CN102797296B

CN102797296B - Cp阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料

Info

Publication number: CN102797296B
Application number: CN201210241970.1A
Authority: CN
Inventors: 乔国富; 肖会刚; 洪毅; 欧进萍
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102797296A

Abstract

CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，包括Ti条板主阳极、Ti网辅阳极、水泥基纳米复合材料和碳纤维布；Ti条板主阳极与Ti网辅阳极连接，Ti网辅阳极上覆盖有水泥基纳米复合材料，水泥基纳米复合材料上铺设有碳纤维布；所述的水泥基纳米复合材料制作方法为：按质量百分含量，由5％聚丙烯酰胺、0.5％碳纤维或纳米碳纤维、15％碳黑颗粒、0.2％泵送剂、1.0％纳米SiO₂和79.3％P.0.42.5混合均匀，采用混凝土传统的泵送技术进行施工，水与水泥基纳米复合材料的重量比为0.4-0.6。本发明施工便捷、能够显著延长阳极材料的服役寿命、具有较高的电导率、并能实时监测钢混结构关键区域的应力分布状态。

Description

CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料。

背景技术

世界腐蚀组织(WCO)的最新统计数据表明，全球由于腐蚀造成的经济损失超过2.2万亿美元/年。随着全球气候与环境的恶化，腐蚀问题势必呈现出日益加剧的态势，其中钢混结构腐蚀问题正引起全世界密切关注。钢混结构是现今及以后相当长的时间内仍将采用的主要结构型式之一，钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。美国国家材料顾问委员会调查表明，近253000座混凝土桥面板出现严重腐蚀现象；日本约有21.4％的钢混结构损坏是由钢筋腐蚀引起的；我国2002年底仅公路危桥就达9597座，而耗资4000万元的山东烟台汽车站，更是在建成5年后的2009年即成危楼，其中钢筋腐蚀是引起结构服役性能严重劣化的主要原因之一。近期，我国再次投入数以万亿计的资金发展基础设施建设，占据相当比例的钢混结构的耐久性问题，势必成为影响国民经济发展和社会和谐稳定的战略性课题。

鉴于腐蚀问题的严重性，全世界范围内，正在投入大量人力、物力与财力探索腐蚀控制方法。美国联邦公路管理局(FHWA)、美国腐蚀工程师协会(NACE)、欧洲腐蚀联合会(EFC)及澳大利亚腐蚀协会(ACA)等，对美国、加拿大、丹麦、挪威、瑞士、意大利、荷兰、澳大利亚、印度、日本及韩国等8600余座桥梁、1500余条隧道、160余处核废料储箱等基础结构的200余份调查报告表明，采用主动强制电流阴极保护(ICCP)系统与被动牺牲阳极阴极保护(SACP)系统，是能够显著缓解钢混结构钢筋腐蚀，进而延长结构服役寿命的最有效途径。

上述200余份调查报告也同时表明，12000余套CP系统中存在的共性问题是有效服役寿命较短(平均为10±5年)，从而使得CP系统的回报与投入比较低。造成CP失效的最主要原因包括两方面：(1)缺乏对CP作用效果进行评估的专家系统，从而导致CP系统在运营过程中未能根据结构实时服役状态进行有效调整，进而导致CP系统对结构保护不足或过度；(2)CP系统处于持续工作状态，从而导致阳极材料发生老化、失效，进而严重影响CP系统的阴极电流投放效率。NACE在其最新颁布的SP0290-2007标准中也指出，安装CP系统的服役结构所处自然环境、混凝土材料、阳极材料、钢筋腐蚀状态都具有时变特性，从而决定了CP系统要根据实际服役条件进行适时调整，以确保系统的有效性和可靠性。

综上，在吸取大量CP阳极系统失效的经验基础上，结合结构健康监测的先进理念与技术，本专利旨在提供CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料与结构，为提高CP腐蚀控制系统的服役寿命提供高性能阳极材料。

发明内容

本发明是一种重大钢混结构、钢结构等阴极保护(Cathodic Protection，CP)系统用的阳极复合材料。本发明的目的在于提供用于重大钢混结构与钢结构腐蚀CP控制与应力感知一体化高性能阳极结构。通过具有高导电与高韧性喷射水泥基纳米材料复合Ti条板、Ti网与碳纤维布，实现CP阳极的功能。其中，高导电性水泥基纳米复合材料具有感知阳极所在区域内结构的应变的能力，从而实现结构应力自感知的目的。

