CN111254994A - 一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置，包括上下设置的电解液储液槽和地下水储液槽，两者之间放置有已产生平面裂缝的混凝土试件，混凝土试件上部与电解液储液槽之间填充有循环供给的电解修复液，其下部与地下水储液槽之间填充有原状地下水，地下水储液槽上安装有第一进水阀和第一出水阀，地下水储液槽还通过第一气阀与第一气泵连接，电解液储液槽内安装有阳极片，混凝土试件内置有钢筋，以作为阴极。与现有技术相比，本发明能够真实模拟混凝土地下结构平面裂缝的非对称工况及水土压力，并通过循环供给电解修复液以及对电解修复液加压，既能避免混凝土试件受损，同时提高电沉积修复深度及效率。

Description

一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置

技术领域

本发明涉及混凝土地下结构裂缝修复技术领域，尤其是涉及一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置。

背景技术

据统计，欧洲50％的建设预算费用是用于钢筋混凝土结构的修复与维护；美国每年约花费83亿美元修复腐蚀的钢筋混凝土结构；日本引以为傲的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象；我国现有房屋已有50％进入老化阶段；南方地区使用7-25年的混凝土港口设施中，有89％发生了钢筋锈蚀破坏。

和地上结构不同的是，地下结构受到岩土体和地下水等复杂地下环境作用，更加难以保持良好的健康服役状态。而且，地下结构是不可拆除或不可逆结构，像地铁区间隧道、大型越江公路隧道，尽管设计使用寿命期限达到100年以上，但投入运营后，由于车辆运行密度极高、使用条件苛刻，地下结构自身在多因素长期作用下，其性能将不断劣化，一旦发生损坏，则无法进行更换。因此，为维持或者提高地下结构的健康服役性能，需要对地下结构混凝土修复进行深入研究。

电化学沉积方法是一种新兴的适用于水环境下混凝土裂缝修复手段，应用到地下混凝土裂缝修复中，可对基体微扰动的同时，实现对混凝土的修复。电化学沉积方法最先应用于修复海工混凝土结构的研究，以带裂缝的海工混凝土结构中的钢筋为阴极，同时在海水中放置难溶性阳极，两者之间施加弱电流，在电位差的作用下正负离子分别向两极移动，并发生一系列的反应，最后在海工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有害物质侵蚀混凝土。

电沉积法的推广应用可大大降低海工、水工混凝土结构裂缝修复成本，从根本上解决水环境下钢筋混凝土裂缝修复的技术难题。从电沉积法的修复原理上来说，这种方法不仅仅可以用于修复海上混凝土结构，也可以应用到陆基混凝土地下结构裂缝的修复上。尽管目前混凝土电化学沉积修复试验较多，但是，大多采用完全浸泡方式进行模拟修复，未考虑地下结构的非对称工况，当产生地下结构平面裂缝时，无法真实模拟地下结构平面位于水土中的部分，不利于揭示地下结构平面裂缝非对称修复的规律，此外，现有的电沉积模拟修复方式通常将混凝土基体试件长期浸泡在酸性的电解质溶液中，不仅容易损坏混凝土基体试件，同时也无法保证电沉积修复深度和修复效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置，包括地下水储液槽，所述地下水储液槽的上方设置有电解液储液槽，所述电解液储液槽与地下水储液槽之间放置有已产生平面裂缝的混凝土试件，所述混凝土试件上部与电解液储液槽之间填充有循环供给的电解修复液，所述混凝土试件下部与地下水储液槽之间填充有原状地下水，所述地下水储液槽上安装有用于流入原状地下水的第一进水阀和用于流出原状地下水的第一出水阀，所述第一进水阀安装在地下水储液槽的侧壁，所述第一出水阀安装在地下水储液槽的底部，所述地下水储液槽还通过第一气阀与第一气泵连接，以对原状地下水加压，真实模拟实际水土压力，所述第一气阀安装在地下水储液槽的底部，所述电解液储液槽内安装有通过导线与外部电源正极连接的阳极片，所述混凝土试件内置有钢筋，以作为阴极，并通过导线与外部电源负极连接。

进一步地，所述电解液储液槽上安装有用于电解修复液循环流入流出的第二进水阀和第二出水阀，所述第二进水阀与第二出水阀之间通过循环水管连接有水泵，以提供电解修复液的循环动力。

