CN107164768A - 一种钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法 - Google Patents

一种钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法 Download PDF

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吴德龙
刘小艳
徐晶
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徐俊
史晓婉
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Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法，包括钢筋、混凝土、钛网、石墨烯/碳纤维水泥基材料及电源，其中，所述钢筋连接所述电源的负极作为阴极；所述混凝土的孔溶液作为电解质；所述钛网连接所述电源的正极作为主阳极；所述石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极；所述钢筋、所述混凝土、所述钛网、所述石墨烯/碳纤维水泥基材料及所述电源形成所述阴极保护系统的回路。本发明实现钢筋混凝土阴极保护系统的低成本、低能耗以及经久耐用，对现有阴极保护技术进行改善和优化，为国内量大面广氯盐腐蚀工程提供经济有效的腐蚀防护技术，具有显著的经济效益和应用前景。

Description

一种钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法
技术领域
本发明涉及大型工业与民用建筑工程、水利工程、近海及海洋工程结构腐蚀防护技术领域，尤其涉及钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法。
背景技术
对于混凝土、盐碱地土壤以及海水环境中的钢筋腐蚀，外加电流阴极保护技术是最有效的防护措施之一。常规外加电流对钢筋混凝土实施阴极保护技术在欧美发达国家和国内工程中已得到应用。钢筋混凝土外加电流阴极保护技术最关键的问题是保护系统的搭建。而在阴极保护系统中阳极的选材、制备和结构设计又是关键中的关键。对于遭受氯盐污染的钢筋混凝土体系，要想提高阴极保护效率，均布于整个混凝土表面的性能优异的阳极需具备以下基本要求：(1)电子导电、电阻率低，以提供所需的保护电流，且保护电流能均匀分布于受保护钢筋表面；(2)具备电化学惰性，即低的阳极极化率，以保证有较长的使用寿命；(3)具有一定的力学性能，尤其与基底混凝土始终能有高的附着强度；(4)施工工艺简单，安置、固定和维护方便，对被保护构件的外观、尺寸、质量影响不大；(5)成本经济合理。
目前国内外研制成功并应用于钢筋混凝土结构阴极保护工程的阳极各具优缺点。热沥青和焦炭屑的混合物阳极由于焦炭屑较脆弱，导致阳极铺覆层强度较低、耐磨性差；石墨粉导电聚合物胶泥阳极弥补热沥青焦炭屑的混合物阳极不足，但由于阳极丝发生的酸化反应会造成胶泥和混凝土层的腐蚀；导电塑料电线网阳极使用寿命长，而阳极材料在阳极极化电流密度下具有较大的极化率，导致最大额定电流密度较低；钛基阳极电极强化寿命长，但工程成本过高。导电涂层阳极在干湿交替、冷热循环、紫外线暴露以及氯盐腐蚀严重或电流密度过大时会发生破损现象。因此，开发一种导电性能优异、电化学性能稳定、使用寿命长、力学与耐久性好且经济的新型阳极对于提高钢筋混凝土阴极保护效率意义非常重大。
发明内容
针对现有的各种阳极优缺点的现状，本发明提出了一种钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法，提高钢筋混凝土腐蚀防护效率，提升工程结构安全性和耐久性。
本发明提供如下技术方案：
一种钢筋混凝土阴极保护系统，包括钢筋、混凝土、钛网、石墨烯/碳纤维水泥基材料及电源，其中，所述钢筋连接所述电源的负极作为阴极；所述混凝土的孔溶液作为电解质；所述钛网连接所述电源的正极作为主阳极；所述石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极；所述钢筋、所述混凝土、所述钛网、所述石墨烯/碳纤维水泥基材料及所述电源形成所述阴极保护系统的回路。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护系统中，所述钢筋通过电导线与所述电源的负极连接。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护系统中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料铺覆在所述钢筋混凝土表面。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护系统中，作为主阳极的所述钛网埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料内组成复合阳极系统。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护系统中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度导电增强相，碳纤维为微观尺度导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护系统中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的重量配合比为：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纤维0.1～0.6g、碳纤维分散剂0.1～0.6g、消泡剂0.05～0.15g、水30～45g。
本发明还公开了一种钢筋混凝土阴极保护方法，包括如下步骤：
将钢筋连接电源的负极作为阴极的步骤；
将混凝土的孔溶液作为电解质的步骤；
将钛网连接所述电源的正极作为主阳极的步骤；
