于該結(jié)構(gòu)的有效修復(fù)極其重要.現(xiàn)有的開裂損傷鋼筋混凝土修復(fù)方法主要包括混凝土置換法、注漿法和電化學(xué)沉積法等.混凝土置換法是使用修補(bǔ)材料代替局部性能劣化的混凝土保護(hù)層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的一種方法［3-4］.但該方法工藝復(fù)雜且修復(fù)效果易受多方面因素的影響，同時(shí)修補(bǔ)材料和原混凝土之間易發(fā)生宏電偶腐蝕［5］.注漿法一般用于修復(fù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有影響的混凝土裂縫，但對(duì)于細(xì)小裂縫和深層次裂縫較難實(shí)現(xiàn)有效滲透，進(jìn)而影響其修復(fù)效果［6-8］.電化學(xué)沉積法特別適用于修復(fù)海工混凝土結(jié)構(gòu).該方法分別以混凝土內(nèi)部鋼筋和外置在鹽溶液中的導(dǎo)電材料為陰陽極，兩極通以直流電后，經(jīng)過一系列電化學(xué)反應(yīng)生成不溶性沉積鹽來填充修復(fù)混凝土裂縫［9-13］.但電化學(xué)沉積法修復(fù)周期較長(zhǎng)，沉積鹽的孔隙較大，無法有效阻止水及有害離子侵入混凝土內(nèi)部，為鋼筋混凝土的再次銹脹開裂埋下了隱患.

綜上，本文提出了電泳沉積修復(fù)法，在電場(chǎng)條件下使帶電環(huán)氧樹脂膠體粒子向銹脹開裂鋼筋混凝土裂縫處泳動(dòng)、聚集、沉積，在封堵銹脹裂縫之后生成環(huán)氧樹脂保護(hù)膜.電壓強(qiáng)度決定了帶電膠體粒子的電泳沉積速度，對(duì)銹脹開裂鋼筋混凝土的電泳沉積修復(fù)效果有重要影響.

1 試驗(yàn)

1.1 高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液的制備

高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液由水性陽離子環(huán)氧樹脂溶液及水性陽離子氨類固化劑溶液組成.水性陽離子環(huán)氧樹脂的合成方法：首先，在N2保護(hù)條件下，向裝有攪拌器、冷凝管、恒壓漏斗、溫度計(jì)的四口燒瓶中加入一定量的雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，在60℃下攪拌預(yù)熱，再緩慢滴二乙醇胺，并升溫至70℃反應(yīng)180 min；然后，降溫至60℃并滴加冰乙酸反應(yīng)30 min，其中環(huán)氧樹脂、二乙醇胺和冰乙酸的摩爾比為1.0∶1.0∶0.8.

單獨(dú)的環(huán)氧樹脂并不能固化膠結(jié)，需要輔以相應(yīng)的固化劑，本試驗(yàn)使用自制的水性陽離子氨類固化劑作為水性陽離子環(huán)氧樹脂的固化劑.合成方法：首先，在N2保護(hù)下，向裝有三乙烯四胺的四口燒瓶中滴加環(huán)氧樹脂E51，在70℃條件下反應(yīng)180 min；然后，滴加封端劑芐基縮水甘油醚至四口燒瓶中，溫度控制在75℃，反應(yīng)時(shí)間為180 min；最后，滴加冰乙酸反應(yīng)30 min，即制得黃色透明膠狀的水性陽離子氨類固化劑，其中三乙烯四胺、環(huán)氧樹脂、芐基縮水甘油醚與冰乙酸之間的摩爾比為2.1∶1.0∶2.2∶2.1.

分別向水性陽離子環(huán)氧樹脂及水性陽離子環(huán)氧樹脂氨類固化劑加入去離子水，制備環(huán)氧基濃度為0.1 mol/L的水性陽離子環(huán)氧樹脂溶液及胺氫濃度為0.1 mol/L的水性陽離子環(huán)氧樹脂氨類固化劑溶液.然后將兩者按質(zhì)量比1∶1混合，即制得高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液，其基本性能如表1所示.

