CN104831288A - 结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统，基于CFRP优异的力学性能、电化学特性和可设计等优点，将CFRP用无机胶凝材料进行浸润覆盖，形成CFRP基体复合阳极材料；利用CFRP基体复合阳极材料兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，无需额外的辅助阳极，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个结构体系，从而达到结构加固和钢筋锈蚀保护的双重效果；在无机胶凝材料中添加用于修复的功能材料，实现结构服役期内的系统性能自我修复；进而有效提高了钢筋混凝土结构的安全性和耐久性，以及明显降低了结构修复的成本。

Description

结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土的结构加固领域，尤其涉及一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统。

背景技术

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。

而现有技术中，由于需要通过控制系统调节电压或电流，从而使电化学参数满足要求，达到保护的目的，这势必需要高昂的成本，所以同时进行结构加固和阴极保护成本较为高昂。

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一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统，旨在解决对已有结构同时进行加固和保护的造成成本高昂的问题。

本发明的技术方案如下：

一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，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、将CFRP基体复合阳极材料设置在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面后，通过无机胶凝材料将CFRP基体复合阳极材料粘结设置在钢筋混凝土本体的加固区域；

C、在所述主钢筋与CFRP基体复合阳极材料之间连接一用于对主钢筋施加预定大小的电流的外部电源。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其中，所述CFRP基体复合阳极材料为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为基体的复合材料。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其中，所述无机胶凝材料中添加用于修复界面性能的修复功能材料。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其中，所述步骤C之后还包括：

D、当CFRP基体复合阳极材料与主钢筋之间的驱动电压超过指定电压阈值或CFRP与无机胶凝材料界面的氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时，修复功能材料破裂或激活并对界面性能进行修复。

一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，用于提高钢筋混凝土结构或构件的耐久性，其中，包括通过无机胶凝材料浸润并粘结设置在所述钢筋混凝土结构本体的加固区域表面的CFRP基体复合阳极材料，及用于对埋置在钢筋混凝土结构本体中的多根主钢筋施加预定大小的电流的外部电源；所述外部电源连接于主钢筋与CFRP基体复合阳极材料之间。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其中，所述CFRP基体复合阳极材料为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为基体的复合材料。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其中，所述主钢筋、混凝土、无机胶凝材料、CFRP基体复合阳极材料、外部电源依次电性连接。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其中，所述无机胶凝材料中添加用于修复界面性能的修复功能材料。

所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其中，所述修复功能材料在CFRP基体复合阳极材料与主钢筋之间的驱动电压超过指定电压阈值或CFRP与无机胶凝材料界面的氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时自动破裂或激活，并对界面性能进行修复。

有益效果：本发明所提供的一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统，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基体复合阳极材料兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，无需额外的辅助阳极，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个结构体系，从而达到结构加固和钢筋保护的双重效果；在无机胶凝材料中添加用于修复的功能材料，实现结构服役期内的系统性能自我修复；进而有效提高了钢筋混凝土结构的安全性和耐久性，以及明显降低了结构修复的成本。

附图说明

图1为本发明所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统，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为本发明所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统的结构示意图，如图1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CFRP基体复合阳极材料兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，无需额外的辅助阳极，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个结构体系，从而达到结构加固和钢筋保护的双重效果，进而有效提高了钢筋混凝土结构的安全性和耐久性，以及明显降低了结构修复的成本。

作为结构加固功能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，进而形成一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统

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内的多根主钢筋4，通过无机胶凝材料2粘结设置在所述钢筋混凝土结构本体的加固区域表面的CFRP基体复合阳极材料1。具体实施时，所述无极胶凝材料为水泥基的无机材料。

所述主钢筋4之间电性连接，所述主钢筋4与CFRP基体复合阳极材料1之间连接一用于对主钢筋4施加恒定大小的电流的外部电源5（主钢筋4连接外部电源6的负极，CFRP基体复合阳极材料1连接外部电源5的正极）所述主钢筋4、混凝土3、无机胶凝材料2、CFRP基体复合阳极材料1、外部电源5之间依次电性连接，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CFRP基体复合阳极材料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基体复合阳极材料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，选用不同的厚度，建议其厚度取为1~20mm，例如1mm、2mm、5mm、8mm或者20mm。

可知，电极反应、电极和电解质是电极系统中重要的组成部分。电极反应是在电极系统中伴随着两个非同类导体之间的电荷转移而在相界面上发生的化学反应。电极反应的本质是在相界面（即电极与电解质接触界面）上，电荷在电子载体与离子载体之间进行转移和传递的过程。电极反应有两种，即阳极反应（氧化反应）和阴极反应（还原反应）。

