CN110016674B - 一种cfrp箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢筋混凝土阴极保护技术领域，尤其涉及一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置及方法。本发明以CFRP作为箍筋以及阳极材料，并且CFRP箍筋与直流电源正极电连接，在电路中充当阳极系统，能够保护钢筋免受腐蚀，达到了阴极保护的效果；同时，本发明的阴极保护装置中CFRP箍筋相对均匀地分布在结构中，整个电路的电场更均匀，阴极保护效果更加可靠。

Description

一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置及方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土阴极保护技术领域，尤其涉及一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置及方法。

背景技术

钢筋混凝土作为一种结构材料，被广泛应用于桥梁、房屋等建筑物中。然而，混凝土是一种有孔性材料，当混凝土结构处于海洋、盐碱地、冻融循环、除冰盐等不利环境时，环境中的有害介质会通过混凝土内的孔隙渗透到钢筋表面，破坏钢筋表面的钝化层，发生一系列化学与电化学反应，引起钢筋锈蚀，导致混凝土结构的使用寿命远低于设计寿命。

为了应对钢筋锈蚀问题，目前常用的钢筋锈蚀保护的措施有涂覆混凝土表面防渗层、使用密实性好的混凝土、对钢筋实施电化学阴极保护、钢筋表面加防腐层、应用高抗腐蚀钢筋等。在这些措施中，电化学阴极保护法能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，被认为是最有效的方法之一。

现在最常见的阴极保护方法，一种是以CFRP纵筋作为阳极的阴极保护装置 (如附图7所示)，其组成为：阳极为CFRP纵筋2，阴极为普通钢筋1，通过外加电源施加电流，使CFRP纵筋连接电源正极，普通钢筋连接电源负极；另一种阴极保护方法是以CFRP-钢复合筋充当阳极阴极进行自保护的阴极保护装置，如附图8。对于单根CFRP-钢复合筋而言，复合筋外部的保护层2作为阴极保护电路的阳极，复合筋内部作为筋材内芯的普通钢筋1在阴极保护电路中充当阴极，将保护层与直流电源的正极电连接，普通钢筋内芯与直流电源的负极，形成的阴极保护电路。对于以CFRP-钢复合筋作为受力筋的钢筋混凝土结构3，将钢筋混凝土结构中CFRP-钢复合筋的保护层进行电连接，作为阴极保护电路的阳极系统， CFRP-钢复合筋中作为内芯的普通钢筋进行电连接，作为阴极电路的阴极系统，对CFRP-钢复合筋进行自保护。

然而，上述阴极保护方法最主要的缺点是CFRP筋与钢筋交替排列，整个电场的均匀性不够，混凝土结构的抗剪性能不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置，本发明提供的阴极保护装置电场均匀，CFRP与钢筋结合紧密，两者之间的电阻低，电路稳定性高，阴极保护效果好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置，包括混凝土、直流电源和埋在混凝土中的CFRP箍筋-纵向钢筋组合，所述CFRP箍筋- 纵向钢筋组合包括复数根纵向钢筋、单根螺旋缠绕CFRP箍筋、支撑纵向钢筋的支架和填充在CFRP箍筋与纵向钢筋接触间隙的粘接层；所述复数根纵向钢筋并联后接所述直流电源的负极，所述单根螺旋缠绕CFRP箍筋接所述直流电源的正极。

优选的，所述粘接层包括粘接材料和分散在粘接材料中的导电颗粒。

优选的，所述粘接材料为水泥砂浆或有机树脂胶，所述导电颗粒为短碳纤维。

优选的，所述有机树脂胶为环氧树脂、乙烯基树脂或聚醋树脂。

优选的，所述CFRP箍筋为CFRP条带箍筋、CFRP圆形箍筋或CFRP网格箍筋。

本发明提供了利用上述技术方案所述CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置进行阴极保护的方法，采用CFRP箍筋-纵向钢筋组合作为钢筋混凝土中的筋材使用；将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的螺旋缠绕CFRP箍筋作为阳极接直流电源的正极，将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的纵向钢筋作为阴极接直流电源的负极。