表1 高性能環(huán)氧樹脂膠體溶液的基本性能Table 1 Basic properties of high performance epoxy resincolloid solution

1.2 銹脹開裂試件制作

水泥砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，水泥為P·Ⅰ42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表2所示.砂為中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，水為自來水，水泥與砂、水的質(zhì)量比為1.0∶3.0∶0.5，鋼筋的直徑為6 mm，埋置在試件中間位置.待試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，然后在外露鋼筋表面焊接導(dǎo)線并用聚氨酯膠將除預(yù)留面（預(yù)留面用于制造銹脹裂縫）外的5個(gè)面包裹，再將試件轉(zhuǎn)移到5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的NaCl溶液中，以鋼筋為正極，不銹鋼片為負(fù)極，通以0.1 A/m2的直流電，制造寬度約為0.6 mm的銹脹裂縫，制造的順筋銹脹開裂砂漿試件如圖1所示.

表2 水泥的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of cement w/%

圖1 銹脹開裂砂漿試件Fig.1 Rust-cracked mortar specimen

1.3 電泳沉積修復(fù)制度

使用尺寸為210 mm×120 mm×160 mm的塑料盒作為承液容器，盒底部放置尺寸為120 mm×130 mm×5 mm的石墨板.進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)時(shí)，將砂漿試件置于2根不銹鋼絲架上面，裂縫面朝向石墨板.將制備好的膠體溶液倒入承液盒后，以石墨板為陽極，試件內(nèi)部銹蝕鋼筋為陰極進(jìn)行通電修復(fù).電泳沉積修復(fù)法選用恒電壓模式進(jìn)行修復(fù)工作，最大電流0.25 A，環(huán)境溫度控制在（20±2）℃，修復(fù)時(shí)間為24 h.為保證修復(fù)效果，膠體溶液需現(xiàn)配現(xiàn)用，每12 h更換1次.修復(fù)系統(tǒng)示意圖如圖2所示.

圖2 修復(fù)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of repair system

2 電泳沉積修復(fù)效果評(píng)價(jià)

2.1 質(zhì)量增長(zhǎng)量

使用感量為0.1 g的電子天平測(cè)量鋼筋混凝土試件在修復(fù)后不同時(shí)間的質(zhì)量.單位面積質(zhì)量增長(zhǎng)量（W）的計(jì)算公式如下：

式中：M0為修復(fù)前的試件初始質(zhì)量平均值，kg；Mt為修復(fù)t小時(shí)后的試件質(zhì)量平均值，kg；S0為銹脹裂縫面的面積，取3個(gè)試件的平均值為最終試驗(yàn)數(shù)值，0.006 4 m2.

2.2 裂縫填充深度及裂縫面沉積膜厚度

在對(duì)銹脹開裂水泥砂漿試件電泳沉積修復(fù)后，沿裂縫將試件劈裂，使用游標(biāo)卡尺每隔1 cm量取1次填充深度，取3個(gè)試件的平均值為最終試驗(yàn)數(shù)值.使用游標(biāo)卡尺每隔2 cm量取1次試件的總厚度，將該厚度值減去初始試件厚度（40 mm）即為環(huán)氧樹脂沉積厚度，取3個(gè)試件的平均值為最終試驗(yàn)數(shù)值.

2.3 電阻

試驗(yàn)所使用的直流電源可以顯示實(shí)時(shí)電流大小，通過式（2）計(jì)算修復(fù)過程中砂漿的電阻（R）.

式中：U為設(shè)置電壓值，V；It為修復(fù)過程中不同時(shí)間的電流值，A.取3個(gè)試件的平均值為最終試驗(yàn)數(shù)值.

2.4 吸水量

試驗(yàn)前，先將試件放到干燥箱以40℃烘干直至恒重（前后2次質(zhì)量差小于0.1 g），之后將試件表面浸入水中2 mm左右，在規(guī)定時(shí)間測(cè)試其質(zhì)量，單位面積吸水量（I）的計(jì)算如式（3）所示.

式中：mt為試件在t時(shí)刻的質(zhì)量，kg；m0為試件在初始時(shí)刻的質(zhì)量，kg；A為試件與水的接觸截面面積，m2.取3個(gè)試件平均值為最終試驗(yàn)數(shù)值.

