CN114292128B - 一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液及其制备方法，该溶液通过以下制备方法制备得到：取Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液混合，即得目的产物。与现有技术相比，本发明溶液用于电化学修复时能同时利用其中的阳离子(Al3+、Ca2+)和强酸根离子(SO4 2‑)进行沉积反应，化“有害”为“有利”，其中弱酸根离子(CH3COO‑)对混凝土没有侵蚀性，大大减小了电解质溶液对混凝土基体的腐蚀。同时，该电解质溶液所得沉积产物为水泥的主要水化产物之一钙矾石，与混凝土基体具有更好的界面相容性，能够进一步提升电沉积修复效果。
Description
技术领域
本发明属于混凝土裂缝修复技术领域，涉及一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液及其制备方法。
背景技术
电化学修复法是一种新兴的混凝土裂缝修复方法，主要利用钢筋混凝土自身的特征和水环境条件，能有效地实现混凝土裂缝自愈合，特别适用于传统修复方法难以奏效的水环境下的钢筋混凝土微裂缝的修复。
该技术最早运用于海工混凝土结构的修复，以海水为电解质溶液，以钢筋为阴极，外加辅助阳极，在阴阳极间施加微弱电流。在电场作用下，海水中阳离子(Mg2+，Ca2+等)向阴极迁移，并发生一系列的反应，最后混凝土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。近年来，该技术逐渐发展应用于陆基混凝土结构，通过配制电解质溶液(含合适的无机盐)，利用海工结构混凝土的修复原理，对陆基混凝土裂缝进行修复。其中，电解质溶液的设计和调控是电化学修复的关键。
国内外研究者尝试使用MgCl2、ZnSO4、Zn(COO)2、AgNO3、CuCl2、CuSO4、Ca(OH)2、NaHCO3、Mg(NO3)2、Mg(CH3COO)2等多种单一或符合的电解质溶液对混凝土裂缝进行电化学修复。研究普遍认为，锌和镁的强酸盐溶液(如ZnSO4、MgCl2、MgSO4等)能取得相对较好的修复效果。但现有电解质溶液只能利用其中的阳离子(Mg2+、Zn2+)与钢筋附近产生的OH-发生化学反应，阴离子并没有被消耗，主要为强酸根离子，往往对混凝土具有侵蚀性。同时，现有电解质溶液得到的产物(ZnO、Mg(OH)2)成分性能与水泥水化产物差异大，界面过渡区明显，修复效果不理想。([1]Sasaki H,Yokoda M.Repair method of marine reinforced concreteby electrodeposition technique[C].Proceedings of Annual Conference ofJCI.Kyoto:Japanese Concrete Institute,1992:849-854.[2]Otsuki N,Hisada M,RyuJ.S.Rehabilition of concrete cracks by electrodeposition[J].ConcreteInternational,1999,21(3):58-63.[3]Nishida T,Otsuki N,Saito A.Development ofimproved electrodeposition method for repair of reinforced concretestructures[C]//4th International Conference on the Durability of ConcreteStructures.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,2014:24-26.[4]Ryu J S,Otsuki N.Crack closure of reinforced concrete by electrodeposition technique[J].Cement and Concrete Research,2002,32(1):159-146.[5]Ryu J S.Anexperimental study on the repair of concrete crack byelectrochemicaltechnique[J].Materials and Structures,2001,34(241):433-437.)
