CN106119859A - 一种钢筋混凝土阴极保护装置 - Google Patents

一种钢筋混凝土阴极保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钢筋混凝土阴极保护装置，属于建筑材料防护的技术领域。本发明的钢筋混凝土阴极保护装置，包括阴极复合电极，所述阴极复合电极包括阴极主体，设置在所述阴极主体外表面的透明防护层，和设置在所述阴极主体下表面的集电极层；所述集电极层设置在混凝土层上，而且所述集电极层还通过导线与钢筋电性连接；所述阴极主体能够利用光电效应通过光线产生自由电子。本发明的阴极防护装置能够对钢筋混凝土提供充分的防腐蚀效果，而且由于未使用强制外加电源，大大减少了电力消耗、监控和维修成本；而且相较于普通的牺牲阳极，不仅提高了保护可靠性，提高了阴牺牲材料的使用寿命，减少了材料成本和维护成本。

Description

一种钢筋混凝土阴极保护装置
技术领域
本发明涉及汽车设计和制造的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种钢筋混凝土阴极保护装置。
背景技术
钢筋混凝土是指在混凝土中加入钢筋、钢筋网等形成的用来改善混凝土力学性能的结构。钢筋与混凝土有着相似的线膨胀系数，不会由温度变化而产生过大的应力，而且钢筋与混凝土之间粘结性好；并且混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，能够在钢筋表面形成一层钝化保护膜，使钢筋不易腐蚀，钢筋混凝土建筑结构相较于混凝土结构不仅大大提高了结构的强度和可靠性，而且还可以延长建筑基础的服役期限。因此，目前在建筑工程结构中，例如桥梁、公路、高楼等建筑基础结构绝大部分均采用的是钢筋混凝土结构，而我国也是世界上使用钢筋混凝土结构最多的地区。
伴随着大规模的基础建设以及钢筋混凝土的广泛运用，目前我国每年都有大量的桥梁、公路、高楼等由于老化等被评为不安全并需要对结构基础进行更换或大修，而这其中钢筋的腐蚀是其中的重要原因之一。而且更为严重的是，与理论的服役期限相比，许多钢筋混凝土结构遭受了过早的老化。研究表明氯化物的存在会破坏由碱性条件提供的钝化，氯离子使金属局部去钝化并促进活性金属溶解。由于钢筋上形成的腐蚀产物会占据更大的空间，从而导致钢筋混凝土内部产生内应力，而随着应力的积累最终会导致混凝土的开裂和剥落，另外钢筋的腐蚀还会降低钢筋的强度并减小混凝土结构的承载能力，从而导致钢筋混凝土结构性能的劣化甚至破坏。
对于钢筋混凝土结构的腐蚀问题，外加电流阴极保护方法已被证实是最为有效的方法，特别是当氯离子以显著的浓度存在于混凝土中时。外加电流阴极保护涉及电路的形成，其中钢筋充当与阳极电连接的阴极，当存在足够大的电势差时，就可以使得钢筋落于免蚀区，从而使得钢筋的腐蚀被降低或被阻止，进而达到保护钢筋的目的。
但是，通过外加电流阴极保护的方法和通过原电池的方法在阳极和阴极之间建立电势差。外加电流阴极保护涉及阳极、采用外部DC电源或AC电源施加的电流、以及整流器的使用。电源在可靠性和与持续电力消耗、监控和维修需求有关的成本的方面存在挑战，另外还可以通过提供牺牲阳极来对钢筋进行保护。牺牲阳极的缺点是有限的可用保护电流和有限的寿命。牺牲阳极经历持续的腐蚀或消耗，通常需要进行比较频繁的维护和更换。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种钢筋混凝土阴极保护装置。
为了实现上述发明目的，本发明的第一方面采用了以下技术方案：
一种钢筋混凝土阴极保护装置，包括阴极复合电极，其特征在于：所述阴极复合电极包括阴极主体，设置在所述阴极主体外表面的透明防护层，和设置在所述阴极主体下表面的集电极层；所述集电极层设置在混凝土层上，而且所述集电极层还通过导线与钢筋电性连接。
其中，所述阴极主体能够利用光电效应通过光线产生自由电子。
作为优选地，所述钢筋与所述凝胶阴极主体之间设置有电位计。
其中，所述阴极主体包括8.0~12.0wt%的用作阳极的金属颗粒、6.0~10.0wt%的氧化锌、3.0~5.0wt%的纳米水滑石、0.5~2.0wt%的硅烷偶联剂、1.5~3.0wt%的含巯基的化合物、68.0~81.0wt%的聚合物。
在本发明中，所述含巯基的化合物可以选自(甲基)丙烯酸2-巯基-1-羧乙酯、N-(2-巯乙基)丙烯酰胺、N-(2-巯基-1-羧乙基)丙烯酰胺，或N-(2-巯乙基)甲基丙烯酰胺中的一种；所述聚合物对可见光的透明度大于50%，优选大于70%。
