電滲脈沖用于混凝土結構抗滲防潮技術

王 沖,劉煥芹,林鴻斌,白 光,葉建雄

(重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400045)

電滲脈沖用于混凝土結構抗滲防潮技術

王 沖,劉煥芹,林鴻斌,白 光,葉建雄

(重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400045)

混凝土結構的抗滲及防潮一直是土木工程領域需要克服的重要技術難題之一。文章研究了電滲脈沖用于混凝土結構抗滲防潮的影響因素,包括電滲脈沖電壓、混凝土水灰比、液相中離子濃度,以及脈沖頻率等;模擬測試了電滲脈沖作用下混凝土結構的排水與相對濕度變化。研究表明,隨著脈沖電壓升高與混凝土水灰比增大,電滲脈沖下混凝土滲水量增加;Na2 SO4溶液濃度增大時,電滲脈沖作用下混凝土滲水量增加;脈沖頻率對混凝土滲水量影響不大;研究亦顯示電滲脈沖作用下混凝土排水效果明顯,混凝土相對濕度顯著降低。

電滲脈沖;混凝土;抗滲防潮

水泥混凝土結構的抗滲及防潮一直是土木工程領域需要克服的重要技術難題之一。由于地下結構的滲水,混凝土易受地下水中化學物質的侵蝕,加速混凝土內部鋼筋的銹蝕,引起結構劣化,嚴重威脅到結構工程的安全性。此外,建筑結構地面滲水、滲潮,造成居住環境質量的下降,并對安裝于建筑底層的大型設備等有一定的腐蝕影響。

目前地下建筑防潮排水的方式主要有涂刷防水涂料法、覆蓋防水卷材法、添加防水劑法、應用水泵或除濕裝置法及外部排水設施法等[1]。這些方法既可在施工初期應用,也可在工程結束后使用或維修中應用,各有特點,但也各有一定的局限性,如防潮不夠徹底、建筑性能降低、成本高、壽命短、翻修率高等。

電滲脈沖(Electro-osmotic pulse,簡稱EOP)技術是防潮抗滲的一種新技術。1809年,Reuss發現了電滲現象,即在外加電場作用下,液相在固體孔隙中的移動[2]。1939年,德國人Casagrande首次成功地將電滲應用在德國一個鐵路路基開挖工程的邊坡穩定上,此后他又將該法應用于土建深基坑開挖和鐵路路基加固工程[3]。1947年,Casagrande開始應用動電技術對粘土進行脫水[4]。現在,電滲已在地基加固[5-8]、混凝土再堿化[9]、降低混凝土水灰比[10]等工程中得到廣泛研究與應用。

電滲脈沖是在電滲基礎上,將電壓按照預定的周期,非連續性的施加于電滲電場,在電場陽極、陰極之間產生脈沖電流。多孔材料內若滲有水分,電場作用下即形成水合雙電層結構,在電場作用下水分遷移。1998年,美國陸軍結構工程研究實驗室Vincent Hock等人[11]開始研究將電滲脈沖技術用于防止地下混凝土結構與粘土材料的水分滲透,發現這一技術不但阻止水的滲漏效果很好,而且能夠降低地下建筑中的空氣濕度。研究成果分別于2002—2007年開始公布或發表[12-16]。除個別文獻[1]外,國內對此項技術研究甚少。本研究的目的,是研究電滲脈沖技術用于結構混凝土的抗滲防潮影響因素及技術可行性。

1 原材料及實驗方法

1.1 實驗用原材料

1.1.1 水泥 使用重慶拉法基水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥,其化學成分見表1。

表1 水泥的化學成分 /%

1.1.2 集料 細集料采用岳陽中砂,級配良好,細度模數3.0;粗集料采用歌樂山石灰石碎石,粒徑為5～10mm。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土成型與養護 按表2所示配合比稱量原材料,強制攪拌、振動成型,靜置24 h后脫模,再移至標準養護室養護。試件尺寸為 100 mm× 100 mm×400 mm。混凝土標準養護28 d待測。