2.5 加速碳化深度

將修復(fù)后試件的5個(gè)非裂縫面進(jìn)行密封后放入碳化箱中進(jìn)行加速碳化.試件碳化28 d后，使用切割機(jī)將其均勻切割成8個(gè)20 mm×40 mm×40 mm的試塊，在試塊的切割面噴1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的酚酞酒精溶液，待溶液蒸發(fā)后，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量碳化深度，取3個(gè)試樣平均值為試件最終的碳化深度.

3 結(jié)果與討論

3.1 修復(fù)過程中試件銹脹裂縫面的形貌變化

圖3為試件裂縫面形貌的變化.由圖3可見：隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，在電場(chǎng)作用下環(huán)氧樹脂首先在裂縫位置開始聚集沉積，呈白色絮狀；當(dāng)試件銹脹裂縫被封堵后，環(huán)氧樹脂開始在裂縫面沉積，并逐步對(duì)整個(gè)裂縫面實(shí)現(xiàn)覆蓋；隨著修復(fù)時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，試件裂縫面生成具有一定厚度的黃色透明環(huán)氧樹脂膜，修復(fù)完成后裂縫處沉積的環(huán)氧樹脂厚度明顯大于周圍；修復(fù)電壓越高，環(huán)氧樹脂在裂縫及裂縫面的沉積速度越快，以修復(fù)1 h后試件裂縫面形貌為例，20 V電壓修復(fù)后試件僅裂縫中出現(xiàn)白色環(huán)氧樹脂填充，40 V電壓修復(fù)后表面已生成環(huán)氧樹脂薄膜，而60、80 V電壓修復(fù)后試件裂縫面的環(huán)氧樹脂膜已具有一定的厚度.

圖3 試件裂縫面形貌的變化Fig.3 Changes of crack surface morphology of specimens

3.2 修復(fù)過程中試件裂縫面的沉積膜厚度變化

圖4為沉積膜的平均厚度.由圖4可見：電泳沉積修復(fù)時(shí)的電壓越高，修復(fù)過程中各階段環(huán)氧樹脂沉積膜的厚度越大，在20、40、60、80 V電壓下24 h電泳沉積修復(fù)后，試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜厚度分別為2.2、3.5、3.8、4.4 mm，這與對(duì)試件裂縫面形貌的觀測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)；電泳沉積修復(fù)過程中環(huán)氧樹脂沉積膜厚度增長(zhǎng)可劃分為2個(gè)階段，在階段1（0～12 h）環(huán)氧樹脂膜厚度增長(zhǎng)速率較快，在階段2（12～24 h）環(huán)氧樹脂膜厚度增長(zhǎng)速率減緩.

圖4 沉積膜的平均厚度Fig.4 Average thickness of deposition film

3.3 修復(fù)過程中試件的質(zhì)量增長(zhǎng)量變化

圖5為試件質(zhì)量的增加量.由圖5可見：隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的質(zhì)量隨之增加，修復(fù)電壓越大，試件質(zhì)量增長(zhǎng)越快，最終質(zhì)量增長(zhǎng)量越大；在20、40、60、80 V電壓下24 h電泳沉積修復(fù)后，試件質(zhì)量增長(zhǎng)量分別為0.60、1.15、2.04、2.37 kg/m2；試件的質(zhì)量增長(zhǎng)速率可以劃分為2個(gè)階段，階段1為0～12 h，此階段試件質(zhì)量增長(zhǎng)速率較快，階段2為12～24 h，此階段試件質(zhì)量增長(zhǎng)速率減緩，這與修復(fù)過程中試件的平均沉積膜厚度變化規(guī)律相對(duì)應(yīng).

