CN103215602B - 具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置，其中，所述方法包括步骤：在钢筋混凝土结构本体的加固区域凿去疏松的混凝土，并打磨平整；在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面设置CFRP片材；将钢筋混凝土结构本体内埋置的多根主钢筋之间进行电性连接；在所述主钢筋与CFRP片材之间连接一用于对主钢筋施加阴极保护的外部电源，通过回路中的控制装置和检测装置不断地对钢筋调整保护电流的大小；这样在提高结构承载力的同时对钢筋进行保护，避免了二次腐蚀及屡修屡坏的问题，提高了结构的安全性和耐久性。

Description

具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土的结构加固领域，尤其涉及一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置。

背景技术

钢筋混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，其安全性与国民经济健康发展紧密相关。然而，随着使用年限的增加和使用环境的变化，钢筋混凝土结构的劣化和功能失效较为普遍和严重，引起了科研学者对混凝土结构耐久性问题的关注。简而言之，混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。

从材料学的角度来看，钢筋混凝土结构耐久性劣化的最主要原因是内部钢筋的锈蚀。混凝土自身携带或外部侵入的氯离子被认为是造成钢筋腐蚀问题的最主要原因。抑制钢筋锈蚀的手段很多，例如涂敷防腐层和缓蚀剂等，其中外加电流阴极保护技术已被证明是最有效的方法之一，在某些情况下甚至是唯一的解决方法。外加电流阴极保护技术是基于PH-电位图原理提出来的，认为通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的。虽然在结构混凝土表面布置有各种各样的分散或连续的辅助阳极，施加电流能产生控制钢筋腐蚀的效果，但却不能修复或提高结构的力学性能。

从结构设计的角度来看，混凝土结构耐久性劣化具体表现为构件力学性能的衰退。因此各国学者进行了广泛的研究，利用钢板和纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）等结构增强和加固材料，提出了增大截面和外部粘贴等多种结构加固技术，并已应用到工程实践。结构加固材料通常通过胶凝材料（如环氧树脂）与混凝土结构共同承担荷载作用，在某些情况下可视为混凝土结构的附加保护层，并在一定程度隔绝外部环境介质对内部结构的侵蚀，例如FRP包裹柱的加固等。但是施工工艺的缺陷和误差、结构服役过程中加固材料的劣化和损耗都会破坏这个保护层，导致混凝土结构的二次腐蚀。更重要的是，结构加固技术无法解决混凝土内部有害元素（如海沙混凝土中的氯化物和硫酸盐等）对钢筋的继续侵蚀。实际工程中已有很多结构不止一次地进行加固，经常出现屡修屡坏的情况。

作为结构加固和组合结构领域比较常见的碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有轻质高强、模量大、耐腐蚀性好等优点实际上，CFRP除了人们熟知的力学性能外，由于其含有的主要成分之一－碳纤维具有良好的电化学特性，即良好的导电性及接近贵金属的电极电位，CFRP同样具有良好的电化学特性。因此，可通过采用CFRP良好的力学和电化学特性形成一种耐久性优异的新型组合结构。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置，旨在解决现有的钢筋混凝土结构加固后易出现二次腐蚀、安全性和耐久性有待提高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其中，包括步骤：

A、将钢筋混凝土结构本体内埋置的需要保护的多根主钢筋之间进行电性连接；

B、在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面设置CFRP片材；

C、在所述主钢筋与CFRP片材之间连接一用于对主钢筋施加阴极保护的外部电源，使主钢筋、外部电源、CFRP片材形成回路，在所述回路中串联一用于对回路中电流大小进行控制的控制装置，在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间连接一用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其中，所述CFRP片材为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为主体的复合材料。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其中，所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述CFRP片材与混凝土之间通过具有导电功能的粘结材料相连接。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其中，所述粘结材料为添加导电颗粒的环氧树脂胶。

一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，用于对钢筋混凝土结构本体进行保护，其中，所述钢筋混凝土结构加固装置包括设置在所述钢筋混凝土结构本体的加固区域表面的CFRP片材、用于对埋置在钢筋混凝土结构本体内的多根主钢筋施加阴极保护的外部电源、控制装置以及检测装置；

多根主钢筋之间电性连接，所述外部电源连接于主钢筋与CFRP片材之间，使主钢筋、外部电源、CFRP片材形成回路，所述控制装置串联在所述回路中，用于对回路中电流大小进行控制；所述检测装置连接在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间，用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其中，所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述CFRP片材与混凝土之间通过具有导电功能的粘结材料相连接。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其中，所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述粘结材料为添加导电颗粒的环氧树脂胶。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其中，所述主钢筋、混凝土、CFRP片材、外部电源依次电性连接。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其中，所述CFRP片材为CFRP板，所述CFRP板的厚度为1~2mm。

