CN106894647B - 一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法，包括在钢筋混凝土外周通过胶粘剂包裹碳纤维布，在外加电源条件下，达到加固与锈蚀保护作用，其中电源装置中阳极连接碳纤维布，阴极连接钢筋。本发明首次将工程结构加固和阴极保护技术相结合，不仅发挥了现有的碳纤维布加固混凝土技术优点，实现混凝土结构的补强加固，有效提高被加固结构的承载力和延性以满足设计要求；同时充分利用了碳纤维布导电性好、电极电位高的电化学特性，在不需要额外阳极材料的情况下，有效防止钢筋锈蚀，节约成本，简化施工。

Description

一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法
技术领域
本发明涉及一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法。
背景技术
钢筋混凝土结构作为我国最重要的工程结构形式之一，其耐久性是工程界关注的重要课题。其中，氯化物侵入导致的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性失效最普遍、最严重的因素。一般情况下，混凝土呈高碱性，钢筋表面处于钝化，不会发生锈蚀。但在海洋环境或被盐污染的环境中，氯离子会通过扩散、渗透和毛细管吸附等作用进入并透过混凝土保护层，与钢筋钝化膜发生化学反应，破坏钝化膜，引起钢筋锈蚀。钢筋锈蚀已导致大量混凝土结构力学性能降低，迫切需要对这些结构进行维修加固。
碳纤维布加固混凝土结构技术由于轻质高强、耐腐蚀性好、热膨胀系数小、可设计性强、耐疲劳性能好、自重轻、施工高效便捷、对结构外观影响小等优点，已经逐步应用于锈蚀钢筋混凝土结构加固，经过大量工程实践表明，采用碳纤维布加固能显著改善钢筋锈蚀混凝土结构的力学性能。但是，仅仅考虑提高混凝土结构构件承载力，这对结构寿命远远不够。因为在结构加固后，由于服役结构仍处于氯离子侵蚀环境中，混凝土结构中的钢筋将会继续锈蚀。因此，如何有效阻止钢筋锈蚀对工程结构加固是一个非常重要的工作。
由于混凝土中钢筋的锈蚀属于电化学腐蚀，而阴极保护法能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，能有效保护钢筋，因此得到了广泛的应用；阴极保护法是采用外加电流或引入电位更负的阳极材料，将足够量的电子输送到钢筋表面，强制使钢筋成为阴极，阻止钢筋释放电子，从而抑制钢筋的腐蚀。
对于在海洋环境或盐污染环境下的混凝土中的钢筋锈蚀问题，阴极保护被认为是唯一已证实能完全制止钢筋锈蚀破坏的维修技术。由于非饱水状态的混凝土电阻率很高且不均匀，受环境影响大，因此主阳极材料的选择和铺设方式成为阴极保护技术应用的关键。出于耐久性和施工的考虑，要求阴极保护所选取的主阳极材料具有电化学惰性、使用寿命长、安装方便等特点。目前，常见的主阳极材料主要包括镀铂钛丝、镀铂铌丝、活化钛板网、黄铜板、不锈钢板和导电塑料网等。但由于覆盖面不够、覆盖强度低、安装难度大等缺点，这些阳极材料的应用还局限于实验室的试点研究中。而选用碳纤维布作为主阳极材料，已在阴极保护系统中成功应用。此外，与上述主阳极材料相比，碳纤维布可以做到大面积覆盖，且沿纤维长度方向强度高，其柔软的质地使其可以应用在各种不平的表面，因此成为阴极保护系统主阳极材料的优先选择。
发明内容
本发明提出的一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法，将工程结构加固和阴极保护的技术充分结合起来，选用碳纤维布同时作为混凝土结构的加固材料和阴极保护的主阳极材料。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法,包括以下步骤：(1)去除钢筋混凝土表层的表面浮浆后用清洗剂Dynatex4966对钢筋混凝土表层进行清洗，再用砂轮对其进行粗化处理至露出坚实的骨料新面，然后涂刷胶粘剂；(2)将碳纤维布通过胶黏剂包裹粘贴在钢筋混凝土外周，所述碳纤维布的两端相互接触；(3)通过检测钢筋之间电阻或电位差的方法，检测钢筋混凝土中所有需要保护的钢筋是否具有良好的电连续性，如为否，则采用连接导线或绑扎附加钢筋的方法保证其电连接性，避免阴极保护引起的杂散电流腐蚀；(4)将钢筋和碳纤维布通过导线连接于外部稳定直流电源装置，所述电源装置中阳极连接碳纤维布，阴极连接钢筋。