圖5 試件質(zhì)量的增加量Fig.5 Mass increment of specimens

3.4 修復(fù)過程中試件的電阻變化

圖6為試件的電阻值.由圖6可見：隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的電阻加大；電壓越大，修復(fù)過程中試件的電阻值越大，在修復(fù)6 h后這種趨勢(shì)變得明顯；修復(fù)24 h后，40、60、80 V電壓下修復(fù)的試件電阻值較為接近，分別為1 739、1 818、1 861 Ω，而20 V電壓下修復(fù)試件的電阻值僅為1 000 Ω.這是因?yàn)殡妷涸酱?，在銹蝕鋼筋與陽極石墨板之間的電場(chǎng)力越大，導(dǎo)致試件裂縫面電泳沉積的環(huán)氧樹脂膠體粒子數(shù)量越多、速度越快，相同時(shí)間內(nèi)環(huán)氧樹脂在試件裂縫面堆積厚度也就越大（見圖4）.而環(huán)氧樹脂具有良好的絕緣性［14-15］，所以電壓越大修復(fù)后試件的電阻越大.伴隨試件電阻的增加，電極之間的電場(chǎng)力被逐步削弱，進(jìn)一步地使環(huán)氧樹脂帶電膠體粒子在試件裂縫面的電泳沉積速率減小，這也就解釋了為何修復(fù)后期試件的沉積膜厚度和質(zhì)量增加量上升速率減緩.

圖6 試件的電阻值Fig.6 Resistance values of specimens

3.5 電壓對(duì)環(huán)氧樹脂在裂縫中填充深度影響

圖7為修復(fù)后環(huán)氧樹脂在裂縫中的填充分布情況.表3對(duì)修復(fù)后環(huán)氧樹脂在裂縫中的平均填充深度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).由圖7、表3可知，與高電壓（60、80 V）修復(fù)相比，低電壓（20、40 V）修復(fù)后環(huán)氧樹脂的填充面積和深度更大.這可能是因?yàn)楦唠妷合颅h(huán)氧樹脂膠體粒子更易在淺層裂縫位置快速堆積，封堵了膠體粒子向其深層裂縫電泳的路徑，所以很難在裂縫深處觀測(cè)到環(huán)氧樹脂聚集沉積.而低電壓下環(huán)氧樹脂膠體粒子向裂縫中的電泳沉積速度較緩，淺層裂縫不會(huì)快速封閉，使得環(huán)氧樹脂在不同深度裂縫中的沉積變得均勻致密，所以相對(duì)于高電壓，低電壓修復(fù)后環(huán)氧樹脂在銹脹裂縫中的沉積深度更深，沉積面積更廣.

表3 修復(fù)后環(huán)氧樹脂在裂縫中的平均填充深度Table 3 Average filled depth of epoxy resin in cracks after repair

圖7 修復(fù)后環(huán)氧樹脂在裂縫中的填充分布情況Fig.7 Filled distribution of epoxy resin in cracks after repair

3.6 電壓對(duì)修復(fù)后試件的吸水量影響

圖8為不同試件的吸水量.由圖8可知，與未修復(fù)試件相比，修復(fù)后試件各時(shí)間段吸水量明顯下降，甚至低于未損傷試件.其中在40 V電壓下修復(fù)試件的各時(shí)段吸水量最低，7 d最大吸水量?jī)H為0.089 kg/m2，為未修復(fù)試件最大吸水量（1.391 kg/m2）的6.3%，而20、60、80 V電壓下修復(fù)試件的7 d最大吸水量分別為未修復(fù)試件的13.5%、24.7%、25.4%，可知低電壓（20、40 V）修復(fù)試件吸水量的下降幅度要比高電壓（60、80 V）修復(fù)試件更為明顯.表明電泳沉積修復(fù)法可以大幅提升修復(fù)后混凝土的防水性能，降低其吸水量.在混凝土干燥情況下，外界環(huán)境中的以水為介質(zhì)的氯離子及硫酸根等有害離子很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部，同時(shí)干燥混凝土較濕潤(rùn)混凝土電阻更大［16-17］，其抵抗雜散電流侵蝕性能更強(qiáng)，因此電泳沉積修復(fù)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體防水性上升有助于提升其耐久性.

圖8 不同試件的吸水量Fig.8 Water absorption of different specimens

3.7 電壓對(duì)修復(fù)后試件的加速碳化深度影響

統(tǒng)計(jì)了修復(fù)后不同試件的28 d加速碳化深度，發(fā)現(xiàn)相較于未損傷試件，修復(fù)后試件的加速碳化深度明顯下降.電壓對(duì)修復(fù)后試件加速碳化深度影響不大，在20、40、60、80 V電壓下修復(fù)后試件的28 d加速碳化深度分別為0.02、0、0、0.02 mm，而無損傷試件加速碳化深度高達(dá)3.64 mm.表明電泳沉積修復(fù)法可以大幅提升鋼筋混凝土的抗碳化性能，但電壓大小對(duì)修復(fù)后試件加速碳化深度影響不大，各試件都未見明顯的碳化現(xiàn)象.