本发明的第二方面还涉及一种钢筋混凝土的阴极保护方法。
具体来说所述方法包括以下步骤：提供一种阴极复合电极，所述阴极复合电极包括阴极主体，设置在所述阴极主体外表面的透明防护层，和设置在所述阴极主体下表面的集电极层；将所述集电极层设置在混凝土层上，并且所述集电极层还通过导线与钢筋电性连接。
其中，所述钢筋与所述阴极主体之间的电位差大于300mV，优选大于500 mV。
与现有技术相比，本发明所述的钢筋混凝土阴极保护装置具有以下有益效果：
本发明的阴极防护装置能够对钢筋混凝土提供充分的防腐蚀效果，而且由于未使用强制外加电源，大大减少了电力消耗、监控和维修成本；而且相较于普通的牺牲阳极，不仅提高了保护可靠性，提高了阴牺牲材料的使用寿命，减少了材料成本和维护成本。
附图说明
图1为本发明的钢筋混凝土阴极保护装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明所述的钢筋混凝土阴极保护装置做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，本发明中的钢筋混凝土阴极保护装置，包括阴极复合电极10，所述阴极复合电极10包括阴极主体12，设置在所述阴极主体12外表面的透明防护层14，和设置在所述阴极主体12下表面的集电极层16；所述集电极层16设置在混凝土层24上，而且所述集电极层16还通过导线与钢筋22电性连接。而钢筋混凝土结构20主要由钢筋22和混凝土层24构成，为了便于观察防护情况，所述钢筋22与所述阴极主体12之间设置有电位计30。在本发明中，所述阴极主体除了直接由牺牲阳极材料提供的电子外，还能够利用光电效应通过光线，尤其是可见光产生自由电子，进而对要求保护的钢筋混凝土结构20中的钢筋22提供腐蚀防护。
在本发明中，所述透明防护层是本领域公知的材料，例如可以选择聚四氟乙烯、二氧化硅和/或氧化铝防护层，其可以通过常规的方法例如喷涂或常规的物理气相沉积方法等，所述透明防护层可以预先以薄膜的形式制备然后覆盖在所述阴极主体上，也可以直接在所述阴极主体上形成。所述透明防护层对所述阴极主体提供阻水以及避免机械损伤，能够保证所述阴极主体可靠长久的工作。所述集电极层优选由导电性好的金属或合金材料制成，例如可以选择铜箔等材料，为了提高铜箔与阴极主体之间的粘附性，降低界面电阻，所述铜箔优选平均粗糙度小于1μm的电解铜箔。所述集电极可以通过导电压敏胶施加到钢筋混凝土结构的混凝土层上，并且所述阴极复合电极的布置应当考虑光照因素，优选布置在能够接收较多光照的区域，例如屋顶、桥梁上部、公路两侧等周围没有遮挡的区域。
具体来说，所述阴极主体由作为阳极的金属颗粒、氧化锌、纳米水滑石、硅烷偶联剂、含巯基的化合物，以及聚合物组成。作为优选地，所述阴极主体由8.0~12.0wt%的用作阳极的金属颗粒、6.0~10.0wt%的氧化锌、3.0~5.0wt%的纳米水滑石、0.5~2.0wt%的硅烷偶联剂、1.5~3.0wt%的含巯基的化合物、68.0~81.0wt%的聚合物组成。
在本发明中，所述金属颗粒是比钢筋腐蚀电位更低的金属，例如可以是锌、铝、锡或者它们的合金等，作为优选地所述金属颗粒为锌、铝或者它们的合金。所述金属颗粒的形状例如可以是球状、片状等。所述氧化锌又称为锌氧粉、锌白、锌白粉，为了充分发挥其光催化性能，在本发明中所述氧化锌优选纯度为99.0%以上的氧化锌，并且优选纳米氧化锌。所述纳米水滑石，纳米水滑石可为天然产品或人工合成产品，采用合成方法例如常规水热合成方法制备的纳米水滑石，其在电子显微镜下可呈现微纳米结构，因而在本发明中优选人工合成的纳米水滑石，并且进一步地，优选为锌铝纳米水滑石。在本发明中，将纳米水滑石与氧化锌配合使用，能够显著提高氧化锌的光催化性能，尤其是还与含巯基的化合物一起配合使用时。所述硅烷偶联剂可以选择烷氧基硅烷、氨基硅烷、环氧硅烷、脲基硅烷等，作为优选地，所述硅烷偶联剂可以选择氨基烷基三烷氧基硅烷和/或脲基烷基三烷氧基硅烷。所述含巯基的化合物可以选自(甲基)丙烯酸2-巯基-1-羧乙酯、N-(2-巯乙基)丙烯酰胺、N-(2-巯基-1-羧乙基)丙烯酰胺，或N-(2-巯乙基)甲基丙烯酰胺中的一种。所述聚合物作为可流动性加工的聚合物在本发明中并无特别限制，作为优选地为了发挥良好的光催化性能，所述聚合物的透明度要求较高，例如通常优选对可见光的透明度大于50%，优选大于70%的聚合物，作为这样的例子，例如可以选择苯乙烯类树脂、丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸类树脂、聚乙烯类树脂、聚丙烯类树脂、有机硅类树脂、聚酯类树脂、聚氨酯类树脂或聚酰胺类树脂等。