表2 試驗混凝土配合比

1.2.2 電滲脈沖下混凝土滲水影響因素試驗 電滲脈沖滲水試驗裝置為自制。試驗箱采用5mm厚的玻璃制成,試驗箱被平均分割為3個試驗倉,各試驗倉容積尺寸為100mm×350 mm×400mm,以容納100 mm×100mm×400 mm的混凝土試件,(試驗裝置示意圖如圖1與圖2)。安裝電極板、連接電源線。試驗中確保混凝土與試驗箱之間密封,試驗箱中加水。待一切準備完畢,即可接通脈沖發生器,調整電壓分別至10 V、18 V與25 V進行實驗,觀測滲水量。

圖1 混凝土滲水試驗裝置

圖2 混凝土滲水試驗裝置示意圖

1.2.3 脈沖發生器 研究所用脈沖發生器為向重慶迷你科技發展有限公司定制,調壓范圍0～60 V,試驗電壓為10～30 V,脈沖頻率為10～20 s。配有6個輸入輸出端口,脈沖波形示于圖3。

圖3 脈沖波形示意圖

1.2.4 抗滲防潮模擬試驗 研究中自制了電滲脈沖用于混凝土防潮的模擬試驗裝置。模擬試驗箱尺寸為600 mm×600 mm×400 mm。箱體底部混凝土厚度為30mm。脈沖發生器陽極接在試驗箱中,陰極接在試驗箱外部,試驗箱外部保持潮濕狀態。用塑料薄膜將試驗箱密封。將濕度計放入試驗箱內部進行濕度監測。試驗中另準備一套不加脈沖電壓的試驗裝置以作為對比(如圖4所示)。

圖4 電滲脈沖下混凝土防潮模擬試驗裝置

2 試驗結果及分析

2.1 電滲脈沖作用下混凝土滲水量影響因素

2.1.1 不同脈沖電壓下混凝土滲水量 研究進行了不同脈沖電壓下混凝土滲水量試驗。擬定的試驗電壓分別為10 V、18 V和25 V,混凝土水灰比確定為0.50,試驗中混凝土環境介質為自來水,脈沖頻率為10 s。試驗共測量了通電1～7 d的滲水量,試驗結果見圖5。

圖5 不同脈沖電壓下混凝土滲水量

試驗結果顯示,電滲脈沖作用下,混凝土滲水量與滲水速度都和所施加的電壓關系密切,電壓越高,混凝土單位時間內滲水量越大,滲水速度越快。當電壓由10 V增加至25 V時,第1 d的滲水量由0.5 m L增加至1.3 m L,到第7 d時,總滲水量已從5.6 m L增加至10.2 m L。

試驗中還發現,當電壓為25 V時,由于對水的電解作用增大,陰極端水的減少量明顯大于由于電場的作用而滲透至陽極端的水量。

2.1.2 不同離子濃度對滲水量的影響 考慮到實際工程中,地下水并非純水,而是含有大量化學物質。例如,中國西南地區地下水中硫酸鹽含量較高。因此,進行了電滲脈沖作用下,不同液相環境對混凝土水分滲透的影響研究,擬定的3種液相環境為水、5%Na2 SO4溶液和10%Na2 SO4溶液。試驗中混凝土水灰比為0.50,脈沖頻率為10 s,測試了電壓分別為10 V、18 V和25 V時7 d的滲水量。試驗結果見圖6。

圖6 不同離子濃度時混凝土的滲水量

圖6顯示,在相同水灰比、相同電壓作用下,滲水量隨Na2 SO4溶液濃度的增加而增加。主要原因應該是在電場作用下,除電滲對溶液的遷移有關外,離子在電場作用下的電泳也對溶液遷移有一定影響。在電勢差的作用下,水分能夠更容易通過混凝土滲出。

同時還可以看出,處于相同環境介質時,隨著脈沖電壓的增大,滲水量增加。

2.1.3 混凝土水灰比對滲水量的影響 混凝土水灰比不同,混凝土內部孔隙結構大小不一樣,水份的遷移與滲透自然也不同。電滲脈沖作用下通電7 d的試驗結果見圖7。試驗中電滲脈沖電壓為10 V,脈沖頻率為10 s。