进一步地，所述第二进水阀安装在电解液储液槽的底部，所述第二出水阀安装在电解液储液槽的侧壁。

进一步地，所述电解液储液槽通过第二气阀与第二气泵连接，以对电解修复液加压。

进一步地，所述第二气阀安装在电解液储液槽的底部。

进一步地，所述电解液储液槽与地下水储液槽之间设有密封胶。

进一步地，所述电解液储液槽侧壁之间设有卡持部，以定位卡紧混凝土试件，并防止电解液储液槽中的电解修复液流入地下水储液槽。

进一步地，所述混凝土试件开设有多个用于埋设参比电极的孔，所述参比电极与外部的电位监测仪连接，以记录电沉积过程中的钢筋电位。

进一步地，所述外部电源为电流可调节电源。

进一步地，所述地下水储液槽外底部安装有用于产生支撑作用的支架。

与现有技术相比，本发明基于电化学沉积原理，通过上下设置的电解液储液槽和地下水储液槽，能够真实模拟混凝土地下结构平面裂缝的非对称性工况，具有以下优点：

一、本发明在电解液储液槽和地下水储液槽之间设置密封胶，并利用电解液储液槽的卡持部将混凝土试件定位卡紧，能够有效隔离电解修复液与原状地下水，保证混凝土试件的上部只接触到电解修复液、混凝土试件的下部只接触到原状地下水，提高整个装置的模拟真实性。

二、本发明利用水泵使电解修复液能够循环供给，在保证电解修复液提供足够沉积阳离子的同时，有效避免了混凝土试件长期浸泡在电解修复液中，减少了电解修复液酸化效应对混凝土试件产生的损害。

三、本发明利用气泵分别对原状地下水、电解修复液施加压力，一方面能够真实模拟水土压力，另一方面通过电解修复液加压，能够提高电沉积修复深度及修复效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记说明：1、混凝土试件，2、钢筋，3、平面裂缝，4、第一进水阀，5、支架，6、第一气阀，7、第一气泵，8、第一出水阀，9、地下水储液槽，10、原状地下水，11、孔，12、密封胶，13、电解液储液槽，14、电位监测仪，15、电解修复液，16、第二气泵，17、第二气阀，18、电源，19、导线，20、阳极片，21、第二进水阀，22、水泵，23、循环水管24、第二出水阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于电沉积的地下结构平面裂缝修复模拟装置，包括位于地下水储液槽9上方的电解液储液槽13，地下水储液槽9与电解液储液槽13之间放置有混凝土试件1，混凝土试件1上产生了平面裂缝3，混凝土试件1内安装有钢筋2，以作为电沉积修复阴极，电解液储液槽13的底部安装有通过导线19与外部电源18正极连接的阳极片20，外部电源18的负极则通过导线19与钢筋2连接，电源18的电流大小可调节，混凝土试件1的上部与电解液储液槽13之间填充有电解修复液15，混凝试件1的下部与地下水储液槽9之间填充有原状地下水10，以真实模拟混凝土地下结构的非对称工况，此外，电解液储液槽13与地下水储液槽9之间设置有密封胶12，电解液储液槽13的槽壁上设有用于定位卡紧混凝土试件1的卡持部，以此保证上方的电解修复液15不会流入下方的地下水储液槽9中；

为真实模拟地下水的水土压力，本发明的地下水储液槽9底部通过第一气阀6与外部的第一气泵7连接，以对原状地下水10加压，地下水储液槽9的侧壁和底部分别安装有第一进水阀4和第一出水阀8，以更换地下水储液槽9中的原状地下水10；

为避免混凝土试件1长期浸泡在电解修复液15中，本发明在电解液储液槽13的底部与侧壁分别安装第二进水阀21和第二出水阀24，且第二进水阀21与第二出水阀24之间通过外部循环水管23连接有水泵22，由水泵22提供动力，使电解液储液槽13中的电解修复液15能够循环供给；

为提高电沉积修复深度与修复效率，本发明的电解液储液槽13底部通过第二气阀17与外部的第二气泵16连接，以对电解修复液15加压；

此外，本发明在混凝土试件1上开设有多个用于埋设参比电极的孔11，参比电极与外部的电位监测仪14相连接，以记录电沉积修复过程中钢筋电位数据，从而监测修复过程中钢筋2是否正常工作，在地下水储液槽9的外底部安装有用于支撑整个装置的支架5。

本实施例中，上述各组成部分的功能说明如表1所示：

表1

本发明提出的修复模拟装置对于研究电沉积修复地下混凝土平面裂缝修复，将具有重要意义：

本装置极大程度还原了地下结构平面裂缝所处环境：采用的混凝土与钢筋均使用地下结构中常用基材。对于损伤混凝土基体采用单面浸泡于地下原状水，还原现场水环境的盐碱度与化学成分。对浸泡的原状水采取气泵加压的方式，还原地下结构中水土压力对混凝土裂缝的影响。

