CN112982517B - 地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法，该系统包括三个用以产生弱电流的可调节直流电源、设置在待修复裂缝混凝土区域处的电解液承载装置、安装在电解液承载装置内作为阳极的外置附加电极、贯穿待修复裂缝混凝土区域的混凝土结构至迎水面土体的内置附加电极以及作为阴极的混凝土结构上的钢筋。与现有技术相比，本发明具有裂缝内部无损修复、适用于水环境修复、三电极体系、电解质溶液迁移调控方便、迎水面修复效率高、保证钢筋耐久性、能够实时监测调整等优点。

Description

地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法

技术领域

本发明涉及地下结构渗水裂缝修复领域，尤其是涉及一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法。

背景技术

地下结构在地下水、土压力、列车反复振动荷载(如地铁衬砌结构)、温度应力等内外环境作用下，将不可避免的产生裂缝，严重影响其健康服役性能，因此，开展地下结构混凝土裂缝修复已是当前研究的热点。

针对不同混凝土裂缝有不同的修复方法，如便于表层的微细裂缝可用表面处理法进行修复，对于较大的表层裂缝可用填充法进行，但这些方法无法对内部裂缝进行修复，对于渗透的地下结构裂缝，目前常采用灌浆法进行修复。然而，灌浆法常需要开孔，压浆等工艺，对结构本体损伤大，同时，修复后结构表面有色差等表观质量问题，而且，压浆过程容易造成溅浆至施工人员受伤，给施工安全带来隐患。

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，其裂缝修复过程无需开孔，对结构损伤小，同时，修复过程主要通过微弱电场诱导进行，对施工人员的安全性几乎不影响。

国际上，日本自20世纪80年代后期就开始进行利用电化学沉积方法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，具体如图3所示。

当前，关于电沉积法用于修复地下结构混凝土裂缝的研究还很少，中国专利201910754581.0公开了一种基于电沉积的地下结构渗漏裂缝现场修复装置及方法，该装置利用混凝土中的钢筋和外加阳极构成闭合回路，利用电沉积的方法修补混凝土结构的渗水裂缝，但是其对于地下结构迎水面裂缝修复效率不高。

发明内容

本发明针对当前地下结构渗透裂缝修复方法存在的不足，结合海洋环境下混凝土裂缝电沉积修复原理及现有的电沉积修复装置，提供一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，该系统包括三个用以产生弱电流的可调节直流电源、设置在待修复裂缝混凝土区域处的电解液承载装置、安装在电解液承载装置内作为阳极的外置附加电极、贯穿待修复裂缝混凝土区域的混凝土结构至迎水面土体的内置附加电极以及作为阴极的混凝土结构上的钢筋。

对于三个可调节直流电源，第一可调节直流电源分别与外置附加电极、内置附加电极以及单刀双掷开关通过导线构成第一闭合回路，第二可调节直流电源分别与钢筋、内置附加电极以及单刀双掷开关通过导线构成第二闭合回路，第三可调节直流电源分别与外置附加电极通过导线构成第三闭合回路，所述的单刀双掷开关用以实现第一闭合回路或第二闭合回路的导通与断开。

在第一闭合回路中，第一可调节直流电源的正极与外置附加电极连接，负极与单刀双掷开关的第一触点连接，所述的单刀双掷开关的第三触点与内置附加电极连接。

在第二闭合回路中，第二可调节直流电源的正极与单刀双掷开关的第二触点连接，负极与钢筋连接，所述的单刀双掷开关的第三触点与内置附加电极连接。

在第三闭合回路中，第三可调节直流电源的正极与外置附加电极连接，负极与钢筋连接。

所述的电解液承载装置采用承载电解液的外挂式容器或者电解质胶体，所述的外置附加电极采用钌铱钛材料制成，所述的内置附加电极为一根钛棒。

所述的电解液为用以产生钙盐和镁盐的复盐电解质溶液，具体为镁盐溶液、钙盐溶液和碳酸氢钠的混合溶液。

该系统还包括对电沉积修复过程中钢筋性能进行监测的参比电极。

一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极现场修复方法，包括以下步骤：

1)混凝土表面预处理，具体为：

现场获取裂缝位置，使用砂纸打磨待修复混凝土表面，并用高压水枪清洗裂缝；

2)以覆盖裂缝为基本要求确定修复区域；

3)内置附加电极钛棒的安装，具体为：

在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪确定主钢筋的位置，在主钢筋附近10cm的范围内，避开钢筋钻孔，将内置附加电极贯穿混凝土结构，直至迎水面土体，并在末端绑扎导线并固定，操作完成后，将钻孔处使用砂浆密封；