所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其中，所述钢筋混凝土结构本体为矩形结构或圆柱形结构。

有益效果：本发明所提供的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置，基于CFRP优异的力学性能、电化学特性和可设计等优点，利用CFRP兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个新型结构体系，既避免了结构加固后的二次腐蚀，又改善了结构的力学性能，显著提高了结构的安全性和耐久性。

附图说明

图1为本发明具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置的结构示意图，如图所示，本发明包括部分重叠的两大结构本体：钢筋混凝土结构本体10以及阴极保护结构本体20；在本发明的钢筋混凝土结构中，充分利用了CFRP材料的力学性能和电化学特性，使得CFRP材料在本发明的结构体系中充当了加固材料和辅助阳极的双重角色，这样将结构加固和阴极保护两种功能有效地整合在一个体系中，避免了结构加固后的二次腐蚀，改善了结构的力学性能，提高了结构的安全性和耐久性，通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的。

作为结构加固领域最为常见的碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有轻质高强、模量大、耐腐蚀性好等优点，是一种成熟的结构加固材料。实际上，CFRP除了人们熟知的力学性能外，由于其含有的主要成分之一－碳纤维具有良好的电化学特性，即良好的导电性及接近贵金属的电极电位，CFRP同样具有良好的电化学特性。本发明利用CFRP的电化学特性形成一种新型的辅助阳极应用到钢筋混凝土结构的外加电流阴极保护方法。因此，可结合CFRP加固结构的特性，进而形成一种带有阴极保护功能的结构加固方法及装置。

下面结合附图来对本发明进行进一步的说明。

所述钢筋混凝土结构本体10包括混凝土3、埋置在混凝土3内的主钢筋4，CFRP片材1设置在所述钢筋混凝土结构本体10的加固区域表面；所述的CFRP片材1为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为主体的复合材料，包括混杂不同纤维或基体材料生产的复合材料等，例如混杂了碳纤维和玻璃纤维等的纤维增强复合材料。

所述主钢筋4之间电性连接（通过导线5连接，还测试主钢筋4之间的电连接性），所述主钢筋4与CFRP片材1之间连接一用于对主钢筋4施加阴极保护电流或电压的外部电源6（主钢筋4连接外部电源6的负极，CFRP片材1连接外部电源6的正极，所述主钢筋4、混凝土3、CFRP片材1、外部电源6之间依次电性连接，在回路中串联一控制电流大小的控制系统和检测钢筋腐蚀状况的检测系统，一并构成阴极保护结构本体20。所述的钢筋混凝土结构本体10与阴极保护结构本体20，其设计原理和计算方法可参照有关规范，在此不再赘述。

所述的主钢筋4、外部电源6、CFRP片材1形成回路（通过导线8连接），在所述回路中串联一用于对电流大小进行控制的控制装置7，在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间连接一用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置9，所述的检测装置9与控制装置7还连接一控制系统，通过检测装置9持续检测主钢筋4的腐蚀状况，然后将检测到的腐蚀状况信息发送到控制系统，确定是否需要调节电流大小，当需要时，向控制装置7发出控制指令，进而调节电流大小。从而实现对钢筋混凝土结构进行长期的监测、维护、控制操作。

所述的CFRP片材1起到了加固材料和辅助阳极的作用，其在长期荷载、环境因素和保护电流共同作用下须具有可靠的力学性能、电化学特性和耐久性等性能，以便同时发挥结构加固和阴极保护的功能。

本实施例中，所述的CFRP片材1在充分考虑结构加固设计和阴极保护要求的前提下，可根据构件的截面类型及实施部位，工作环境，施工操作等因素，选用不同种类、截面型式的CFRP布或CFRP板。

所述的CFRP片材1优先选用CFRP板，建议其厚度取为1~2mm，例如1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm或者2mm。

进一步，所述CFRP片材1与混凝土3通过粘结材料2相连接。其中的粘结材料2须具有足够的力学性能满足结构加固的要求，同时还要能长期传递阴极保护电流，不产生有害物质。所述的粘结材料2在长期荷载、环境因素和保护电流共同作用下必须具有可靠的力学性能和导电性等，不影响CFRP片材1双重用途的发挥。优选的，本实施例中，所述的粘结材料2可以是在绝缘的粘结结构胶中掺入适量的导电颗粒（该粘结材料应具有良好的导电性和能将CFRP片材稳固地固定在混凝土表面的性能，例如添加导电颗粒的环氧树脂胶），如导电颗粒为难消耗的石墨粉，将粘结材料2调制均匀使其长期可靠的力学性能和导电性，用来粘结CFRP片材1与混凝土3。