3.8 修復(fù)后鋼筋混凝土界面的細(xì)觀形貌

圖9為40 V電壓修復(fù)后試件的剖面形貌.由圖9可見：修復(fù)完成后會(huì)有一定厚度的環(huán)氧樹脂膜緊密附著在試件表面；銹脹裂縫被膠狀環(huán)氧樹脂密實(shí)填充.由此可知，電泳沉積修復(fù)后試件的防水性能及抗碳化性能大幅提升，與環(huán)氧樹脂在裂縫的沉積及裂縫面環(huán)氧樹脂膜的形成有關(guān).首先，環(huán)氧樹脂在試件裂縫的填充封堵了外界水分、有害離子及二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的直接通道；其次，裂縫面環(huán)氧樹脂膜的形成可以阻礙外界有害物質(zhì)與混凝土直接接觸，進(jìn)一步提升了鋼筋混凝土抗外界有害物質(zhì)侵蝕的性能.同時(shí)應(yīng)該指出環(huán)氧樹脂是一種絕緣材料，由3.3的討論可知，修復(fù)后鋼筋混凝土的電阻得到一定幅度的提升，因此其抗雜散電流侵蝕性能相應(yīng)提高，體現(xiàn)了電泳沉積法在提升鋼筋混凝土耐久性方面的巨大潛力.

圖9 40 V電壓修復(fù)后試件的剖面形貌Fig.9 Specimen profile morphology after 40 V voltage repaired

修復(fù)電壓增加所帶來的環(huán)氧樹脂膜厚度增厚，并不意味著混凝土防水性能和抗碳化性能的提升.由以上研究結(jié)果可知，混凝土抗碳化性能的提升與沉積膜的厚度關(guān)系不大，這可能是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂沉積膜在小厚度條件下已經(jīng)具有足夠的封閉性，可以有效阻止外界二氧化碳與混凝土表層接觸.而修復(fù)后混凝土防水性能不僅與環(huán)氧樹脂沉積膜厚度有關(guān)，也與其沉積密度、深度和均勻度有關(guān).低電壓條件下，雖然環(huán)氧樹脂分子沉積速度減緩，但是其在試件裂縫面的堆積密度提升，覆蓋更加均勻（見圖3），同時(shí)在裂縫中的沉積深度加大（見表3）.當(dāng)電壓為40 V時(shí)，修復(fù)后試件擁有足夠的環(huán)氧樹脂沉積膜厚度、堆積密度和填充深度，因此其7 d最大吸水量最低.

4 結(jié)論

（1）電泳沉積修復(fù)電壓越高，銹脹開裂試件表面的裂縫愈合速度及環(huán)氧樹脂沉積速度越快，修復(fù)過程中各階段試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜的厚度越大，電阻越大.

（2）相較于未修復(fù)的銹脹開裂試件，電泳沉積修復(fù)后試件的防水性能顯著提升，吸水量明顯下降，甚至低于無損傷試件，在40 V電壓下修復(fù)后試件的7 d最大吸水量最低，僅為未修復(fù)試件的6.3%.

（3）電泳沉積修復(fù)后銹脹開裂試件的抗碳化性能明顯上升，40 V電壓下修復(fù)后試件的28 d加速碳化深度為0 mm，而修復(fù)電壓對(duì)試件修復(fù)后抗碳化性能影響并不大.

（4）環(huán)氧樹脂在試件裂縫中的沉積封堵可以阻礙水分及CO2氣體通過銹脹裂縫直接進(jìn)入混凝土內(nèi)部，修復(fù)后試件裂縫面環(huán)氧樹脂沉積膜的生成可以阻隔混凝土與外界有害介質(zhì)的直接接觸，因此電泳沉積修復(fù)后試件的防水和抗碳化能力顯著提升.