将石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极的步骤形成所述阴极保护系统的回路。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，所述钢筋通过电导线连接所述电源的负极作为阴极。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，还包括将所述石墨烯/碳纤维水泥基材料铺覆在钢筋混凝土表面的步骤。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，还包括将作为主阳极的所述钛网埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料内组成复合阳极系统的步骤。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度导电增强相，碳纤维为微观尺度导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的重量配合比为：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纤维0.1～0.6g、碳纤维分散剂0.1～0.6g、消泡剂0.05～0.15g、水30～45g。
优选的，在上述的钢筋混凝土阴极保护方法中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料的制备具体包括：首先在部分水中将石墨烯和碳纤维分别进行预分散，并通过磁力搅拌和超声波处理得到石墨烯悬浮液和碳纤维悬浮分散液；其次将硅灰、消泡剂、剩余水和两种分散液搅拌制成拌和料。
本发明基于辅助阳极石墨烯/碳纤维水泥基材料优异的导电性能、稳定的电化学性能，以均化保护电流，增大电流在钢筋混凝土构件表面保护范围，同时能降低保护所需外界驱动电压，提升阴极保护系统功能性；基于辅助阳极优异的力学性能和耐久性，提升钢筋混凝土结构安全性和服役寿命，从而实现阴极保护系统的功能结构一体化。本发明实现钢筋混凝土阴极保护系统的低成本、低能耗以及经久耐用，对现有阴极保护技术进行改善和优化，为国内量大面广氯盐腐蚀工程提供经济有效的腐蚀防护技术，具有显著的经济效益和应用前景。
附图说明
图1为本发明的钢筋混凝土阴极保护系统示意图；
图2-a为石墨烯/碳纤维水泥基材料辅助阳极的示意图；
图2-b为图2-a中A的放大示意图；
图2-c为图2-b中B的隧道电流放大示意图；
图2-d为图2-b中C的导电通路放大示意图；
图中：1-电源、2-导线、3-钛网、4-石墨烯/碳纤维水泥基材料、5-钢筋、6-混凝土
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的钢筋混凝土阴极保护系统及其保护方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图1，本实施例公开了一种钢筋混凝土阴极保护系统，包括钢筋5、混凝土6、钛网3、石墨烯/碳纤维水泥基材料4及电源1，其中，所述钢筋5通过导线2连接所述电源1的负极作为阴极；所述混凝土的孔溶液作为电解质；所述钛网3连接所述电源1的正极作为主阳极；所述石墨烯/碳纤维的水泥基材料4作为辅助阳极；所述钢筋5、所述混凝土6、所述钛网3、所述石墨烯/碳纤维水泥基材料4及所述电源1形成所述阴极保护系统的回路。
本实施例中下方的混凝土中有石头和沙子，上方的石墨烯/碳纤维水泥基材料中没有石头，甚至没有沙子。通过对所述混凝土6中所述钢筋5通负向电流，引起所述钢筋5电极电位负移，降低所述钢筋5表面电位，阻碍阳极腐蚀反应产生电子，从电化学反应的源头上遏制钢筋锈蚀地发生。
可选的，在上述实施例中，所述石墨烯/碳纤维的水泥基材料4铺覆在所述钢筋混凝土表面。
如此设计，所述石墨烯/碳纤维的水泥基材料4既作为钢筋保护层，又作为辅助阳极，实现结构功能一体化。辅助阳极是基于导电填料渗流理论和纤维分散理论模型，通过优化石墨烯和碳纤维含量和制备工艺制备而得各项力学性能优异、低电阻率水泥基功能材料。在宏观尺度上，如图2-a，石墨烯和碳纤维多尺度混杂分散在水泥基体中，密实水泥基体结构，碳纤维掺量达到渗流阈值，相互搭接成连续导电网络。在细观尺度上，如图2-b，石墨烯在外加电流作用下电子通过隧道效应跃迁到碳纤维上，并通过连通的碳纤维导电网络进行传输，弥补了单一碳纤维导电增强体系的不足，提高了复合材料导电性能。在微观尺度上，石墨烯或通过隧道电流效应传输载流子，如图2-c；或通过搭接导电通路直接传输载流子，如图2-d。石墨烯丰富了碳纤维间的导电网络，与碳纤维协同提高水泥基材料导电性能。
可选的，在上述实施例中，作为主阳极的所述钛网3埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维的水泥基材料4内组成复合阳极系统。
可选的，在上述实施例中，所述石墨烯和碳纤维水泥基材料4是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度(即纳米级)导电增强相，碳纤维为微观尺度(即微米级)导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
可选的，在上述实施例中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的重量配合比为：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纤维0.1～0.6g、碳纤维分散剂0.1～0.6g、消泡剂0.05～0.15g、水30～45g。
如此设计，所述电源1电流通过所述导线2传递至所述钛网3，进入到作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料4，并通过辅助阳极中石墨烯、碳纤维形成的导电网络进行传导。在导电填料石墨烯、碳纤维表面发生阳极反应，将空穴导电转换为离子导电再均匀分散流经混凝土保护层，到达所述钢筋5在阴极反应发生表面。一方面它满足传统辅助阳极系统要求：空穴导电(等效为电子沿反向流动)且导电性能良好；能较均匀地铺覆于被保护混凝土构件内所有的钢筋上；在被保护混凝土结构的任何表面上都便于安装、固定、维护，与基底混凝土表面始终具有高的附着强度；对被保护构件外观、尺寸、质量影响不大且成本合理。石墨烯/碳纤维水泥基材料辅助阳极既能均化保护电流，增大电流在钢筋混凝土构件表面保护范围，同时能降低保护所需外界驱动电压，发挥其功能增强效应；另一方面，由于石墨烯/碳纤维水泥基材料属于纤维增强材料，其抗压强度、抗弯强度得到整体提升，作为钢筋保护层，提高钢筋混凝土结构整体安全性，发挥其结构增强效应。