电极是电极反应接受或供给电子的场所，它由一连串相互接触的物相构成，其一端是电子导体，另一端必须是离子导体（电解质）。结构最简单的电极系统应包括两个物相和一个相界面。电子导体一端可分为阴极电极和阳极电极两类。显然，电极与电极反应相辅相成。与电解质一端接触，其表面发生阳极反应的电子导体称为阳极电极。同理，与电解质一端接触，其表面发生阴极反应的电子导体称为阴极电极。

在电极系统中，离子导体一端称为电解质。电解质是在水溶液中或熔融状态下能导电的物质。电解质之所以可以导电，是因为电解质在水溶液中或熔融状态下可以离解成离子，这也是电解质与非电解质的本质区别。可知的是，混凝土中含有多种电解质无机化合物，在水溶液中可以离解出离子，因此属于电解质（否则外界环境中的有害离子就无法穿越混凝土导致混凝土内部钢筋锈蚀，相应的，阴极保护系统也无法将混凝土内部有害离子转移至阳极区并进而保护钢筋）。

在所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统中，通常将阳极电极（即辅助阳极）与外部电源5正极相连接，使外加电流从辅助阳极经电解质（混凝土3）流向被保护对象（主钢筋4），再通过与主钢筋4连接的电缆导线回到外部电源5的负极，从而构成完整的电通路。理论上，任何可以导电的材料都可以作为阳极电极。但是，由于一般土木工程建筑的设计使用寿命均较长，如50年或100年等，因此在土木工程实践中正常运行的、可靠的阴极保护系统，其运行工作时间（即阴极保护系统的寿命）必须保持相当长的期限。作为理想的阳极电极，例如当前常用的钛合金，必须具有良好的导电性和较低的输出电阻，耐腐蚀，消耗率低，使用寿命长等特征。反之，例如钢材，虽然导电，但不耐腐蚀，易电解，使用寿命短，因此就不适合作为阴极保护系统的阳极电极。

一般地，阴极保护系统能否可靠地长期运行取决于阳极电极自身的寿命和阳极电极/电解质相界面的性能。更普遍地，阳极电极/电解质相界面的性能决定着阴极保护系统的可靠性和寿命。

现有技术中，已有采用混有导电颗粒的环氧树脂胶作为粘结剂将碳纤维片材（即CFRP片材）粘贴在混凝土表面。在接入电源后，形成电通路如下：电荷由电子从电源负极经过电缆导线流进埋置在混凝土中的主钢筋内，在钢筋/混凝土相界面上进行电子与混凝土中离子的转化（阴极反应）。这时离子携带着电荷通过混凝土（电解质）向电源正极方向移动。当离子移动到环氧树脂胶与混凝土相界面时，由于携带电荷的离子难以渗透进环氧树脂胶内部，所以携带电荷的离子只能与靠近混凝土表层的环氧树脂内部导电颗粒进行离子与电子的转换（阳极反应）。进而，电荷由电子携带通过环氧树脂内部添加的导电颗粒，移动至外部的碳纤维片材（即CFRP片材）中。最终，流经电缆导线进入电源正极，从而形成系统的电通路。

在上述的电通路过程中，有两处发生了电极反应：一处是主钢筋（阴极电极）与混凝土（电解质）接触的相界面，即阴极反应；另一处是环氧树脂胶表层的导电颗粒（阳极电极）与混凝土（电解质）表层接触的相界面，即阳极反应。由此可见，在这个体系中充当阴极电极的是钢筋，充当阳极电极的是环氧树脂胶表层的导电颗粒。

环氧树脂外部粘贴的CFRP片材是整个电通路的组成部分，但是环氧树脂胶的非电解质特性使得离子无法移动到CFRP片材表面。CFRP片材表面中由于没有离子，故在CFRP片材表面也不会发生离子与电子转换电荷的反应，即不能发生电极反应。也就是说，CFRP片材与环氧树脂胶及相界面不能构成电极系统，所以CFRP片材也不能称为阳极电极。CFRP片材作为导电材料，在这一电通路中的作用仅是传递电子，其本质是导线的作用，也就是“伪阳极”，而不是阳极电极的作用。显然，如果只考虑阴极保护效果，该系统中的CFRP片材可以用任何导电材料代替，而不会对系统性能产生影响。

而本发明所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统中，请参考图1，电通路形成过程如下：电荷由电子从外部电源5负极经过电缆导线流进埋置在混凝土中的主钢筋4内，在钢筋/混凝土相界面上进行电子与离子的转化（阴极反应）。这时离子携带着电荷通过混凝土3（电解质）向电源正极方向移动，当移动到无机胶凝材料2与混凝土3相界面时，由于无机胶凝材料2和混凝土3都是电解质，所以，在输入电压的驱动下，携带电荷的离子（主要是氯离子）可以从混凝土3表面进入无机胶凝材料2并向外部电源5正极方向移动。当携带电荷的离子移动到无机胶凝材料2与CFRP基体复合阳极材料1相界面时，电荷在无机胶凝材料2与CFRP 基体复合阳极材料1之间进行转化（阳极反应）。最终电荷流经电缆导线进入电源正极，从而形成系统的电通路。