圖7 不同水灰比下混凝土滲水量

從圖8中可以看出,混凝土的水灰比大小對滲水量影響明顯。脈沖電壓相同、混凝土環境介質相同情況下,水灰比分別為0.45、0.50和0.55的混凝土7 d總滲水量隨著水灰比的增加而增加。這主要是由于水灰比增加,混凝土內部孔隙率增加,電滲作用下混凝土內部水分遷移更加容易,因此滲水量增加。

2.1.4 不同脈沖頻率下混凝土的滲水量 液相環境為水,脈沖電壓均為11 V的情況下,脈沖頻率分別為10 s、20 s的時混凝土的7 d滲水量和14 d滲水量試驗結果數據見圖8。

8 不同脈沖頻率下混凝土滲水量

從圖8可以看出,在該試驗條件下,當液相環境為水,脈沖電壓均為11 V,脈沖頻率分別為10 s、20 s的情況下,隨著脈沖頻率的變化,混凝土的滲水量接近。表明脈沖頻率對混凝土滲水量影響不大。

2.2 電滲脈沖用于混凝土結構抗滲防潮模擬試驗

試驗中,將數量相同的自來水加入試驗箱與對比箱。將模擬試驗裝置接通電源后,定期記錄試驗箱中的相對濕度,試驗結束后明顯可以看出,施加脈沖電壓的試驗箱中水分已經被排出,試驗箱底部干燥,而相同時間、相同環境下的對比箱底部依然有大量水分(這可以從圖9左水中窗戶的倒影得到證實)。

圖9 電滲脈沖下試驗箱底部水分排出

圖10試驗結果亦顯示,在脈沖電壓為20 V,脈沖頻率為20 s,通電14 d的情況下,電滲脈沖技術對模擬地下空間中的濕度有明顯的降低作用,混凝土底部的水全部排出,并且空間內的相對濕度從100%降低至76%。這是由于預埋在混凝土中的陽極和預埋在混凝土外部陰極在脈沖變壓器的作用下形成電場,將混凝土表面和空氣中凝結落下的水分通過試驗箱底部的孔排出,從而將水分排出,最終降低了環境的濕度。沒有受到電滲脈沖作用的對比箱中混凝土底部一直積水,相對濕度亦一直維持在100%。

圖10 電滲脈沖作用下模擬空間濕度變化

3 結 論

1)試驗條件下脈沖電壓與混凝土水灰比增大,混凝土滲水量增加;電滲脈沖作用下處于 Na2 SO4溶液環境中的混凝土其滲水量增加,脈沖頻率對混凝土滲水量影響不大;

2)電滲脈沖作用下混凝土排水除濕效果明顯,混凝土相對濕度顯著降低。

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(編輯 胡英奎)

Seepage Resistanceand Moisture Proof of Concrete Using Electro-osmotic Pulse

WANGChong,LIUHuan-qin,LINHong-bin,BAIGuang,YEJian-xiong
(Schoo l of Materials Science&Engineering,Chongqing University,Chongqing,400045)

Seepage resistance and moisture p roof of concrete structure is a hard work in civil engineering. The influence factors of seepage resistance and moisture proof of concrete using Electro-Osm otic Pulse (EOP),such as electric vo ltage,w ater to cement ratio of concrete,ion concentration in liquid phase,and pu lse frequency,were analyzed.Simulating experiment of EOP used to drain water and reduce relatively humidity of concrete structure isexecuted.The results show that,volume of water seepage is improved due to app lication of EOP in concrete w ith increase of electric voltage,W/C of concrete,and concentration of sodium sulfate.And pulse frequency has little effect on volume of water seepage.The results are also presented that effect of dewatering and humidity reducing are remarkable when EOP is app lied in concrete structure.

electro-osmotic pulse(EOP);concrete;seepage resistance and m oisture proof

TU761.1

A

1674-4764(2011)02-0132-05

2010-10-04

中央高校基本科研業務費科研專項(CDJZR10130009)資助;重慶市建委建設科研項目(城科字2008第71號)

王沖(1972-),男,博士,副教授,主要從事水泥混凝土材料研究,(E-mail)chongw ang@cqu.edu.cn。