4)电沉积阴极的连接，具体为：

当裂缝周围存在外露钢筋时，经电联通测试后，直接作为阴极；当不存在外露钢筋时，则在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪探测获取最近一根横向主钢筋位置，钻孔后将电缆一端伸入钢筋后绑扎固定，操作完成后，将凿毛孔使用砂浆密封；

5)参比电极的安装，具体为：

若现场存在预埋参比电极，经检验没有损坏则直接使用，若不存在参比电极，则安装经过校验后的新参比电极，新参比电极的安装位置选择为极化电位较高处；

6)电解液承载装置与外置阳极安装，具体为：

电解液承载装置采用承载电解液的外挂式容器或电解质胶体，当采用亚克力盆作为外挂式容器时，在容器内置放外置附加电极后，使用玻璃胶预固定容器，并进行环氧密封处理，当采用电解质胶体时，直接将电解质胶体敷设在待修复裂缝混凝土区域处，并将外置附加电极固定；

7)电解质溶液配置，具体为：

该电解质溶液具体为用以产生沉淀的钙盐和镁盐复盐电解质溶液；

8)可调节直流电源的连接及通电方式，具体包括以下步骤：

81)使用标准电缆连接第一可调节直流电源、内置附加电极和外置附加电极，并对接头进行绝缘密封处理，构成第一闭合回路，此时，外置附加电极接到第一可调节直流电源的正极上作为阳极，内置附加电极接到第一可调节直流电源的负极上作为阴极，对第一闭合回路通电2-4h，使修复离子迁移到裂缝的迎水面；

82)再使用标准电缆连接第二可调节直流电源、钢筋和内置附加电极，构成第二闭合回路，此时，内置附加电极接到第二可调节直流电源的正极上作为阳极，钢筋接到第二可调节直流电源的负极上作为阴极，对第二闭合回路通电2-4h，使沉积物在迎水面处生长；

83)控制单刀双掷开关将第一闭合回路和第二闭合回路交替接入电路4-6次，直到沉积物填满裂缝结构的迎水面，电源电压均不超过36V；

84)使用标准电缆连接第三可调节直流电源、钢筋和外置附加电极，并对接头进行绝缘密封处理，构成第三闭合回路，对第三闭合回路通电1-2天，直到沉积物裂缝表面被沉积物覆盖，完成修复。

所述的步骤1)中，根据工程需要，使用读数显微镜、刻度尺记录渗透裂缝长度和宽度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将电化学沉积方法用于地下结构混凝土裂缝修复，相较于传统修复方法，该方法可实现渗漏裂缝内部的无损修复。

(2)地下水裂缝通道成为电沉积反应的主要场所，变不利为有利，解决传统修复方法在水环境下修复的局限性。

(3)构造三电极体系，先将附加电极作为阴极，使修复离子能够迁移到结构的迎水面，再将附加电极作为阳极，钢筋作为阴极，使附加电极交替作为阴阳极，提高迎水面处的修复离子的浓度，更好地实现迎水面裂缝的修复；

(4)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。

(5)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。

(6)电沉积修复全程使用参比电极对钢筋电位进行实时监测，对钢筋腐蚀与氢脆效应起到监控预警作用。

附图说明

图1为地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统正面示意图。

图2为地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统剖面示意图。

图3为电化学沉积法修复水工结构示意图。

图中标记说明：

11、第一可调节直流电源，12、第二可调节直流电源，13、第三可调节直流电源，2、电解液承载装置，3、导线，4、带裂缝损伤地下结构，5、参比电极，6、外置附加电极，7、内置附加电极，8、复盐电解质溶液，9、钢筋。

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

本发明结合电化学沉积修复原理和现有装置，提出了一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统与修复方法，有效提升了地下结构渗水裂缝迎水面的修复效率，为解决地下结构渗透裂缝修复问题提供更有效的手段。

如图1所示，该三电极系统由3个可调节直流电源(11、12、13)、电解液承载装置2、导线3，带裂缝损伤地下结构4、参比电极5、外置附加电极6、内置附加电极7、复盐电解质溶液8和钢筋9组成。各组成部分的功能和相互连接关系如表1所示。

表1装置各组成部分及功能说明

应用该装置进行地下结构渗水裂缝电沉积现场修复的步骤如下：

1、现场修复前处理

步骤一：混凝土表面预处理

现场考察裂缝位置，使用砂纸打磨待修复混凝土表面，并用高压水枪清洗裂缝。根据工程需要，可使用读数显微镜、刻度尺记录渗透裂缝长度，宽度。

步骤二：修复区域的确定

以覆盖裂缝为基本要求，可以根据现场需要适当放大区域，以便修复装置安装。

步骤三：内置附加电极钛棒的安装

在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪确定主钢筋的位置，在主钢筋附近10cm的范围内，避开钢筋钻孔，将附加电极钛棒贯穿混凝土结构，直至迎水面土体，并在末端绑扎导线并固定，操作完成后，及时将钻孔处使用砂浆密封。

