CN107740114B - 一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置 - Google Patents

一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,主要用于土木建筑的主体和框架结构中,本发明与传统的阴极保护系统相结合,实现比在常规阴极保护系统中更好的相同程度。在电场作用下,从混凝土中转移污染物离子,然后立即进行阴极保护,通过在外部阳极、外部阴极与控制系统之间设置微电流监控传感器、微电流记录分析系统,实现了智能化控制,提供一种工作性能好、低成本智能化、施工方便的缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置。

Description

一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置
技术领域
本发明涉及混凝土领域,具体涉及一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置。
背景技术
混凝土与其他用于建筑物的材料相比,造价低、耐久、取材方便,因此成为现今地下设施结构、房屋建筑、桥隧结构、水下工程、海湾港口等土木建设工程的主要材料。但是,混凝土由于内部结构与水化产物的原因,易受空气、地下水及土壤中的有害成分的化学侵蚀,造成其强度、体积变形和使用寿命等缺陷,导致其性能的下降。以致目前较多混凝土结构的房屋未达到预定的服役年限就提前失去原有结构功能。
混凝土耐久性破坏又可分为冻融破坏、碱集料反应、混凝土碳化、硫酸盐侵蚀和氯离子侵蚀等。
混凝土耐久性破坏中混凝土的碳化是指混凝土内水泥石中的氢氧化钙、C-S-H凝胶等与空气中的二氧化 碳、在湿度相宜时发生化学反应,生成碳酸钙和水,也称混凝土的中性化。碳化作用对于混凝土的弊端在于:a、减弱了混凝土对钢筋的保护作用。 b、增加混凝土的收缩。 c、氢氧化钙的大量流失,导致C-S-H凝 胶分解,混凝土粉化。
混凝土耐久性破坏中有害离子:
(1)氯离子:氯离子的渗透能力强,易渗入混凝土内,使混凝土的钢筋表面局部产生腐蚀电池。
Fe- 2e = Fe2+ ; 2Cl- + Fe2 + + nH2O = FeCl2·nH2O ; FeCl2·nH2O → Fe(OH)2 + 2Cl- 。
钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度所需的时间,主要取决于混凝土的质量、保护层厚度、环境温湿度、钢筋产生锈蚀的阈值浓度等因素。
(2)硫酸盐侵蚀 硫酸根离子与水泥石中的水化铝酸钙作用生 成高硫型水化硫铝酸钙,其反应式为
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,生成的高硫型水化硫铝酸钙含有大量的结晶水,比原体积增加1.5倍以上,因此对水泥石起 极大的膨胀破坏作用。
a、硫酸盐对混凝土腐蚀过程当中,因钙矾石的形成 而导致严重开裂。 b、当氯盐存在时,将通过膨胀通道加速扩散过程, 加剧钢筋混凝土中钢筋的腐蚀。 c、当硫酸盐和氯盐复合存在时,会严重降低钢筋混 凝土的耐久性和服役寿命。
碱—集料反应 :集料中的活性氧化硅与水泥中的碱性氧性 物之间的化学作用。这种反应的结果是在集料 表面生成了复杂的碱硅酸凝胶,在不断吸水的情况下,体积会无限膨胀,会把水泥石胀裂并 产生胶体外流等现象,严重地损坏混凝土的结 构。
冻融破坏 :混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破 坏作用称为冻融循环破坏。 混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用 是混凝土发生冻融破坏的必要条件。
关于混凝土缺陷,我国规范《混凝土结构加固设计规范》 GB50367-2013给出了具体加固方法为:针对强度不够,可以选用侵泡纤维或纤维复合材料粘贴以达到增强强度的目的;针对内部缺陷,可以选用水泥、超细水泥、环氧树脂浆液、聚氨酯浆液等材料进行注射或者灌浆的方式进行加固。
规范中提供的两种方法存在以下缺陷: (1)贴纤维或纤维复合材料只是一种表面处理方法,无法从根本上解决问题;(2)注射或者灌注水泥类、环氧类、聚氨酯类注浆材料,存在混凝土加固不均问题;(3)以上两种方法对氯离子和硫酸根离子产生的腐蚀危害没法处理。
现有的技术中缺少针对缺陷混凝土电化学加固修复装置。
发明内容
本发明提供一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,实现比在常规阴极保护系统中更好的相同程度。在电场作用下,从混凝土中转移污染物离子,并进行阴极保护,通过在外部阳极、外部阴极与控制系统之间设置微电流监控传感器、微电流记录分析系统,实现了智能化控制。
本发明的目的在于提供一种工作性能好、低成本智能化、施工方便的混凝土抗腐蚀系统。