本发明的目的是这样实现的：

CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，包括Ti条板主阳极、Ti网辅阳极、水泥基纳米复合材料和碳纤维布；Ti条板主阳极与Ti网辅阳极连接，Ti网辅阳极上覆盖有水泥基纳米复合材料，水泥基纳米复合材料上铺设有碳纤维布；所述的水泥基纳米复合材料制作方法为：按质量百分含量，由5％聚丙烯酰胺、0.5％碳纤维或纳米碳纤维、15％碳黑颗粒、0.2％泵送剂、1.0％纳米SiO₂和79.3％P.O.42.5混合均匀，采用混凝土传统的泵送技术进行施工，水与水泥基纳米复合材料的重量比为0.4-0.6。

本发明还具有如下特征：

1、所述的水泥基纳米复合材料按质量百分含量，或为3％聚乙烯醇纤维、1.0％碳纳米管、10％石墨烯、0.2％泵送剂、1.0％纳米TiO₂和85.8％P.O.42.5。

2、该智能复合结构采用嵌入式四电极体系测量钢混结构应力状态。

3、一种使用如上所述的CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料的CP阳极系统的布设方法，如下：所述的CP阳极系统包括CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料、钢筋阴极以及施加电场荷载的整流器，CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料、钢筋阴极分别与整流器电信号连接；布设系统之前，需要根据钢混结构整体的腐蚀监检测结果，对钢混结构整体与局部腐蚀状态进行评估，划定需要腐蚀控制的区域；然后，针对具体区域布设CP阳极系统；首先，对需要布设CP阳极的区域进行清理，如移除污染的混凝土表层，甚至替换劣化严重的局部构件；其次，对处理后的构件重新进行混凝土浇筑；第三，在外表面铺设Ti条板主阳极，然后采用采用混凝土传统的泵送技术喷射水泥基纳米复合材料进行涂覆，厚度达到0.5-1cm后，表面压入Ti网辅阳极，并实现Ti网辅阳极与Ti条板主阳极之间的电信号连接，最后继续喷射水泥基纳米复合材料，达到预定厚度之前，在预先优化设计的需要监测应力的区域布设嵌入式四电极系统；最后，待水泥基纳米复合材料硬化后，阳极外层布设碳纤维布。

本发明的优点在于：

1.在实现高性能CP阳极功能的同时，还具备应力自感知的能力，从而能够在投放CP电场的同时，实时监测钢混结构关键区域的应力分布状态；

2.采用纳米SiO₂、TiO₂等材料，能够显著提高CP阳极材料的抗侵蚀粒子性；

3.石墨烯、碳纳米管材料的加入，使得CP阳极材料具有较高的电导率，从而确保主阳极施加的CP电场能够准确投放到结构表面；

4.聚乙烯醇纤维或聚丙烯酰胺的加入，使得CP阳极材料的韧性增强，同时渗透性大大降低，从而能够显著延长阳极材料的服役寿命；

5.CP阳极复合材料的可泵送性，确保了施工的便捷性。

附图说明

图1CP阳极系统布设示意图；

图2CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料结构图；其中1、碳纤维布，2、水泥基纳米复合材料，3、Ti网辅阳极，4、Ti条板主阳极；

图3四电极应力测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

实施例1

CP阳极系统的构建

工程结构中，CP系统的总体架构如图1所示，包括阳极材料、钢筋阴极以及施加电场荷载的整流器系统。阳极系统布设之前，需要根据结构整体的腐蚀监检测结果，对结构整体与局部腐蚀状态进行评估，划定需要腐蚀控制的区域。然后，针对具体区域布设阳极系统。首先，对需要布设阳极的区域进行清理，如移除污染的混凝土表层，甚至替换劣化严重的局部构件；其次，对处理后的构件重新进行混凝土浇筑；第三，在修补用混凝土或其它材料外表面铺设Ti条板主阳极，然后采用喷射水泥基纳米复合材料进行涂覆，厚度达到0.5-1cm后，表面压入Ti网，并实现Ti网与Ti条板之间的电信号连接，最后继续喷射水泥基纳米复合材料，达到预定厚度2-3cm之前，在预先优化设计的需要监测应力的区域布设四电极系统；最后，待水泥基纳米复合材料硬化后，阳极外层可选择性布设碳纤维布，起到补强和阳极作用增强的效果。