步骤四：电沉积阴极的连接

如裂缝周边有外露钢筋，经电联通测试后，可以直接为阴极；如无外露钢筋，可在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪探测最近一根横向主钢筋位置，钻孔后将电缆一端伸入钢筋，绑扎固定，操作完成后，及时将凿毛孔使用砂浆密封。

步骤五：参比电极的安装

如果现场有预埋参比电极，经检验没有损坏可以直接使用。如果没有，那么新的参比电极要经过校验后才可以进行安装，安装位置可以选极化电位较高处。

步骤六：电解液承载装置与外置阳极安装

电解液承载装置采用承载电解液的外挂式容器或电解质胶体，当采用亚克力盆作为外挂式容器时，在容器内置放外置附加电极后，本例中采用钌铱钛板阳极，使用玻璃胶预固定容器，并进行环氧密封处理，当采用电解质胶体时，直接将电解质胶体敷设在待修复裂缝混凝土区域处，并将外置附加电极固定。

步骤七：电解质溶液配置

借鉴海水中离子分布，通过复盐电解质溶液进行修复，借鉴海水中离子分布，通过复盐电解质溶液进行修复，所述的复盐电解质溶液为镁盐溶液、钙盐溶液和碳酸氢钠的混合溶液，例如，可以是醋酸镁、醋酸钙和碳酸氢钠的混合溶液。镁盐溶液和钙盐溶液的浓度比范围为1至10，钙盐溶液浓度在(0.01-0.1)mol/L，这里指混合前的钙盐溶液浓度。

步骤八：电源的连接及通电方式

使用标准电缆连接电源、内置附加电极和外置阳极板，并对接头进行绝缘密封处理，构成第一闭合回路，此时，外置阳极板接到直流电源正极上作为阳极，内置附加电极接到直流电源负极上作为阴极，对该闭合回路通电2-4h，使修复离子迁移到裂缝的迎水面；再使用标准电缆连接电源、钢筋和内置附加电极钛棒，构成第二闭合回路，此时，内置附加电极接到直流电源正极上作为阳极，钢筋接到直流电源负极上作为阴极，对该闭合回路通电2-4h，使沉积物在迎水面处生长；按照上述方式使第一闭合回路和第二闭合回路交替接入电路4-6次，直到沉积物填满裂缝结构的迎水面。以上通电过程中，电源电压均不超过36V，本发明之所以采用了交替通电的方式，原因在于，由于在渗水条件下，在迎水面的阳离子往往随着修复的进行浓度会下降，为使迎水面的修复离子不断得到补充，需要采用交替通电方式将修复离子送至迎水一侧，保持迎水面的离子浓度。

再使用标准电缆连接电源、钢筋和外置阳极板，并对接头进行绝缘密封处理，构成第三闭合回路，对该闭合回路通电1-2天，直到沉积物裂缝表面被沉积物覆盖。

2、现场修复过程监控和效果评价

第一、在电化学沉积修复前，先使用电压设计值20％进行通电处理，确定各部分组件正常运行，同时通过参比电极记录对应极化电位。

第二、正常通电工作下，参比电极电位由机器记录。每三天需储存一次数据，重新记录。对于硫酸铜电极，电位若低于-1100mV，应及时断电，以防止产生氢脆效应。之后下调电压，继续沉积。

第三、通电时间以裂缝被沉积物覆盖为准。

本发明与现有的灌浆修复方法对比，无需对地下结构进行开孔或者开槽处理，减少了当前地下结构裂缝修复对结构的损伤；与表面处理技术相比，本发明是利用离子迁移和沉积反应实现裂缝修复，能够实现微细裂缝的内部修复；对比现有的电沉积修复裂缝装置，本发明能够有效使迎水面的修复离子浓度提高，达到更好的防渗堵漏效果。

Claims (5)