所述的胶粘剂由A、B两组份组成：包括A组份和B组份；所述A组份包括下述重量份的原料：环氧树脂80-100份，活化磷片石墨25-35份，无水乙醇5-15份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮1-2份；所述B组份包括12-15重量份的固化剂三乙醇胺。
所述的胶粘剂制备步骤如下：(1)将鳞片石墨在10％NaOH溶液中煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；然后将洗涤后的鳞片石墨再用10％HNO3煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性后在120℃条件下真空干燥，使鳞片石墨活化，得到活化磷片石墨，备用；
(2)按配方分别准确称量A组份各原料，首先将环氧树脂加入到乙醇溶液中，采用超声震荡仪持续震荡，使环氧树脂充分稀释；然后继续加入活化鳞片石墨和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，继续超声震荡，使活化鳞片石墨和分聚乙烯吡咯烷酮在环氧树脂中分散均匀，得到A组分；
(3)按配方准确称量B组份原料固化剂三乙醇胺，将其加入上步所制得的A组份中快速搅拌后超声震荡5min，即得。
所述环氧树脂采用双酚A型环氧树脂；
所述活化磷片石墨中鳞片石墨粒径在10微米-44微米之间。
所述的胶粘剂的体积电阻率小于1Ω·cm；导电性胶粘剂抗拉强度≥40MPa，受拉弹性模量≥2500MPa，延伸率≥1.5％，抗压强度≥70MPa，抗弯强度≥50MPa；与混凝土的正拉粘结强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。
所述步骤2中将碳纤维布粘贴在钢筋混凝土外周具体操作为：用滚筒刷以均匀接触压力将碳纤维布紧密、平整的粘贴于钢筋混凝土表层。
所述外加阴极电流前，应先用电化学方法测定钢筋混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
本发明提供了一种可以提高结构构件承载力和防止钢筋继续锈蚀的加固方法，碳纤维布作为加固材料的同时兼作钢筋锈蚀保护的阳极材料，实现补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的，使碳纤维布的材料优点充分发挥。
目前，碳纤维布加固混凝土结构技术已经成功应用于混凝土结构加固补强，该技术有效利用了碳纤维布的轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳性好等优点，并且加固方法操作简单、施工方便、几乎不占用空间，作业期间不影响建筑物发挥正常的使用功能。与现有的碳纤维布加固混凝土技术相比，本发明不仅体现了现有的碳纤维布加固混凝土技术优点，实现混凝土结构的补强加固，同时充分利用了碳纤维布的电化学特性来解决混凝土结构钢筋锈蚀问题，通过外部稳定直流电源装置(强制电流法)给钢筋持续施加一定密度的阴极电流，将其阴极极化到一定程度，从而使得在钢筋上的阳极反应被阻止或降低到最小程度。实现了碳纤维布既作为补强所需的材料，又作为钢筋锈蚀保护的阳极材料，达到混凝土结构补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的，使碳纤维布的材料优点充分发挥。
本发明一方面利用碳纤维布轻质高强的特点，在不增加结构自重的情况下，可显著提高混凝土结构承载力，施工高效便捷。另一方面，利用碳纤维布的耐腐蚀和导电的优点，根据电化学的强制电流阴极保护原理：通过外部直流电源设备(强制电流法)给钢筋持续施加一定密度的阴极电流，将其阴极极化到一定程度，从而使得在钢筋上的阳极反应被阻止或降低到最小程度。由于碳纤维布粘贴在钢筋混凝土结构表面，保护电流能持续、均匀地分布于整个保护范围内，阴极保护效果更好。从而达到补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的。
与现有的碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土技术相比，本发明首次将工程结构加固和阴极保护技术相结合，不仅发挥了现有的碳纤维布加固混凝土技术优点，实现混凝土结构的补强加固，有效提高被加固结构的承载力和延性以满足设计要求；同时充分利用了碳纤维布导电性好、电极电位高的电化学特性，在不需要额外阳极材料的情况下，有效防止钢筋锈蚀，节约成本，简化施工。