优选的，所述螺旋缠绕CFRP箍筋的制备方法包括用基底树脂材料浸渍连续纤维，再将所得产物依次进行挤压和拉拔成型，得到螺旋缠绕CFRP箍筋；所述基底树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚醋树脂和聚酞胺树脂。

优选的，所述CFRP箍筋-纵向钢筋组合的制作方法包括以下步骤：

将复数根纵向钢筋进行捆绑形成纵向钢筋笼，根据所需的几何结构放置支架并系紧纵向钢筋，在螺旋缠绕CFRP箍筋与纵向钢筋的接触部位涂刷粘接材料，得到CFRP箍筋-纵向钢筋组合。

优选的，使用尼龙轧带固定所述螺旋缠绕CFRP箍筋的架构。

本发明提供了一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置及方法，本发明以CFRP作为箍筋以及阳极材料，CFRP箍筋与直流电源正极电连接，在电路中充当阳极系统，能够保护钢筋免受腐蚀，达到了阴极保护的效果；同时，本发明的阴极保护装置中CFRP箍筋相对均匀地分布在混凝土梁和柱结构中，整个电路的电场更均匀，阴极保护效果更加可靠；

本发明以CFRP作为箍筋以及阳极材料，改变了以往CFRP筋只能作为受弯构件的受拉钢筋的现象，CFRP箍筋代替了原有的钢箍筋，节省材料，一材多用，减少了钢筋的使用量，降低了工程成本；

本发明以CFRP作为箍筋，使混凝土结构具有更好的抗剪性能，同时CFRP 箍筋会对混凝土结构产生环向约束，有利于提高混凝土的延性，从而大大提高混凝土结构的耐久性能；

本发明中作为阳极系统的CFRP箍筋与作为阴极系统的普通纵向钢筋之间通过粘结层即可紧密结合在一起，两者之间距离较小，降低了阴极和阳极之间的电阻，可以达到更好的保护效果，而且不需要大量使用无机粘结剂，界面更可靠；

本发明的CFRP箍筋阳极系统可用于侵蚀环境中的新建钢筋混凝土结构，在混凝土浇筑构件预制过程中直接安装在结构上，无需二次作业，具有施工灵活性与更好的力学性能等优点。

附图说明

图1为本发明CFRP条箍梁与CFRP圆箍梁结构的侧视图；

图2为本发明CFRP网箍梁结构的侧视图；

图3为本发明CFRP箍筋梁的剖面图；

图4为本发明CFRP条箍柱与CFRP圆箍柱结构的侧视图；

图5为本发明CFRP网箍柱结构的侧视图；

图6为本发明CFRP箍筋柱的剖面图；

其中，1-纵向钢筋，2-CFRP箍筋，3-粘接层，4-支架；

图7为背景技术中以CFRP纵筋作为阳极的阴极保护装置示意图；

图8为背景技术中以CFRP-钢复合筋充当阳极阴极进行自保护的阴极保护装置示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置，包括混凝土、直流电源和埋在混凝土中的CFRP箍筋-纵向钢筋组合，所述CFRP箍筋- 纵向钢筋组合包括复数根纵向钢筋1、单根螺旋缠绕CFRP箍筋2、支撑纵向钢筋的支架4和填充在CFRP箍筋与纵向钢筋接触间隙的粘接层3；所述复数根纵向钢筋并联后接所述直流电源的负极，所述单根螺旋缠绕CFRP箍筋接所述直流电源的正极。

在本发明中，所述粘接层优选包括粘接材料和分散在粘接材料中的导电颗粒；所述粘接材料优选为水泥砂浆或有机树脂胶，所述有机树脂胶优选为环氧树脂、乙烯基树脂或聚醋树脂；所述导电颗粒优选为短碳纤维或其它导电材料。本发明优选使用导电颗粒增强粘结材料的导电性能。

在本发明中，所述CFRP箍筋优选为CFRP条带箍筋、CFRP圆形箍筋或CFRP 网格箍筋，具体结构示意图如图1～2和图4～5所示，其中，1-纵向钢筋，2-CFRP 箍筋，3-粘接层，4-支架。