在上述的电通路过程中，同样有两处发生了电极反应：一处是主钢筋4（阴极电极）与混凝土3（电解质）接触的相界面，即阴极反应；另一处是无机胶凝材料2（电解质）与CFRP基体复合阳极材料1（阳极电极）的相界面，即阳极反应。所以，该系统中的阳极电极是CFRP基体复合阳极材料。

进一步，所述无机胶凝材料2中添加用于修复界面性能的修复功能材料。且当所述修复功能材料在CFRP基体复合阳极材料1与主钢筋4之间的驱动电压超过指定电压阈值或氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时自动破裂或激活，并对界面性能进行修复。

在本发明中，在电压的驱动作用下而运动至无机胶凝材料2与CFRP基体复合阳极材料1相界面的带电荷的离子（主要是氯离子）是破坏钢筋混凝土结构或构件的耐久性的有害离子，若不即使将其驱动转移则会造成内部钢筋的锈蚀。同样，当带电荷的离子（主要是氯离子）运动至无机胶凝材料2与CFRP基体复合阳极材料1相界面时，会在无机胶凝材料2中不断积累，对无机胶凝材料2造成破坏。当不断累积的带电荷的离子中氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时，或不断累积的带电荷的离子导致所述修复功能材料的两端电压超过指定电压阈值时，会导致所述修复材料破裂或激活，并对界面性能进行修复；其中，对界面性能进行修复是指对无机胶凝材料2与CFRP基体复合阳极材料1相界面性能进行修复，也即对阳极反应处界面进行修复。通过上述方式，使得无机胶凝材料2能得到有效的修复，延长了对钢筋混凝土结构本体10的保护年限。

基于上述合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，本发明还提供一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，如图2所示，包括步骤：

S101、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。

S102、CFRP基体复合阳极材料设置在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面后，通过无机胶凝材料将CFRP基体复合阳极材料粘结设置在钢筋混凝土本体的加固区域。

S103、在所述主钢筋与CFRP基体复合阳极材料之间连接一用于对主钢筋施加预定大小的电流的外部电源。

本发明由于在整个系统中采用了CFRP基体复合阳极材料作为辅助阳极，省去了阴极保护系统中的控制系统和检测系统，显著提高结构修复的性价比。

综上所述，本发明所提供的一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法及系统，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基体复合阳极材料兼作加固材料和辅助阳极的双重特点，无需额外的辅助阳极，将结构加固系统和阴极保护系统整合成一个结构体系，从而达到结构加固和钢筋保护的双重效果，进而有效提高了钢筋混凝土结构的安全性和耐久性，以及明显降低了结构修复的成本。

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 (9)

1.一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，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、将CFRP基体复合阳极材料设置在钢筋混凝土结构本体的加固区域表面后，通过无机胶凝材料将CFRP基体复合阳极材料粘结设置在钢筋混凝土本体的加固区域；

C、在所述主钢筋与CFRP基体复合阳极材料之间连接一用于对主钢筋施加预定大小的电流的外部电源。

2.根据权利要求1所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其特征在于，所述CFRP基体复合阳极材料为综合利用CFRP力学性能和电学性能的以CFRP为基体，以无机胶凝材料为浸润覆盖物的复合材料。

3.根据权利要求1所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其特征在于，所述无机胶凝材料中添加用于修复界面性能的修复功能材料。

4.根据权利要求3所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

D、当CFRP基体复合阳极材料与主钢筋之间的驱动电压超过指定电压阈值或CFRP基体复合阳极材料与无机胶凝材料界面的氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时，修复功能材料破裂或激活并对界面性能进行修复。

5.一种结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，用于提高钢筋混凝土结构或构件的耐久性，其特征在于，包括通过无机胶凝材料浸润并粘结设置在所述钢筋混凝土结构本体的加固区域表面的CFRP基体复合阳极材料，及用于对埋置在钢筋混凝土结构本体中的多根主钢筋施加恒定大小的电流的外部电源；所述外部电源连接于主钢筋与CFRP基体复合阳极材料之间。

6.根据权利要求5所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其特征在于，所述CFRP基体复合阳极材料为综合利用CFRP的力学性能和电化学特性的以CFRP为基体的复合材料。

7.根据权利要求5所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其特征在于，所述主钢筋、混凝土、无机胶凝材料、CFRP基体复合阳极材料、外部电源依次电性连接。

8.根据权利要求5所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其特征在于，所述无机胶凝材料中添加用于修复界面性能的修复功能材料。

9.根据权利要求8所述结合阴极保护与结构加固的钢筋混凝土保护系统，其特征在于，所述修复功能材料在CFRP基体复合阳极材料与主钢筋之间的驱动电压超过指定电压阈值或氯离子浓度超过指定氯离子浓度阈值时自动破裂或激活，并对界面性能进行修复。