所述的由外部稳定直流电源提供的恒定保护电流密度，其取值根据钢筋周围的环境不同而略有不同。已有资料表明，受到盐污染的钢筋表面保护电流密度一般在20mA/m2左右。为达到良好的阴极保护效果，外加阴极电流前，通过电化学方法测定混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
本发明所采用的技术原理是：
碳纤维布作为加固材料时，主要利用纤维布的高强特性来提高混凝土结构的宏观力学性能；同时利用碳纤维布优良的导电性和物质稳定性，将碳纤维布兼做阴极保护的阳极材料；通过外部直流电源设备(强制电流法)给钢筋持续施加一定密度的保护电流，将足够量的电子输送到金属表面，强制使被保护金属成为阴极，阻止其释放电子，从而使得在钢筋上的阳极反应被阻止或降低到最小程度，达到抑制腐蚀的目的。
本发明的技术效果在于：
1、碳纤维布用于加固混凝土柱同时兼作钢筋锈蚀保护的阳极材料，既发挥碳纤维布加固混凝土柱的优点，又能有效阻止加固后柱钢筋的锈蚀，达到补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的，充分发挥了碳纤维布的材料优点；
2、该发明提高混凝土结构的承载力同时增加结构的服役寿命，对近海和沿海地区混凝土结构的补强加固均可采用；
3、该方法把碳纤维布作为钢筋锈蚀保护的阳极材料，有效避免阳极材料的腐蚀问题；
4、该方法加固时操作简单、施工方便、几乎不占用空间，作业期间不影响建筑物发挥正常的使用功能。
附图说明
图1为碳纤维布用于钢筋混凝土结构加固和钢筋锈蚀保护的示意图；
图2为碳纤维布用于钢筋混凝土结构加固和钢筋锈蚀保护的立面图；
图3为图2的A-A剖面图；
图1～图3中图号所示构件名称为：1—钢筋混凝土结构；2—导电性胶粘结；3—横向碳纤维丝；4—碳纤维布；5—钢筋；6—直流电装置。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例1
参见图1-3，(1)去除钢筋混凝土表层的表面浮浆后用清洗剂Dynatex4966对钢筋混凝土表层进行清洗，去除油渍、灰尘等，再用砂轮对其进行粗化处理至露出坚实的骨料新面，然后涂刷具有导电性、高粘结强度的自配胶粘剂；(2)采用单根碳纤维对碳纤维布两个端部进行横向连接，使整块碳纤维布上的电流能够均匀分布；(3)滚动滚筒刷以均匀接触压力将碳纤维布粘贴于混凝土表层，并去除气泡、凸起等缺陷；(4)通过检测钢筋之间电阻或电位差的方法，检测所有需要保护的钢筋是否具有良好的电连续性，否则，应采用连接导线或绑扎附加钢筋的方法保证其电连接性，避免阴极保护引起的杂散电流腐蚀；(5)将钢筋和碳纤维通过导线连接于外部稳定直流电源装置；(6)根据加固构件的尺寸和钢筋锈蚀程度调节所需电流并保持通电，阳极连接碳纤维，阴极连接钢筋，持续施加恒定的保护电流。同时实现结构加固和阴极保护的双重功能。
所述的具有导电性、高粘接强度的自配胶粘剂制备步骤如下：1、鳞片石墨活化处理：先将鳞片石墨在10％NaOH溶液中煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；再用10％HNO3煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；最后在120℃条件下真空干燥，使鳞片石墨活化，备用；
2、使用多功能电子天平按配方准确称量A组份原料：80份环氧树脂和5份无水乙醇，采用超声震荡仪持续震荡10min，加入经过活化处理的鳞片石墨25份和分散剂聚乙烯吡咯烷酮1份，继续超声震荡15min；
3、使用多功能电子天平按配方准确称量B组份原料：固化剂三乙醇胺12份，将其加入A组份中快速搅拌后超声震荡5min，即完成导电结构胶的制备。
配制好的导电结构胶最好在10min内用完，以免胶体固化影响粘接效果。
所述环氧树脂采用双酚A型环氧树脂；
所述活化磷片石墨中鳞片石墨粒径在10微米-44微米之间。
所述的胶粘剂的体积电阻率小于1Ω·cm；导电性胶粘剂抗拉强度≥40MPa，受拉弹性模量≥2500MPa，延伸率≥1.5％，抗压强度≥70MPa，抗弯强度≥50MPa；与混凝土的正拉粘结强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。