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液及其制备方法，以克服现有技术中电解质溶液未被消耗的强酸根离子具有腐蚀性、沉积所得产物的成分性能与水泥水化产物差异大或修复效果较差等缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，该方法包括以下步骤：
取Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液混合，即得目的产物。
进一步的，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液的浓度为0.05～0.15mol/l。
进一步的，所述Al2(SO4)3·18H2O水溶液的浓度为0.025～0.075mol/l。
进一步的，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液的体积比为(3～5)：1。
本发明的技术方案之二提供了一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液，该溶液通过上述制备方法制备得到。
针对当前电化学修复法所用电解质溶液存在的不足，本发明结合电动学原理(电渗、电迁移等)，设计新的电解质溶液(硫酸铝-乙酸钙复合电解质溶液)，通过电化学修复法在混凝土裂缝中形成水泥的水化产物钙矾石以修复裂缝。对比现有电解质溶液，本发明溶液用于电化学修复时能同时利用其中的阳离子(Al3+、Ca2+)和强酸根离子(SO4 2-)进行沉积反应，化“有害”为“有利”，其中弱酸根离子(CH3COO-)对混凝土没有侵蚀性，大大减小了电解质溶液对混凝土基体的腐蚀。同时，该电解质溶液所得沉积产物为水泥的主要水化产物之一，与混凝土基体具有更好的界面相容性，能够进一步提升电沉积修复效果。
本发明溶液修复混凝土裂缝的机理：修复过程主要分为三个阶段：
第一阶段，在浓度梯度和电动作用(主要为电渗、电迁移)的综合作用下，本发明溶液中的阴阳离子(Al3+、Ca2+、SO4 2-)会通过裂缝进入混凝土内部，在电解作用下，钢筋附近电解产生OH-；
第二阶段，当裂缝内的离子达到钙矾石的饱和浓度时，Al3+、Ca2+、SO4 2-与钢筋附近或混凝土基体中的OH-发生结晶化学反应如下：
6Ca2++2Al(OH)4 -+3SO4 2-+4OH-+26H2O→Ca6[Al(OH)6]2·3SO4·26H2O(钙矾石)；
第三阶段，外部离子持续供给，化学反应持续进行，针棒状的钙矾石在混凝土表面持续生长，互相搭接形成网络结构，最终愈合裂缝。
本发明对Ca(CH3COO)2·H2O水溶液(A溶液)、Al2(SO4)3·18H2O水溶液(B溶液)的体积比进行了限定，限定原因是：当A溶液和B溶液体积比小于3：1时，得到的主要沉积产物主要是石膏和氢氧化铝而不是钙矾石，修复效果不佳；当A溶液和B溶液体积比大于5：1时，复合电解质溶液中的铝离子含量少，化学反应过程不能持续进行，最终产生的钙矾石少，从而延长修复周期，影响最终的修复效果。当A溶液和B溶液体积比在(3～5)：1范围内时，可以在较短时间达到较好的修复效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)现有电解质溶液主要电迁移作用使阳离子向钢筋迁移发生沉积反应，阴离子主要为强酸根离子，对混凝土基体具有侵蚀作用，本发明设计的电解质溶液可以同时将溶液中的阳离子和具有侵蚀性的强酸根离子用于电沉积反应，大大减小了溶液对混凝土的侵蚀性；
(2)现有的电解质溶液所得沉积产物主要为Mg(OH)2和ZnO，沉积产物成分、性能与混凝土基体差异大，本发明所设计的电解质溶液能在电场作用下在混凝土裂缝内部产生水泥的水化产物钙矾石，与混凝土基体具有更好的界面相容性，达到理想的修复效果；
(3)根据裂缝具体情况，通过调节浓度、铝钙比等工艺参数，可以改变沉积产物(钙矾石)的形貌及分布，进而对电沉积修复效果进行调整，达到理想的修复结果。
附图说明
图1为实施例1、实施例3、对比例1-2所得产品电沉积产物的XRD检测结果；
图2为实施例1所得产品的电沉积修复效果；
图3为实施例2所得产品的电沉积修复效果；
图4为实施例3所得产品的电沉积修复效果；
图5为对比例1所得产品的电沉积修复效果；
图6为对比例2所得产品的电沉积修复效果；
图7为硫酸镁溶液电沉积修复的结果图；
图8为对比例3单一A溶液的电沉积修复的结果图；
图9为对比例4单一B溶液的电沉积修复的结果图。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
实施例1：
用于电化学修复混凝土裂缝的溶液，该溶液为一种复合电解质溶液，由A、B两种溶液按一定比例混合制得，其中A溶液为0.1mol/l Ca(CH3COO)2·H2O水溶液，B溶液为0.05mol/l Al2(SO4)3·18H2O水溶液，用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法包括以下步骤：
(1)分别配制浓度为0.1mol/l的A溶液(Ca(CH3COO)2·H2O水溶液)和浓度为0.05mol/l的B溶液(Al2(SO4)3·18H2O水溶液)；
(2)将A、B溶液按体积比3：1混合，搅拌均匀即可得到产品。
实施例2：
用于电化学修复混凝土裂缝的溶液，该溶液为一种复合电解质溶液，由A、B两种溶液按一定比例混合制得，其中A溶液为0.1mol/l Ca(CH3COO)2·H2O水溶液，B溶液为0.05mol/l Al2(SO4)3·18H2O水溶液，用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法包括以下步骤：