关于阴极主体的制备，通过将各种组分均匀混合到聚合物中即可，混合的温度优选为常温，或者在常温至低于100℃的温度，例如通常可以选择30~60℃的温度的范围。关于各组分的添加顺序，例如可以是在聚合物中添加各种组分，另外也可以将几种组分预先混合，然后再将它们与聚合物混合。作为优选地，在本发明中，可以先将氧化锌、纳米水滑石、含巯基的化合物和部分硅烷偶联剂先预混合，然后再与作为阳极的金属颗粒、聚合物以及剩余的硅烷偶联剂混合。
所述阴极主体例如可以通过涂布的方法，例如通过辊涂、刷涂的方法直接在集电极层（例如铜箔）上成型，或者通过加热熔融浇注的方法形成在集电极层上。然后再在所述阴极主体上形成透明防护层。
与普通的牺牲阳极结构，例如埋地网等结构相比，本发明的阴极保护装置设置在钢筋混凝土结构的外表面上，不仅避免了复杂的施工工序，而且日常维护也及其简单。另外，本发明的阴极防护装置在光照条件下，还能够在光照条件下通过光电催化效应还能够自主提供自由电子，能够大大减少牺牲阴极材料的消耗。
以下将结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
为了验证本发明的阴极保护装置的防护作用，在以下的实施例和比较例中采用的钢筋混凝土结构是采用425硅酸盐水泥制成的块状试样，其中每立方米的水泥用量为300Kg，块状试样的体积为20 cm×20 cm×15cm，其中心插入有直径为1.0，长度为20 cm的普通碳钢钢筋。为了方便，进行腐蚀加速试验，将钢筋混凝土浸渍在中心盐溶液中，所述中心盐溶液中，NaCl的含量为25g/L，MgCl2的含量为2.5 g/L，CaCl2的含量为1.5 g/L，Na2SO4的含量为3.4 g/L。实验的天数为180d（从3月份到9月份连续进行）。
实施例1
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由8.0wt%的锌粉、10.0wt%的纳米氧化锌、5.0wt%的纳米锌铝水滑石、2.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷、3.0wt%的丙烯酸2-巯基-1-羧乙酯，和余量的丙烯酸树脂组成。
实施例2
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由12.0wt%的锌粉、8.0wt%的纳米氧化锌、4.0wt%的纳米锌铝水滑石、2.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷、3.0wt%的N-(2-巯乙基)丙烯酰胺，和余量的丙烯酸树脂组成。
实施例3
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的二氧化硅保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由10.0wt%的锌粉、8.0wt%的纳米氧化锌、4.0wt%的纳米锌铝水滑石、2.0wt%的脲基烷基三甲氧基硅烷、3.0wt%的N-(2-巯乙基)甲基丙烯酰胺，和余量的甲基丙烯酸树脂组成。
比较例1
不进行任何防护。
比较例2
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由12.0wt%的锌粉、2.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷，和余量的丙烯酸树脂组成。
比较例3
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由25.0wt%的锌粉、3.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷，和余量的丙烯酸树脂组成。
比较例4
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由12.0wt%的锌粉、8.0wt%的纳米氧化锌、4.0wt%的纳米锌铝水滑石、2.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷，和余量的丙烯酸树脂组成。
比较例5