本发明的技术解决方案是:一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于,包括钢筋加固的混凝土、钢筋、控制系统、电极、微电流监控传感器、微电流记录分析系统、设备外接插孔、信号发射器、微电流监控传感器、微电流记录分析系统,其中,电极包括外部阳极、外部阴极,电极为石墨烯构成,其中包括导电基底、石墨烯设置在导电基底上,且石墨烯表面设置有金属氧化物;石墨烯与金属氧化物构成石墨烯/金属氧化物电极料;所述导电基底包括钛板、石墨片、不锈钢板或玻碳片中的任意一种或至少两种的组合;所述金属氧化物包括氧化钌、氧化铱、氧化钯、氧化铂、氧化铅、氧化锡或氧化锑中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述金属氧化物的粒径为2nm-2μm,优选为20nm-400nm。
所述电极的制作步骤包括:
(1) 导电基底/石墨烯电极作为工作电极,向电解液中加入金属盐前驱体的水溶液,采用循环伏安法,进行电沉积反应,并在电沉积反应结束后对完成电沉积反应的电极进行热处理,得到导电基底/石墨烯/金属氧化物电极;
(2) 采用玻碳片作为对电极,优选采用甘汞电极SCE作为参比电极,通过电沉积法在步骤(1)得到的导电基底/石墨烯电极上沉积金属氧化物,制备导电基底/石墨烯/金属氧化物电极,所述电沉积反应过程中,循环伏安法中的循环数的范围为6-6000,优选为15-800,进一步优选为60-400。
步骤(1)所述金属盐前驱体包括铱盐、钯盐、铂盐、铅盐、锑盐中的任意一种或至两种的混合物.
优选地,所述铱盐包括氯化铱、醋酸铱、氯铱酸钾、氯铱酸钠或氯铱酸铵中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地,所述钯盐包括氯化钯、醋酸钯、硝酸钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠或氯钯酸铵中的任意一种或至少两种的混合物。
优选地,所述铂盐包括四氯化铂、氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾、氯铂酸钠或氯铂酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述铅盐包括醋酸铅和/或硝酸铅。
优选地,所述锡盐包括氯化锡、硫酸锡或硝酸锡中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述锑盐包括氯化锑和/或硝酸锑。
所述金属盐前驱体的水溶液的浓度为0.2mM-300mM优选地,所述电解液为盐酸或硫酸与KCl溶液的混合溶液;优选地,所述电解液的浓度为0.002M-2M,优选地,所述电解液的温度为10℃-80℃;优选地,步骤(2)所述热处理的温度为20℃-400℃;优选地,步骤(2)所述热处理的时间为0.4h-11h。
所述方法还包括在步骤(2)所述电沉积反应结束后,热处理之前进行洗涤的步骤:将完成电沉积反应的电极用去离子水冲洗;往导电基底的工作面积内没有石墨烯的位置滴涂聚四氟乙烯,晾干,使导电基底的工作面积全部被石墨烯和聚四氟乙烯覆盖,以确保金属氧化物只沉积在石墨烯的表面。
阴极按设计要求每60㎡设置一个,阴极根据对应的阳极各单回路铺设面及标高居中埋设,距离混凝土结构面不小于210mm,不大于1600mm。
控制系统4内置两个模型,一个为标准模型,一个为校正模型集,根据微电流记录分析系统分析对比监测数据与标准模型之间的差异,及时选择相应的校正模型校正各种参数。
外部阳极与控制系统之间设置微电流监控传感器,能够实时监测,所涉及设备为智能化设备。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,通过对波形参数的设定,运行参数的设置与选择,根据每天检测到的湿度与电流等数据,自动选择运行模式,能够实时控制,如,先阴极保护设置,在启动阳极,实时监测其湿度与电流的数据,根据内置的标准模型以及校正模型,及时校正各种参数。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,采用人机控制界面。
智能化设备的脉冲波形由正脉冲、负脉冲和零电平组成;正脉冲波形有正弦波、三角波、方波、锯齿波或阶梯波的各函数的电压波形或其中几个函数波形的组合,负脉冲采用方波。
本发明施工方便,工作性能好;提供了一种低成本智能化的混凝土抗腐蚀系统。
附图说明
图1为本发明的混凝土抗腐蚀系统。