所述的由外部稳定直流电源提供的恒定保护电流密度，其取值根据钢筋周围的环境不同而略有不同。已有资料表明，受到盐污染的钢筋表面保护电流密度一般在20mA/m2左右。为达到良好的阴极保护效果，外加阴极电流前，通过电化学方法测定混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
实施例2
参见图1-3，(1)去除钢筋混凝土表层的表面浮浆后用清洗剂Dynatex4966对钢筋混凝土表层进行清洗，去除油渍、灰尘等，再用砂轮对其进行粗化处理至露出坚实的骨料新面，然后涂刷具有导电性、高粘结强度的自配胶粘剂；(2)采用单根碳纤维对碳纤维布两个端部进行横向连接，使整块碳纤维布上的电流能够均匀分布；(3)滚动滚筒刷以均匀接触压力将碳纤维布粘贴于混凝土表层，并去除气泡、凸起等缺陷；(4)通过检测钢筋之间电阻或电位差的方法，检测所有需要保护的钢筋是否具有良好的电连续性，否则，应采用连接导线或绑扎附加钢筋的方法保证其电连接性，避免阴极保护引起的杂散电流腐蚀；(5)将钢筋和碳纤维通过导线连接于外部稳定直流电源装置；(6)根据加固构件的尺寸和钢筋锈蚀程度调节所需电流并保持通电，阳极连接碳纤维，阴极连接钢筋，持续施加恒定的保护电流。同时实现结构加固和阴极保护的双重功能。
1.所述的具有导电性、高粘接强度的自配胶粘剂制备步骤如下：鳞片石墨活化处理：先将鳞片石墨在10％NaOH溶液中煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；再用10％HNO3煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；最后在120℃条件下真空干燥，使鳞片石墨活化，备用；
2.使用多功能电子天平按配方准确称量A组份原料：100份环氧树脂和7份无水乙醇，采用超声震荡仪持续震荡10min，加入经过活化处理的鳞片石墨30份和分散剂聚乙烯吡咯烷酮2份，继续超声震荡15min；
3、使用多功能电子天平按配方准确称量B组份原料：固化剂三乙醇胺14份，将其加入A组份中快速搅拌后超声震荡5min，即完成导电结构胶的制备。
配制好的导电结构胶最好在10min内用完，以免胶体固化影响粘接效果。
所述环氧树脂采用双酚A型环氧树脂；
所述活化磷片石墨中鳞片石墨粒径在10微米-44微米之间。
所述的胶粘剂的体积电阻率小于1Ω·cm；导电性胶粘剂抗拉强度≥40MPa，受拉弹性模量≥2500MPa，延伸率≥1.5％，抗压强度≥70MPa，抗弯强度≥50MPa；与混凝土的正拉粘结强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。
所述的由外部稳定直流电源提供的恒定保护电流密度，其取值根据钢筋周围的环境不同而略有不同。已有资料表明，受到盐污染的钢筋表面保护电流密度一般在20mA/m2左右。为达到良好的阴极保护效果，外加阴极电流前，通过电化学方法测定混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
实施例3
参见图1-3，(1)去除钢筋混凝土表层的表面浮浆后用清洗剂Dynatex4966对钢筋混凝土表层进行清洗，去除油渍、灰尘等，再用砂轮对其进行粗化处理至露出坚实的骨料新面，然后涂刷具有导电性、高粘结强度的自配胶粘剂；(2)采用单根碳纤维对碳纤维布两个端部进行横向连接，使整块碳纤维布上的电流能够均匀分布；(3)滚动滚筒刷以均匀接触压力将碳纤维布粘贴于混凝土表层，并去除气泡、凸起等缺陷；(4)通过检测钢筋之间电阻或电位差的方法，检测所有需要保护的钢筋是否具有良好的电连续性，否则，应采用连接导线或绑扎附加钢筋的方法保证其电连接性，避免阴极保护引起的杂散电流腐蚀；(5)将钢筋和碳纤维通过导线连接于外部稳定直流电源装置；(6)根据加固构件的尺寸和钢筋锈蚀程度调节所需电流并保持通电，阳极连接碳纤维，阴极连接钢筋，持续施加恒定的保护电流。同时实现结构加固和阴极保护的双重功能。
所述的具有导电性、高粘接强度的自配胶粘剂制备步骤如下：1、鳞片石墨活化处理：先将鳞片石墨在10％NaOH溶液中煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；再用10％HNO3煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；最后在120℃条件下真空干燥，使鳞片石墨活化，备用；
2、使用多功能电子天平按配方准确称量A组份原料：90份环氧树脂和15份无水乙醇，采用超声震荡仪持续震荡10min，加入经过活化处理的鳞片石墨35份和分散剂聚乙烯吡咯烷酮1.5份，继续超声震荡15min；