实施例2

CP阳极材料构成与结构形式

CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料结构如图2所示，总体上包括四层结构，第一层为Ti条板主阳极，第二层为嵌入式Ti网，第三层可喷射水泥基纳米复合材料，第四层为碳纤维布。其中，水泥基纳米复合材料主要成分包括聚丙烯酰胺或PVA纤维、碳纤维或碳纳米纤维、碳纳米管、碳黑颗粒或石墨烯、P.O.系列水泥、泵送剂。按比例进行混合均匀，采用混凝土传统的泵送技术进行施工，其中水与水泥基纳米复合材料的重量比为0.4-0.6。所采用的典型配方如下：

表一智能复合材料典型配方

采用聚丙烯酰胺(PAM)及聚乙烯醇(PVA)纤维等有机材料作为增韧剂，提高水泥基复合材料的韧性；采用碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、碳黑或石墨烯等作为导电增强材料，提高水泥基复合材料的电导率；采用TiO₂或SiO₂等作为纳米增强材料，提高水泥基复合材料的抗渗性。最终，形成Ti条板主阳极与Ti网辅阳极、可喷射高电导率、高韧性水泥基纳米复合材料、碳纤维布三层构造形式，同时采用嵌入式四电极体系测量结构应变。最终为重大工程结构提供具备阳极功能与应力感知一体化智能复合材料与设计结构。

实施例3

四电极法测量应力状态

在CP阳极用水泥基纳米复合材料进行喷射过程中，布设嵌入该材料中的图3所示的四电极体系。应力状态测试过程中，两端电极施加电场作用，通过中间两电极测量混凝土电导率的变化，结合电导率与应变的定量关系曲线，得到电导率与应力对应关系，从而确定四电极所在位置的结构应力水平。

本发明的基本原理是材料的腐蚀电化学活性以及水泥基智能材料的压敏特性。CP阳极要求材料具有高惰性，以确保阳极电流能够有效投放到结构需要进行保护的区域。然而，阳极高电流密度以及阳极极化反应导致阳极区出现高酸性环境、阳极老化严重等严重问题。就腐蚀电化学特性而言，碳基材料具有高惰性、高稳定性等特征，且应力作用下导致的应变变化，能够引起材料的电阻率变化，从而是其复合材料具备了自感知功能。此外，水泥基材料属于极性材料，能够与钢混结构以及钢结构具有较好的亲和性，从而能够保证阳极系统布设后粘结牢固。

Claims

1.CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，其特征在于：包括Ti条板主阳极、Ti网辅阳极、水泥基纳米复合材料和碳纤维布；Ti条板主阳极与Ti网辅阳极连接，Ti网辅阳极上覆盖有水泥基纳米复合材料，水泥基纳米复合材料上铺设有碳纤维布；所述的水泥基纳米复合材料制作方法为：按质量百分含量，3％聚乙烯醇纤维、1.0％碳纳米管、10％石墨烯、0.2％泵送剂、1.0％纳米TiO₂和85.8％P.O.42.5混合均匀，采用混凝土传统的泵送技术进行施工，水与水泥基纳米复合材料的重量比为0.4-0.6。

2.根据权利要求1所述的CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，其特征在于：该智能复合结构采用嵌入式四电极体系测量钢混结构应力状态。

3.一种使用如权利要求1所述的CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料的CP阳极系统的布设方法，其特征在于：方法如下：所述的CP阳极系统包括CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料、钢筋阴极以及施加电场荷载的整流器，CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料、钢筋阴极分别与整流器电信号连接；布设系统之前，需要根据钢混结构整体的腐蚀监检测结果，对钢混结构整体与局部腐蚀状态进行评估，划定需要腐蚀控制的区域；然后，针对具体区域布设CP阳极系统；首先，对需要布设CP阳极的区域进行清理，如移除污染的混凝土表层，甚至替换劣化严重的局部构件；其次，对处理后的构件重新进行混凝土浇筑；第三，在外表面铺设Ti条板主阳极，然后采用采用混凝土传统的泵送技术喷射水泥基纳米复合材料进行涂覆，厚度达到0.5-1cm后，表面压入Ti网辅阳极，并实现Ti网辅阳极与Ti条板主阳极之间的电信号连接，最后继续喷射水泥基纳米复合材料，达到预定厚度之前，在预先优化设计的需要监测应力的区域布设嵌入式四电极系统；最后，待水泥基纳米复合材料硬化后，阳极外层布设碳纤维布。