專利名稱：修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫用的電化學(xué)沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬建筑結(jié)構(gòu)、海工、水工結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置。
背景技術(shù)：
混凝土因其脆性大的弱點，在使用過程中往往不可避免開裂?；炷亮芽p的產(chǎn)生的主要因為變形(包括因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因)和外荷載(動、靜荷載)直接應(yīng)力。諸多文獻研究了不同使用環(huán)境下的混凝土裂縫的修復(fù)方法，探討了修復(fù)形成條件與動因、修復(fù)過程，并提出了許多適用于各類環(huán)境條件下混凝土裂縫修復(fù)方法，如加固修補、錨固、材料、粘結(jié)、澆注以及陰極保護等方法，這些裂縫修復(fù)方法對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性起到舉足輕重的作用。然而，這些方法對水環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)仍存在很大的局限性。傳統(tǒng)的修補方法是很不經(jīng)濟的，在許多情況下甚至是無效的。目前，對海工、水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復(fù)還沒有比較經(jīng)濟、實用的方法。
電化學(xué)沉積技術(shù)是廣泛應(yīng)用在化工、微電子、陶瓷、新材料等產(chǎn)業(yè)的比較成熟的技術(shù)[1，2]。將電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用在鋼筋混凝土的修復(fù)主要集中在電化學(xué)除氯與再堿化等方面[3，4]，還未見到利用電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的報道。
國外，將電化學(xué)沉積技術(shù)應(yīng)用到混凝土裂縫修復(fù)領(lǐng)域的研究很少。僅日本學(xué)者[5]對海上混凝土結(jié)構(gòu)進行了初步的嘗試與宏觀研究，認為，施加一定電流，利用電化學(xué)沉積作用可使鋼筋結(jié)構(gòu)的裂縫封閉起來。Wolg Hilbertz[6]也利用海水中礦物進行了電化學(xué)加積方法修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)方面的研究。直到最近，國內(nèi)還沒有見到采用電化學(xué)沉積新方法修復(fù)鋼筋混凝土裂縫的報道與成果。
汪浩，朱鶴孫，制備類金剛石薄膜的電化學(xué)沉積方法及其裝置，中國專利，專利號CN1205367A. 付強，朱鶴孫等，制備硬質(zhì)薄膜的電化學(xué)沉積方法，中國專利，專利號CN12056327A. 邱富榮，石小燕等，鋼筋混凝土構(gòu)筑物電化學(xué)保護的新進展，腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，12(5)，2000，303-307. 朱雅仙，碳化混凝土再堿化技術(shù)的研究，水運工程，2001，12-16. Jae-Suk Ryu and Nobuaki Otsuki，Crack closure of reinforced concrete byelectrodeposition technique[J]，Cement and Concrete Research，2002，32，159-164. Wolf Hilbertz，Mineral accretion of large surface structure，building components andelements，U.S.Patent，No.4246075，1981.

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提出一種采用電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置，以便利用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)特性與環(huán)境條件，將電化學(xué)沉積技術(shù)應(yīng)用到海工等混凝土裂縫修復(fù)中，解決水環(huán)境中混凝土裂縫修復(fù)這一難題。
本實用新型設(shè)計的電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置，由陽極板、陰極、可調(diào)電源、電壓表、電流表和電纜連接線組成，其中，陰極采用待修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，陽極采用石墨板或鈦網(wǎng)，放置在待修復(fù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)旁邊；可調(diào)電源的正極通過電纜線依次與電流表A、電壓表V、陽極連接，負極與陰極連接，即得所需的電化學(xué)沉積法修復(fù)裝置。
本實用新型中，陽極板面積大小可根據(jù)需修復(fù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面積大小選定，一般需修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)表面積與所用陽極板面積比為1∶0.05-1∶0.5?？烧{(diào)電源的電壓可調(diào)范圍為1-5000伏，電流密度可調(diào)范圍為1-5000mA/m2。
本修復(fù)裝置使用時，將混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋作為陰極，將石墨板或鈦網(wǎng)的陽極放置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的附近，并將鋼筋混凝土浸在含有各類礦物化合物(或加入ZnSO4、Mg(NO3)2或Ca(NO3)2等礦物質(zhì))電解質(zhì)的水溶液或海水中。調(diào)整直流電源電壓，來控制所需的電流密度。
電解沉積過程中的電極反應(yīng)的理論模型圖與電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的試驗裝置示意圖分別見圖1和圖2。通過電解沉積作用，在混凝土表面、裂縫中生長、沉積一層化合物，如ZnO、CaCO3和Mg(OH)2等化合物來填充、密實混凝土的裂縫，封閉混凝土的表面，以降低混凝土的滲透性。這些無機化合物的膜層不僅提供了一種物理上的保護層，而且也有效地降低了混凝土內(nèi)部的氣液介質(zhì)的遷移。
本實用新型裝置的優(yōu)點主要有適合鋼筋混凝土柱、樁或其他類似的支柱結(jié)構(gòu)，尤其當這些混凝土結(jié)構(gòu)位于海水或水中。可以進行現(xiàn)場工程修復(fù)工作。修復(fù)成本低、方法簡單、修復(fù)效果好、可靠?？蛇m合于陸基鋼筋混凝土裂縫的修復(fù)，也適合于實驗室試驗。


圖1電解沉積過程中的電極反應(yīng)的理論模型。