(1)分别配制浓度为0.1mol/l的A溶液(Ca(CH3COO)2·H2O水溶液)和浓度为0.05mol/l的B溶液(Al2(SO4)3·18H2O水溶液)；
(2)将A、B溶液按体积比4：1混合，搅拌均匀即可得到产品。
实施例3：
用于电化学修复混凝土裂缝的溶液，该溶液为一种复合电解质溶液，由A、B两种溶液按一定比例混合制得，其中A溶液为0.1mol/l Ca(CH3COO)2·H2O水溶液，B溶液为0.05mol/l Al2(SO4)3·18H2O水溶液，用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法包括以下步骤：
(1)分别配制浓度为0.1mol/l的A溶液(Ca(CH3COO)2·H2O水溶液)和浓度为0.05mol/l的B溶液(Al2(SO4)3·18H2O水溶液)；
(2)将A、B溶液按体积比5：1混合，搅拌均匀即可得到产品。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将Ca(CH3COO)2·H2O水溶液的浓度改为0.05mol/l。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将Ca(CH3COO)2·H2O水溶液的浓度改为0.15mol/l。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将Al2(SO4)3·18H2O水溶液的浓度改为0.025mol/l。
实施例7：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将Al2(SO4)3·18H2O水溶液的浓度改为0.075mol/l。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，将A、B溶液的体积比改为1：1。
对比例2：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，将A、B溶液的体积比改为7：1。
对比例3：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，不加入B溶液，即单一A溶液。
对比例4：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，不加入A溶液，即单一B溶液。
在其他条件相同情况下，将实施例1-3、对比例3-4所得产品以及MgSO4溶液用于电化学修复混凝土裂缝。
对实施例1、3和对比例1、2所得沉积产物进行成分分析，图1为所得XRD图谱，结果表明Ca/Al(A、B溶液的体积比)会影响所得沉积产物成分，当Ca/Al＝1时，所得产物没有明显的钙矾石峰，当大于Ca/Al大于3时，可以得到理想的钙矾石产物。
如图4、图7所示，通电6d后，与MgSO4溶液处理组相比，实施例3所得产品处理后的混凝土修复效果更佳，沉积物更多。如图2、图8、图9所示，通电6d后，与实施例1所得产品处理组相比，单一A溶液、单一B溶液的修复效果较差，几乎没有沉积物生成。
如图2-4以及图5-6所示，通电6d后，与对比例1、2的产品处理组相比，实施例1-3的产品处理组电沉积产物较多，表明A溶液和B溶液体积比在(3～5)：1范围内时，可以获得较好的修复效果。
与MgSO4溶液处理组相比，通电6d后，使用实施例1中所得溶液处理的混凝土试件的裂缝断面填充率提升28.05％，渗透系数降低68％；使用实施例2中所得溶液处理的混凝土试件的裂缝断面填充率提升37.34％，渗透系数降低86％；使用实施例3中所得溶液处理的混凝土试件的裂缝断面填充率提升35.73％，渗透系数降低95％。渗透系数受到内部修复效果和表面修复效果综合影响。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液混合，即得目的产物；
所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液的浓度为0.05～0.15mol/l；
所述Al2(SO4)3·18H2O水溶液的浓度为0.025～0.075mol/l；
所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液的体积比为(3～5)：1。
2.根据权利要求1所述的一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液的浓度为0.1mol/l。
3.根据权利要求1所述的一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，所述Al2(SO4)3·18H2O水溶液的浓度为0.05mol/l。
4.根据权利要求1所述的一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液的体积比为3：1。
5.根据权利要求1所述的一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液的体积比为4：1。
6.根据权利要求1所述的一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液的制备方法，其特征在于，所述Ca(CH3COO)2·H2O水溶液、Al2(SO4)3·18H2O水溶液的体积比为5：1。
7.一种用于电化学修复混凝土裂缝的溶液，其特征在于，其采用如权利要求1-6任一所述的制备方法制备得到。
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