进一步，混凝土内埋置的主钢筋4之间应该有可靠的电连接5，保证加固区域内的主钢筋4都能得到保护。

混凝土3应是连续的电解质，若有裂缝出现时，采用水泥砂浆对其进行填补。这样，主钢筋4—混凝土3—CFRP片材1形成完整的电通路能够顺利地传递阴极保护电流，通过对主钢筋施加预定大小（一般是微小电流）的阴极电流，能够使主钢筋的电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的。

当然，本发明针对的钢筋混凝土结构不仅限于上述矩形梁结构，还可用于各种保护需要的钢筋混凝土结构形状，如混凝土圆柱形等结构。

基于上述钢筋混凝土结构，本发明还提供具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，如图2所示，包括步骤：

S101、在钢筋混凝土结构本体的加固区域凿去疏松的混凝土，并打磨平整；此步骤主要是凿去表明疏松的混凝土，露出坚实部分，并清理干净，打磨平整。

S102、将钢筋混凝土结构本体内埋置的需要保护的多根主钢筋之间进行电性连接；

在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面设置CFRP片材；CFRP片材作为辅助阳极，并优选采用CFRP板，并用力加压粘结材料使加固区域表面厚度均一，将主钢筋电连接后，可保证主钢筋都能得到保护。

S103、在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面设置CFRP片材。

S104、在所述主钢筋与CFRP片材之间连接一用于对主钢筋施加恒定大小的电流的外部电源，使主钢筋、外部电源、CFRP片材形成回路，在所述回路中串联一用于对电流大小进行控制的控制装置，在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间连接一用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置。

可先用水泥砂填补混凝土中出现的裂缝，使混凝土成为连续的电解质，然后将所述主钢筋、混凝土、CFRP片材、外部电源依次电性连接，形成完整的通路，传递阴极保护电流，对钢筋进行阴极保护。

综上所述，本发明所提供的一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法及装置，基于CFRP优异的力学性能、电化学特性和可设计等优点，利用CFRP兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个新型结构体系，既避免了结构加固后的二次腐蚀，又改善了结构的力学性能，显著提高了结构的安全性和耐久性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其特征在于，包括步骤：

A、将钢筋混凝土结构本体内埋置的需要保护的多根主钢筋之间进行电性连接；

B、在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面设置CFRP片材；

C、在所述主钢筋与CFRP片材之间连接一用于对主钢筋施加阴极保护的外部电源，使主钢筋、外部电源、CFRP片材形成回路，在所述回路中串联一用于对回路中电流大小进行控制的控制装置，在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间连接一用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置；

所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述CFRP片材与混凝土之间通过具有导电功能的粘结材料相连接；

所述CFRP片材具有同时作为加固材料和辅助阳极的作用。

2.根据权利要求1所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其特征在于，所述CFRP片材为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为主体的复合材料。

3.根据权利要求1所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固方法，其特征在于，所述粘结材料为添加导电颗粒的环氧树脂胶。

4.一种具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，用于对钢筋混凝土结构本体进行保护，其特征在于，所述钢筋混凝土结构加固装置包括设置在所述钢筋混凝土结构本体的加固区域表面的CFRP片材、用于对埋置在钢筋混凝土结构本体内的多根主钢筋施加阴极保护的外部电源、控制装置以及检测装置；

多根主钢筋之间电性连接，所述外部电源连接于主钢筋与CFRP片材之间，使主钢筋、外部电源、CFRP片材形成回路，所述控制装置串联在所述回路中，用于对回路中电流大小进行控制；所述检测装置连接在钢筋混凝土结构本体的主钢筋和混凝土之间，用于对所述主钢筋的腐蚀状况进行检测；

所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述CFRP片材与混凝土之间通过具有导电功能的粘结材料相连接；

所述CFRP片材具有同时作为加固材料和辅助阳极的作用。

5.根据权利要求4所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其特征在于，所述主钢筋埋置在所述钢筋混凝土结构本体的混凝土中，所述粘结材料为添加导电颗粒的环氧树脂胶。

6.根据权利要求5所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其特征在于，所述主钢筋、混凝土、CFRP片材、外部电源依次电性连接。

7.根据权利要求4所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其特征在于，所述CFRP片材为CFRP板，所述CFRP板的厚度为1~2mm。

8.根据权利要求4所述的具备阴极保护功能的钢筋混凝土结构加固装置，其特征在于，所述钢筋混凝土结构本体为矩形结构或圆柱形结构。