3、使用多功能电子天平按配方准确称量B组份原料：固化剂三乙醇胺15份，将其加入A组份中快速搅拌后超声震荡5min，即完成导电结构胶的制备。
配制好的导电结构胶最好在10min内用完，以免胶体固化影响粘接效果。
所述环氧树脂采用双酚A型环氧树脂；
所述活化磷片石墨中鳞片石墨粒径在10微米-44微米之间。
所述的胶粘剂的体积电阻率小于1Ω·cm；导电性胶粘剂抗拉强度≥40MPa，受拉弹性模量≥2500MPa，延伸率≥1.5％，抗压强度≥70MPa，抗弯强度≥50MPa；与混凝土的正拉粘结强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。
所述的由外部稳定直流电源提供的恒定保护电流密度，其取值根据钢筋周围的环境不同而略有不同。已有资料表明，受到盐污染的钢筋表面保护电流密度一般在20mA/m2左右。为达到良好的阴极保护效果，外加阴极电流前，通过电化学方法测定混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于钢筋混凝土结构加固与钢筋锈蚀保护的方法,其特征在于：包括以下步骤：(1)去除钢筋混凝土表层的表面浮浆后用清洗剂对钢筋混凝土表层进行清洗，再用砂轮对其进行粗化处理至露出坚实的骨料新面，然后涂刷胶粘剂；(2)将碳纤维布通过胶黏剂包裹粘贴在钢筋混凝土外周，所述碳纤维布的两端相互接触；(3)通过检测钢筋之间电阻或电位差的方法，检测钢筋混凝土中所有需要保护的钢筋是否具有良好的电连续性，如为否，则采用连接导线或绑扎附加钢筋的方法保证其电连接性，避免阴极保护引起的杂散电流腐蚀；(4)将钢筋和碳纤维布通过导线连接于外部稳定直流电源装置，所述电源装置中阳极连接碳纤维布，阴极连接钢筋；所述的胶粘剂由A、B两组份组成：包括A组份和B组份；所述A组份包括下述重量份的原料：环氧树脂80-100份，活化磷片石墨25-35份，无水乙醇5-15份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮1-2份；所述B组份包括12-15重量份的固化剂三乙醇胺。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的胶粘剂制备步骤如下：(1)将鳞片石墨在10％NaOH溶液中煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性；然后将洗涤后的鳞片石墨再用10％HNO3煮沸10min，冷却至室温，过滤，用蒸馏水洗涤至中性后在120℃条件下真空干燥，使鳞片石墨活化，得到活化磷片石墨，备用；
(2)按配方分别准确称量A组份各原料，首先将环氧树脂加入到乙醇溶液中，采用超声震荡仪持续震荡，使环氧树脂充分稀释；然后继续加入活化鳞片石墨和分散剂聚乙烯吡咯烷酮，继续超声震荡，使活化鳞片石墨和分聚乙烯吡咯烷酮在环氧树脂中分散均匀，得到A组分；
(3)按配方准确称量B组份原料固化剂三乙醇胺，将其加入上步所制得的A组份中快速搅拌后超声震荡5min，即得。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于：1)所述环氧树脂采用双酚A型环氧树脂；2)所述活化磷片石墨中鳞片石墨粒径在10微米-44微米之间。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的胶粘剂的体积电阻率小于1Ω·cm；导电性胶粘剂抗拉强度≥40MPa，受拉弹性模量≥2500MPa，延伸率≥1.5％，抗压强度≥70MPa，抗弯强度≥50MPa；与混凝土的正拉粘结强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中清洗剂为Dynatex4966。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中将碳纤维布粘贴在钢筋混凝土外周具体操作为：用滚筒刷以均匀接触压力将碳纤维布紧密、平整的粘贴于钢筋混凝土表层。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于：外加阴极电流前，应先用电化学方法测定钢筋混凝土内钢筋的腐蚀电流密度，根据“阴极保护效应”，设定保护电流密度。
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