图1中,1为钢筋加固的混凝土,101为钢筋,2为外部阳极,3为外部阴极,4为控制系统,501为微电流监控传感器,502为微电流记录分析系统,503为设备外接插孔,504为信号发射器,301为微电流监控传感器,302为微电流记录分析系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于,包括钢筋加固的混凝土1、钢筋101、外部阳极2、外部阴极3、控制系统4、为微电流监控传感器501、微电流记录分析系统502、设备外接插孔503、信号发射器504、微电流监控传感器301、微电流记录分析系统302,其中,钢筋101置于钢筋加固的混凝土1中,外部阳极2与控制系统4相连,外部阳极2与控制系统4之间设置微电流监控传感器301,微电流监控传感器301与微电流记录分析系统302相连,外部阴极3与控制系统4相连,外部阴极3与控制系统4之间设置微电流监控传感器501,微电流监控传感器501与微电流记录分析系统502相连,微电流记录分析系统502与信号发射器504相连,微电流记录分析系统502上设置设备外接插孔503。
电极为石墨烯构成,其中包括导电基底、石墨烯设置在导电基底上,且石墨烯表面设置有金属氧化物;石墨烯与金属氧化物构成石墨烯/金属氧化物电极料;所述导电基底包括钛板、石墨片、不锈钢板或玻碳片中的任意一种或至少两种的组合;所述金属氧化物包括氧化钌、氧化铱、氧化钯、氧化铂、氧化铅、氧化锡或氧化锑中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述金属氧化物的粒径为2nm-2μm,优选为20nm-400nm;
所述电极的制作步骤包括:
(1) 导电基底/石墨烯电极作为工作电极,向电解液中加入金属盐前驱体的水溶液,采用循环伏安法,进行电沉积反应,并在电沉积反应结束后对完成电沉积反应的电极进行热处理,得到导电基底/石墨烯/金属氧化物电极;
(2) 采用玻碳片作为对电极,优选采用甘汞电极SCE作为参比电极,通过电沉积法在步骤(1)得到的导电基底/石墨烯电极上沉积金属氧化物,制备导电基底/石墨烯/金属氧化物电极,所述电沉积反应过程中,循环伏安法中的循环数的范围为6-6000,优选为15-800,进一步优选为60-400。
步骤(1)所述金属盐前驱体包括铱盐、钯盐、铂盐、铅盐、锑盐中的任意一种或至两种的混合物;
优选地,所述铱盐包括氯化铱、醋酸铱、氯铱酸钾、氯铱酸钠或氯铱酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;
优选地,所述钯盐包括氯化钯、醋酸钯、硝酸钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠或氯钯酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;
优选地,所述铂盐包括四氯化铂、氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾、氯铂酸钠或氯铂酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述铅盐包括醋酸铅和/或硝酸铅;
优选地,所述锡盐包括氯化锡、硫酸锡或硝酸锡中的任意一种或至少两种的混合物;优选地,所述锑盐包括氯化锑和/或硝酸锑。
所述金属盐前驱体的水溶液的浓度为0.2mM-300mM优选地,所述电解液为盐酸或硫酸与KCl溶液的混合溶液;优选地,所述电解液的浓度为0.002M-2M,优选地,所述电解液的温度为10℃-80℃;优选地,步骤(2)所述热处理的温度为20℃-400℃;优选地,步骤(2)所述热处理的时间为0.4h-11h。
所述方法还包括在步骤(2)所述电沉积反应结束后,热处理之前进行洗涤的步骤:将完成电沉积反应的电极用去离子水冲洗;往导电基底的工作面积内没有石墨烯的位置滴涂聚四氟乙烯,晾干,使导电基底的工作面积全部被石墨烯和聚四氟乙烯覆盖,以确保金属氧化物只沉积在石墨烯的表面。
阴极按设计要求每60㎡设置一个,阴极根据对应的阳极各单回路铺设面及标高居中埋设,距离混凝土结构面不小于210mm,不大于1600mm。
控制系统4内置两个模型,一个为标准模型,一个为校正模型集,根据微电流记录分析系统分析对比监测数据与标准模型之间的差异,及时选择相应的校正模型校正各种参数。
外部阳极与控制系统之间设置微电流监控传感器,能够实时监测,所涉及设备为智能化设备。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,通过对波形参数的设定,运行参数的设置与选择,根据每天检测到的湿度与电流等数据,自动选择运行模式,能够实时控制,如,先阴极保护设置,在启动阳极,实时监测其湿度与电流的数据,根据内置的标准模型以及校正模型,及时校正各种参数。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,采用人机控制界面。
智能化设备的脉冲波形由正脉冲、负脉冲和零电平组成;正脉冲波形有正弦波、三角波、方波、锯齿波或阶梯波的各函数的电压波形或其中几个函数波形的组合,负脉冲采用方波。
阴极按设计要求每60㎡设置一个,阴极根据对应的阳极各单回路铺设面及标高居中埋设,距离混凝土结构面不小于210mm,不大于1600mm。