本实施例还公开了一种钢筋混凝土阴极保护方法，包括如下步骤：
S1:将钢筋连接电源的负极作为阴极的步骤；具体地，所述钢筋通过电导线连接所述电源的负极作为阴极；
S2:将混凝土的孔溶液作为电解质的步骤；
S3:将钛网连接所述电源的正极作为主阳极的步骤；
S4:将石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极的步骤形成所述阴极保护系统的回路。
可选的，在上述实施例中，还包括步骤S5:将所述石墨烯和碳纤维水泥基材料铺覆在钢筋混凝土表面的步骤。
可选的，在上述实施例中，还包括步骤S6:将作为主阳极的所述钛网埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料内组成复合阳极系统的步骤。
需说明的是，上述步骤S5与S6并无严格先后顺序，可以先执行步骤S5，也可以先执行步骤S6。
可选的，在上述实施例中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度导电增强相，碳纤维为微观尺度导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
可选的，在上述实施例中，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的重量配合比为：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纤维0.1～0.6g、碳纤维分散剂0.1～0.6g、消泡剂0.05～0.15g、水30～45g。
可选的，在上述实施例中，石墨烯/碳纤维水泥基材料的制备具体包括：首先在部分水中将石墨烯和碳纤维分别进行预分散，并通过磁力搅拌和超声波处理得到石墨烯悬浮液和碳纤维悬浮分散液；其次将硅灰、消泡剂、剩余水和两种分散液搅拌制成拌和料；然后将拌和料均匀铺覆浇筑在钢筋混凝土上表面，作为辅助阳极。同时在辅助阳极材料内埋入一片活化钛网作为主阳极。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，包括钢筋、混凝土、钛网、石墨烯/碳纤维水泥基材料及电源，其中，
所述钢筋连接所述电源的负极作为阴极；
所述混凝土的孔溶液作为电解质；
所述钛网连接所述电源的正极作为主阳极；
所述石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极；
所述钢筋、所述混凝土、所述钛网、所述石墨烯/碳纤维水泥基材料及所述电源形成所述阴极保护系统的回路。
2.如权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，所述钢筋通过电导线与所述电源的负极连接。
3.如权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料铺覆在所述钢筋混凝土表面。
4.如权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，作为主阳极的所述钛网埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料内组成复合阳极系统。
5.如权利要求1所述的钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度导电增强相，碳纤维为微观尺度导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
6.如权利要求5所述的钢筋混凝土阴极保护系统，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的重量配合比为：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纤维0.1～0.6g、碳纤维分散剂0.1～0.6g、消泡剂0.05～0.15g、水30～45g。
7.一种钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
将钢筋连接电源的负极作为阴极的步骤；
将混凝土的孔溶液作为电解质的步骤；
将钛网连接所述电源的正极作为主阳极的步骤；
将石墨烯/碳纤维水泥基材料作为辅助阳极的步骤形成所述阴极保护系统的回路。
8.如权利要求7所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，所述钢筋通过电导线连接所述电源的负极作为阴极。
9.如权利要求7所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，还包括将所述石墨烯/碳纤维水泥基材料铺覆在钢筋混凝土表面的步骤。
10.如权利要求7所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，还包括将作为主阳极的所述钛网埋入作为辅助阳极的所述石墨烯/碳纤维水泥基材料内组成复合阳极系统的步骤。
11.如权利要求7所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料是以水泥为胶凝材料，硅灰为矿物掺合料，石墨烯为纳观尺度导电增强相，碳纤维为微观尺度导电增强相，并添加相关导电填料分散剂复合而成的水泥基功能复合材料。
12.如权利要求11所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纤维、碳纤维分散剂、消泡剂和水，各成分的配合比(g)：水泥80～100、硅灰1～10、石墨烯0.1～2.0、碳纤维0.1～0.6、碳纤维分散剂0.1～0.6、消泡剂0.05～0.15、水30～45。
13.如权利要求12所述的钢筋混凝土阴极保护方法，其特征在于，所述石墨烯/碳纤维水泥基材料的制备具体包括：首先在部分水中将石墨烯和碳纤维分别进行预分散，并通过磁力搅拌和超声波处理得到石墨烯悬浮液和碳纤维悬浮分散液；其次将硅灰、消泡剂、剩余水和两种分散液搅拌制成拌和料。
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