选择厚度为30μm的电解铜箔作为集电极层，在其上通过辊涂的方法形成厚度为0.5 mm的阴极主体，然后在阴极主体上涂覆厚度为10 μm的聚四氟乙烯保护膜得到阴极复合电极。将得到的阴极复合电极裁剪成5cm×5cm的面积，并通过导电胶将其施加到钢筋混凝土结构的混凝土层的外表面上，其中所述集电极层面对所述混凝土层的外表面，而所述聚四氟乙烯保护膜暴露于自然光照条件下，集电极层通过铜导线与普通碳钢钢筋电性连接。而电位计测量的电位为阴极主体与普通碳钢钢筋之间的电位差。所述阴极主体由12.0wt%的锌粉、8.0wt%的纳米氧化锌、2.0wt%的氨基烷基三甲氧基硅烷、3.0wt%的N-(2-巯乙基)丙烯酰胺，和余量的丙烯酸树脂组成。
采用上述实施例和比较例的方案对钢筋混凝土结构的块状试样中的钢筋在经过180天的腐蚀加速模拟实验后的失重（去除腐蚀产物后），然后计算其腐蚀速率（μm/年）和相对于未施加阴极防护时的缓蚀效率。另外，还通过电位计分别测量90天和180天时，阴极主体与钢筋之间的电位差，其结果分别如表1和表2所示。
表1
腐蚀速率（μm/年） 缓蚀效率（%）
实施例1 23 89%
实施例2 16 92%
实施例3 22 90%
比较例1 210 —
比较例2 153 27%
比较例3 78 63%
比较例4 132 37%
比较例5 143 32%
表2
90天 180天
实施例1 -527 mV -480 mV
实施例2 -570 mV -489mV
实施例3 -552 mV -475 mV
比较例1 — —
比较例2 -362 mV -23 mV
比较例3 -522 mV -320 mV
比较例4 -550 mV -35 mV
比较例5 -370 mV -55 mV
工业实用性
本发明的钢筋混凝土阴极保护装置提供了一种阴极防护装置，具有工业实用性。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢筋混凝土阴极保护装置，包括阴极复合电极，其特征在于：所述阴极复合电极包括阴极主体，设置在所述阴极主体外表面的透明防护层，和设置在所述阴极主体下表面的集电极层；所述集电极层设置在混凝土层上，而且所述集电极层还通过导线与钢筋电性连接。
2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述钢筋与所述凝胶阴极主体之间设置有电位计。
3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述阴极主体能够利用光电效应通过光线产生自由电子。
4.根据权利要求3所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述阴极主体包括8.0~12.0wt%的用作阳极的金属颗粒、6.0~10.0wt%的氧化锌、3.0~5.0wt%的纳米水滑石、0.5~2.0wt%的硅烷偶联剂、1.5~3.0wt%的含巯基的化合物、68.0~81.0wt%的聚合物。
5.根据权利要求4所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述金属颗粒由锌、铝、锡或者它们的合金制成。
6.根据权利要求4所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述硅烷偶联剂选自烷氧基硅烷、氨基硅烷、环氧硅烷或脲基硅烷中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述含巯基的化合物可以选自(甲基)丙烯酸2-巯基-1-羧乙酯、N-(2-巯乙基)丙烯酰胺、N-(2-巯基-1-羧乙基)丙烯酰胺，或N-(2-巯乙基)甲基丙烯酰胺中的一种。
8.根据权利要求4所述的钢筋混凝土阴极保护装置，其特征在于：所述聚合物对可见光的透明度大于50%，优选大于70%。
9.一种钢筋混凝土的阴极保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
提供一种阴极复合电极，所述阴极复合电极包括阴极主体，设置在所述阴极主体外表面的透明防护层，和设置在所述阴极主体下表面的集电极层；将所述集电极层设置在混凝土层上，并且所述集电极层还通过导线与钢筋电性连接。
10.根据权利要求9所述的钢筋混凝土的阴极保护方法，其特征在于：所述钢筋与所述阴极主体之间的电位差大于300mV。
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