本装置实现了电沉积法对地下结构混凝土平面裂缝修复。通过将电源连接钢筋、外置阳极，并单面浸泡电解质溶液，实现对混凝土裂缝的电沉积修复。修复过程操作简单，实验现象观察记录简单。

本装置可操控性强。根据修复环境的不同，可以调整电化学沉积修复溶液的类型和电流密度等，对电沉积修复效果进行调控，以达到理想的修复结果。根据直流电流读数变化规律，判断电化学沉积修复时间。

本装置采用电沉积法对地下结构混凝土平面裂缝修复，可解决传统修复方法在水环境下修复的局限性。电流使混凝土内部有害离子迁移与电解质重离子反应沉淀，减少有害离子对钢筋的侵蚀，保证钢筋的耐久性。相较于传统修复方法，电化学沉积修复具有操作便捷、修复裂缝覆盖面广、修复完整性强、沉积力学性能好等特点。

本装置实现了对电化学沉积钢筋电位的实时监测。由于参比电极的电位稳定性，通过电位监测仪可监控修复过程的钢筋电位，这有利于对电沉积修复法对钢筋性能研究提供数据与理论支撑。

本装置实现了在电沉积修复过程中电解质溶液的循环供给，保证电解修复液提供足够沉积阳离子的同时，也避免了长期浸泡电解质溶液对混凝土基体的损害，有利于研究电解修复液循环速度对电沉积修复效果的影响。

本装置通过对电解修复液采取气泵加压的方式，以提高电沉积修复深度与修复效率，有利于研究气压对电沉积修复效果的影响。

本发明还原了地下结构所处的复杂环境、特殊的边界条件以及多种侵蚀因素，开展地下结构混凝土电化学沉积修复平面裂缝，有利于揭示地下结构电化学沉积修复的机理，开展室内模拟修复实验，则有利于推进电化学沉积修复法应用于地下结构混凝土的研究，为今后实际的现场工程打下坚实的基础。

通过该装置，能够实现实验室对地下结构现场的原状模拟，保证电化学沉积在地下结构应用的可实施性与有效性，加速电化学沉积法在地下结构平面裂缝修复的研究，为电化学沉积早日投入地下工程施工产业化裂缝修复施工提供源助力。

Claims (10)

1.一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，包括地下水储液槽，所述地下水储液槽的上方设置有电解液储液槽(13)，所述电解液储液槽(13)与地下水储液槽之间放置有已产生平面裂缝(3)的混凝土试件(1)，所述混凝土试件(1)上部与电解液储液槽(13)之间填充有循环供给的电解修复液(15)，所述混凝土试件(1)下部与地下水储液槽之间填充有原状地下水(10)，所述地下水储液槽上安装有用于流入原状地下水(10)的第一进水阀(4)和用于流出原状地下水(10)的第一出水阀(8)，所述第一进水阀(4)安装在地下水储液槽的侧壁，所述第一出水阀(8)安装在地下水储液槽的底部，所述地下水储液槽还通过第一气阀(6)与第一气泵(7)连接，以对原状地下水(10)加压，真实模拟实际水土压力，所述第一气阀(6)安装在地下水储液槽的底部，所述电解液储液槽(13)内安装有通过导线(19)与外部电源(18)正极连接的阳极片(20)，所述混凝土试件(1)内置有钢筋(2)，以作为阴极，并通过导线(19)与外部电源(18)负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述电解液储液槽(13)上安装有用于电解修复液(15)循环流入流出的第二进水阀(21)和第二出水阀(24)，所述第二进水阀(21)与第二出水阀(24)之间通过循环水管(23)连接有水泵(22)，以提供电解修复液(15)的循环动力。

3.根据权利要求2所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述第二进水阀(21)安装在电解液储液槽(13)的底部，所述第二出水阀(24)安装在电解液储液槽(13)的侧壁。

4.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述电解液储液槽(13)通过第二气阀(17)与第二气泵(16)连接，以对电解修复液(15)加压。

5.根据权利要求4所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述第二气阀(17)安装在电解液储液槽(13)的底部。

6.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述电解液储液槽(13)与地下水储液槽之间设有密封胶(12)。

7.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述电解液储液槽(13)侧壁之间设有卡持部，以定位卡紧混凝土试件(1)，并防止电解液储液槽(13)中的电解修复液(15)流入地下水储液槽。

8.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述混凝土试件(1)开设有多个用于埋设参比电极的孔(11)，所述参比电极与外部的电位监测仪(14)连接，以记录电沉积过程中的钢筋(2)电位。

9.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述外部电源(18)为电流可调节电源(18)。

10.根据权利要求1所述的一种基于电沉积的地下结构平面裂缝(3)修复模拟装置，其特征在于，所述地下水储液槽外底部安装有用于产生支撑作用的支架(5)。

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