圖2電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的試驗裝置示意圖。
圖3受損鋼筋混凝土樁圖示，其中圖3(a)為立面圖，圖3(b)為剖面圖。
圖4電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土樁結(jié)構(gòu)裂縫的裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖中標號1為混凝土構(gòu)件，2為裂縫，3為鋼筋，4為電纜線，5為陰極，6為可調(diào)電源，7為電壓表，8為電流表。
具體實施方式
下面以修復(fù)混凝土樁結(jié)構(gòu)的為例，進一步具體說明電化學(xué)沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置。
參照圖3，分別給出的鋼筋混凝土長樁的立面與剖面圖?；炷两Y(jié)構(gòu)包括圓柱體狀的混凝土與埋在其中的鋼筋?；炷两Y(jié)構(gòu)體受損、破壞，有許多裂縫、裂紋與孔洞。在某些區(qū)域，裂縫深度深入混凝土內(nèi)部，使得鋼筋暴露，但修復(fù)過程不一定需要這么深度。
所修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)放置在電解質(zhì)的溶液中，電解質(zhì)可以是海水中礦物質(zhì)或在水中添加ZnSO4、Mg(NO3)2或Ca(NO3)2等電解質(zhì)，電解質(zhì)濃度一定。在混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋與陽極材料之間施加一定的直流電，通過電解沉積作用使得混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、裂紋與孔洞等均被高強度的電化學(xué)沉積的礦物材料填充、密實，這些材料粘結(jié)裂縫的兩邊，并強化結(jié)構(gòu)。
將混凝土樁中的鋼筋作為電解回路的陰極，用多股電線連接起來，電線與鋼筋的連接可以錫焊或電焊，以增強與鋼筋的電路連接。連接處采用絕緣材料(如硅酮或環(huán)氧)進行密封隔離。連接在直流電源的負極。
陽極材料采用石墨或鈦網(wǎng)。將一個或多個陽極材料放置在受損混凝土結(jié)構(gòu)附近的電解質(zhì)中。陽極的大小取決于所修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)的大小及狀況。陽極連接在直流電源的正極。
直流電源電壓的大小根據(jù)所修復(fù)的結(jié)構(gòu)大小所確定的。在陰極與陽極之間建立一定的電流，電解沉積作用使得高強度的電解沉積物質(zhì)逐漸、填充在混凝土裂縫、空隙中。對于圖4所示長10m、直徑0.5m混凝土結(jié)構(gòu)樁，合適的陽極大小應(yīng)是1000平方厘米。直流電源輸出功率至少應(yīng)達到1000瓦特。為修復(fù)所給大小的混凝土結(jié)構(gòu)，要求具有500伏直流電壓，輸出的電流密度控制在1-500mA/m2。電源可以采用蓄電池電源、發(fā)電機等。
電解沉積的礦物晶體力學(xué)性能，如抗壓強度達到37.0-55.0MPa，比普通混凝土的強度還要高。沉積材料的強度與混凝土裂縫的愈合效果受沉積的速率的影響。高電流密度下的快速沉積會形成低強度的材料，低電流密度下的慢沉積會形成高強度的材料，沉積材料的強度在1-80MPa之間。合適的電流密度應(yīng)在1-500mA/m2，電極之間的電場電壓可達到1-500伏，取決于修復(fù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大小與受損情況。
本實用新型所提供的電化學(xué)沉積修復(fù)受損混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置可應(yīng)用在很多環(huán)境惡劣的修補工程。它特別適合于修復(fù)海工、水工等修補工程。本實用新型也適合于陸基鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫的修復(fù)。
應(yīng)用實例1直徑為0.5m、長10m的水下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱子，陽極選用石墨板或鈦網(wǎng)，電流密度控制在100mA/m2，在混凝土柱附近添加Mg(NO3)2電解質(zhì)，進行電化學(xué)沉積愈合。
應(yīng)用實例2直徑為0.5m、長5m的陸地上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱子，首先在混凝土柱子外周圍采用塑料模板進行密封，然后在其內(nèi)部加入0.5mol/l濃度的Mg(NO3)2電解質(zhì)溶液。陽極選用石墨板或鈦網(wǎng)，電流密度控制在10-100mA/m2，在混凝土柱附近添加ZnSO4電解質(zhì)，進行電化學(xué)沉積愈合。
應(yīng)用實例3對位于海水中直徑為0.5m、長10m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱，陽極選用石墨板或鈦網(wǎng)，電流密度控制在100mA/m2，可無需加入任何電解質(zhì)，直接進行電化學(xué)沉積愈合。
權(quán)利要求1.一種采用電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置，其特征在于由陽極板、陰極、可調(diào)電源、電壓表、電流表和電纜連接線組成，其中，陰極采用待修復(fù)的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，陽極采用石墨板或鈦網(wǎng)，放置在待修復(fù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)旁邊；可調(diào)電源的正極通過電纜線依次與電流表、電壓表、陽極連接，負極與陰極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置，其特征在于修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面積與陽極板面積比為1∶0.05-1∶0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置，其特征在于陰極與陽極之間的電壓可調(diào)范圍為1-5000伏，電流密度可調(diào)范圍為1-5000mA/m2。
專利摘要本實用新型為一種采用電化學(xué)沉積法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的裝置。它采用混凝土構(gòu)件的鋼筋作為電解系統(tǒng)的陰極，采用石墨板或鈦網(wǎng)作為陽極，由可調(diào)電源的正極通過電纜線依次連接電流表、電壓表和陽極，負責連接陰極，電源電壓可調(diào)范圍為1－5000伏，電流密度可調(diào)范圍為1－5000mA/m
文檔編號C25D9/08GK2641064SQ0323183
公開日2004年9月15日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者蔣正武, 孫振平, 王培銘 申請人:同濟大學(xué)