1.一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，其特征在于，该系统包括三个用以产生弱电流的可调节直流电源、设置在待修复裂缝混凝土区域处的电解液承载装置(2)、安装在电解液承载装置(2)内作为阳极的外置附加电极(6)、贯穿待修复裂缝混凝土区域的混凝土结构至迎水面土体的内置附加电极(7)以及作为阴极的混凝土结构上的钢筋(9)，对于三个可调节直流电源，第一可调节直流电源(11)分别与外置附加电极(6)、内置附加电极(7)以及单刀双掷开关通过导线(3)构成第一闭合回路，第二可调节直流电源(12)分别与钢筋(9)、内置附加电极(7)以及单刀双掷开关通过导线(3)构成第二闭合回路，第三可调节直流电源(13)分别与钢筋(9)、外置附加电极(6)通过导线(3)构成第三闭合回路，所述的单刀双掷开关用以实现第一闭合回路或第二闭合回路的导通与断开，在第一闭合回路中，第一可调节直流电源(11)的正极与外置附加电极(6)连接，负极与单刀双掷开关的第一触点(a)连接，所述的单刀双掷开关的第三触点(c)与内置附加电极(7)连接，在第二闭合回路中，第二可调节直流电源(12)的正极与单刀双掷开关的第二触点(b)连接，负极与钢筋(9)连接，所述的单刀双掷开关的第三触点(c)与内置附加电极(7)连接，在第三闭合回路中，第三可调节直流电源(13)的正极与外置附加电极(6)连接，负极与钢筋(9)连接；

应用地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统的现场修复方法，包括以下步骤：

1)混凝土表面预处理，具体为：

现场获取裂缝位置，使用砂纸打磨待修复混凝土表面，并用高压水枪清洗裂缝；

2)以覆盖裂缝为基本要求确定修复区域；

3)内置附加电极钛棒的安装，具体为：

在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪确定主钢筋的位置，在主钢筋附近10cm的范围内，避开钢筋钻孔，将内置附加电极贯穿混凝土结构，直至迎水面土体，并在末端绑扎导线并固定，操作完成后，将钻孔处使用砂浆密封；

4)电沉积阴极的连接，具体为：

当裂缝周围存在外露钢筋时，经电联通测试后，直接作为阴极；当不存在外露钢筋时，则在待修复裂缝混凝土区域，使用钢筋探测仪探测获取最近一根横向主钢筋位置，钻孔后将电缆一端伸入钢筋后绑扎固定，操作完成后，将凿毛孔使用砂浆密封；

5)参比电极的安装，具体为：

若现场存在预埋参比电极，经检验没有损坏则直接使用，若不存在参比电极，则安装经过校验后的新参比电极，新参比电极的安装位置选择为极化电位较高处；

6)电解液承载装置与外置附加电极安装，具体为：

电解液承载装置采用承载电解液的外挂式容器或电解质胶体，当采用亚克力盆作为外挂式容器时，在容器内置放外置附加电极后，使用玻璃胶预固定容器，并进行环氧密封处理，当采用电解质胶体时，直接将电解质胶体敷设在待修复裂缝混凝土区域处，并将外置附加电极固定；

7)电解质溶液配置，具体为：

该电解质溶液具体为用以产生沉淀的钙盐和镁盐复盐电解质溶液；

8)可调节直流电源的连接及通电方式，具体包括以下步骤：

81)使用标准电缆连接第一可调节直流电源、内置附加电极和外置附加电极，并对接头进行绝缘密封处理，构成第一闭合回路，此时，外置附加电极接到第一可调节直流电源的正极上作为阳极，内置附加电极接到第一可调节直流电源的负极上作为阴极，对第一闭合回路通电2-4h，使修复离子迁移到裂缝的迎水面；

82)再使用标准电缆连接第二可调节直流电源、钢筋和内置附加电极，构成第二闭合回路，此时，内置附加电极接到第二可调节直流电源的正极上作为阳极，钢筋接到第二可调节直流电源的负极上作为阴极，对第二闭合回路通电2-4h，使沉积物在迎水面处生长；

83)控制单刀双掷开关将第一闭合回路和第二闭合回路交替接入电路4-6次，直到沉积物填满裂缝结构的迎水面，电源电压均不超过36V；

84)使用标准电缆连接第三可调节直流电源、钢筋和外置附加电极，并对接头进行绝缘密封处理，构成第三闭合回路，对第三闭合回路通电1-2天，直到裂缝表面被沉积物覆盖，完成修复。

2.根据权利要求1所述的一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，其特征在于，所述的电解液承载装置(2)采用承载电解液的外挂式容器或者电解质胶体，所述的外置附加电极(6)采用钌铱钛材料制成，所述的内置附加电极(7)为一根钛棒。

3.根据权利要求2所述的一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，其特征在于，所述的电解液为用以产生钙盐和镁盐的复盐电解质溶液，具体为镁盐溶液、钙盐溶液和碳酸氢钠的混合溶液。

4.根据权利要求1所述的一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，其特征在于，该系统还包括对电沉积修复过程中钢筋性能进行监测的参比电极(5)。

5.根据权利要求1所述的一种地下结构渗水裂缝电沉积修复的三电极系统，其特征在于，所述的步骤1)中，根据工程需要，使用读数显微镜和刻度尺记录渗透裂缝长度和宽度。

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