外部阳极2与控制系统4之间设置微电流监控传感器301,能够实时监测,所涉及设备为智能化设备。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,通过对波形参数的设定,运行参数的设置与选择,根据每天检测到的湿度与电流等数据,自动选择运行模式。
智能化设备采用单片机监控整个运行过程,采用人机控制界面。
智能化设备的脉冲波形由正脉冲、负脉冲和零电平组成;正脉冲波形有正弦波、三角波、方波、锯齿波或阶梯波的各函数的电压波形或其中几个函数波形的组合,负脉冲采用方波。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于,包括钢筋加固的混凝土、钢筋、控制系统、电极、微电流监控传感器、微电流记录分析系统、设备外接插孔、信号发射器、微电流监控传感器、微电流记录分析系统,其中,电极包括外部阳极、外部阴极,外部阳极与控制系统相连,外部阳极与控制系统之间设置微电流监控传感器,微电流监控传感器与微电流记录分析系统相连,外部阴极与控制系统相连,外部阴极与控制系统之间设置微电流监控传感器,能够实时监测,所涉及设备为智能化设备;微电流监控传感器与微电流记录分析系统相连,微电流记录分析系统与信号发射器相连;控制系统内置两个模型,一个为标准模型,一个为校正模型集,根据微电流记录分析系统分析对比监测数据与标准模型之间的差异,及时选择相应的校正模型校正各种参数;智能化设备采用单片机监控整个运行过程,通过对波形参数的设定,运行参数的设置与选择,根据每天检测到的湿度与电流数据,先阴极保护设置,在启动阳极,实时监测其湿度与电流的数据,根据内置的标准模型以及校正模型,及时校正各种参数。
2.根据权利要求1所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:阴极按设计要求每60㎡设置一个,阴极根据对应的阳极各单回路铺设面及标高居中埋设,距离混凝土结构面不小于210mm,不大于1600mm;电极为石墨烯构成,其中包括导电基底、石墨烯设置在导电基底上,且石墨烯表面设置有金属氧化物;石墨烯与金属氧化物构成石墨烯/金属氧化物电极料;所述电极的制作步骤包括:(1) 导电基底/石墨烯电极作为工作电极,向电解液中加入金属盐前驱体的水溶液,采用循环伏安法,进行电沉积反应,并在电沉积反应结束后对完成电沉积反应的电极进行热处理,得到导电基底/石墨烯/金属氧化物电极;(2)采用玻碳片作为对电极,用甘汞电极SCE作为参比电极,通过电沉积法在步骤(1)得到的导电基底/石墨烯电极上沉积金属氧化物,制备导电基底/石墨烯/金属氧化物电极,所述电沉积反应过程中,循环伏安法中的循环数的范围为6-6000。
3.根据权利要求2所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:步骤(1)所述金属盐前驱体包括铱盐、钯盐、铂盐、铅盐、锑盐中的任意一种或至两种的混合物;所述铱盐包括氯化铱、醋酸铱、氯铱酸钾、氯铱酸钠或氯铱酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;所述钯盐包括氯化钯、醋酸钯、硝酸钯、氯钯酸钾、氯钯酸钠或氯钯酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;所述铂盐包括四氯化铂、氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钾、氯铂酸钠或氯铂酸铵中的任意一种或至少两种的混合物;所述铅盐包括醋酸铅和/或硝酸铅;锡盐包括氯化锡、硫酸锡或硝酸锡中的任意一种或至少两种的混合物;盐包括氯化锑和/或硝酸锑。
4.根据权利要求3所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:所述金属盐前驱体的水溶液的浓度为0.2mM-300mM,所述电解液为盐酸或硫酸与KCl溶液的混合溶液;所述电解液的浓度为0.002M-2M,所述电解液的温度为10℃-80℃;步骤(2)所述热处理的温度为20℃-400℃;步骤(2)所述热处理的时间为0.4h-11h。
5.根据权利要求4所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:在步骤(2)所述电沉积反应结束后,热处理之前进行洗涤的步骤:将完成电沉积反应的电极用去离子水冲洗;往导电基底的工作面积内没有石墨烯的位置滴涂聚四氟乙烯,晾干,使导电基底的工作面积全部被石墨烯和聚四氟乙烯覆盖,以确保金属氧化物只沉积在石墨烯的表面。
6.根据权利要求1所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:导电塑料电极为导电塑料线、导电塑料自粘贴片或导电塑料膜。
7.根据权利要求1所述一种缺陷混凝土电化学电渗修复加固装置,其特征在于:阴极包括石墨烯在内的石墨电极,所述石墨电极为液态、胶态涂膜或自粘贴片;阴极采用铜管、镀铜或镀锌管制成。
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