地下结构混凝土电化学沉积修复界面性能及其细观模型

It is difficult for the underground structures to keep good service performance under the complex environment of soils, rocks and underground water. To repair the existing underground structures, it is urgent to explore an effective repairing approach in the water environment, which will evidently provide extended durability, service life and security for the underground structures. The electrochemical deposition method is a promising repairing method for the concrete structure under the water environment, which was used to repair the marine structures at the very beginning. Current research focuses on its application for repairing the land concrete, whose contents are mainly in the areas of the deposition product’s properties, specimen preparations, healing effect evaluations and the factors that influence the healing effects. There are very few electrochemical deposition experimental studies that can capture the asymmetry characters of the underground structures, not to mention the asymmetric healing interface performance and the corresponding microscopic models for the underground structures repaired by this method. In view of this, the project is going to study the following contents: (1) the asymmetric test studies for the electrochemical deposition method to repair the underground concrete structure; (2) the test studies on the asymmetric healing interface performance between the deposition products and the underground structure; (3) the micromechanical models to predict the properties of the repaired underground structure considering the asymmetric healing interface bonding. The achievements of this innovative research will accelerate the application of electrochemical deposition method in the underground engineering.

地下结构由于受岩土体和地下水等复杂地下环境的作用，保持其良好的健康服役状态非常困难，极有必要开发适合于地下水环境下的既有地下结构混凝土修复手段，达到延年益寿的目的。电化学沉积法是水环境下混凝土结构修复的重要手段。其最早是用于修复海工混凝土结构。近来众多学者针对陆上结构混凝土电化学沉积修复已开展了电化学沉积产物性能、修复试件制备、修复效果评估及其影响因素等方面的研究。但对于体现地下结构非对称性特征的混凝土电化学沉积修复试验研究不多见，对于地下结构混凝土非对称电化学沉积修复界面性能及其细观模型的研究更是罕见。为此，本项目将开展以下三方面的研究：1）地下结构混凝土非对称电化学沉积修复试验；2）地下结构混凝土非对称电化学沉积修复界面特征分析试验；3）考虑非对称修复界面特征的地下结构混凝土性能预测细观模型。该创新性的研究将加速电化学沉积法在地下结构修复中的应用。

当前体现地下结构非对称性特点的电化学沉积修复试验研究不多，关于地下结构混凝土电化学沉积修复界面性能分析试验的研究更少；在理论模型方面，对于考虑非对称修复界面特征的地下结构混凝土性能预测模型研究几乎空白。针对地下结构混凝土电化学沉积修复试验和理论模型存在的问题，本项目从地下结构混凝土非对称电化学沉积修复试验、地下结构混凝土非对称电化学沉积修复界面特征分析试验和考虑非对称修复界面特征的地下结构混凝土性能预测细观模型等三个方面展开研究。 .首先设计并制备了管片底部和顶部结构非对称电沉积法试验装置，从28天的修复效果来看，电沉积法具备修复地下结构不同部位裂缝的可行性。其次，运用X射线衍射法，扫描电子显微镜等工具分析电化学沉积法修复混凝土的界面性质。研究发现，对Mg(NO3)2电解修复液而言，浓度较小时，产生的Mg(OH)2晶体颗粒小，厚度薄，排列松散；浓度较大时，表现为整体度较高的花瓣状结晶，颗粒聚集成群，排列紧密。对ZnSO4电解修复液而言，浓度较小时，沉积物晶体大都为片状的纺锤体状态，体积小；浓度较大时，则呈现为板状结构，厚度很厚，整体度很高。最后，建立了地下结构饱和与非饱和混凝土电化学沉积修复的性能预测细观模型，定量分析了电化学沉积产物和修复界面对修复效果的影响规律，为加快电化学沉积修复法在地下结构工程中的应用提供指导。培养硕士研究生1名，发表相关论文10余篇（其中SCI 检索7篇），申请发明专利3项，参加国际会议1次，国内学术会议2次。同时，作为《混凝土结构耐久性电化学修复技术规程》标准中电化学沉积修复主要起草人之一，将研究成果反应到标准中。