本发明所述CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置优选包括钢筋混凝土梁的阴极保护装置和钢筋混凝土柱的阴极保护装置，具体结构示意图如图 1～6所示。本发明所述钢筋混凝土梁的阴极保护装置中，通过调整CFRP箍筋的角度(θ)和间距(S)可以保证梁抗剪性能最好；所述钢筋混凝土柱的阴极保护装置中，通过CFRP箍筋约束以提高混凝土的延性，CFRP箍筋的角度和间距无需调整。

本发明提供了利用上述技术方案所述CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置进行阴极保护的方法，采用CFRP箍筋-纵向钢筋组合作为钢筋混凝土中的筋材使用；将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的螺旋缠绕CFRP箍筋作为阳极接直流电源的正极，将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的纵向钢筋作为阴极接直流电源的负极。

在本发明中，所述螺旋缠绕CFRP箍筋的制备方法优选包括用基底树脂材料浸渍连续纤维，再将所得产物依次进行挤压和拉拔成型，得到螺旋缠绕CFRP箍筋；所述基底树脂优选包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚醋树脂和聚酞胺树脂。本发明利用基材树脂的粘结胶合和剪力传递作用提高CFRP箍筋的性能。在本发明中，所述连续纤维的纤维丝的体积含量(纤维丝与粘接材料的体积之比)优选为60％以上，更优选为70％～80％。

为了改善混凝土和筋材的粘结性能，常对筋材的表面进行加工处理，方法包括采用机械法直接对筋材外表面进行加工或用牵引链在表面压制波纹；让筋材通过具有凹凸内表面的模头，形成凹凸；在筋材硬化前在筋上添加螺旋型缠绕纤维束；在筋材料表面粘贴纤维编织带，形成凹凸；在筋材表面覆以粒状物或短纤维。在本发明中，所述CFRP箍筋筋材表面优选呈现粘砂状、压痕状或螺纹状等。

在本发明中，所述CFRP箍筋-纵向钢筋组合的制作方法优选包括以下步骤：

将复数根纵向钢筋进行捆绑形成纵向钢筋笼，根据所需的几何结构放置支架并系紧纵向钢筋，在螺旋缠绕CFRP箍筋与纵向钢筋的接触部位涂刷粘接材料，得到CFRP箍筋-纵向钢筋组合。

本发明优选使用尼龙轧带固定所述螺旋缠绕CFRP箍筋的架构，以确保CFRP 箍筋搭接段不发生滑移。

在CFRP箍筋与纵向钢筋的接触部位涂刷粘接材料后，本发明优选先将所得架构放进木模板中并配置吊环，然后浇筑混凝土，在浇筑的过程中关注钢筋笼的位置，避免出现露筋的情况；浇筑完成24h后拆模，将所得结构在室外常温养护 28天，得到CFRP箍筋-纵向钢筋组合。

得到CFRP箍筋-纵向钢筋组合后，本发明将所述CFRP箍筋-纵向钢筋组合的钢筋端部与直流电源负极连接，而CFRP箍筋与直流电源正极相连。通电后，电荷电子由直流电源通过导线流向普通钢筋(即纵向钢筋-阴极电极)，使普通钢筋阴极极化，抑制钢筋的氧化反应，在电场作用下，氯离子向着远离普通钢筋的方向移动，降低了普通钢筋周围的氯离子浓度，对普通钢筋提供了保护作用。

本发明提供的阴极保护方法中，与直流电源正极电连接的CFRP箍筋不仅可以在电路中充当阳极系统，同时CFRP又作为箍筋，CFRP箍筋代替了原有的钢箍筋，一材多用，减少了钢筋的使用量，降低了工程成本；此外，电路中作为阳极系统的CFRP箍筋与作为阴极系统的普通纵向钢筋之间通过粘接材料便可紧密结合在一起，两者之间距离较小，降低了阴极和阳极之间的电阻，可以达到更好的保护效果，而且不需要大量使用无机粘结剂，界面也更可靠。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、施工方便：与以往阳极系统相比，本发明提出的CFRP箍筋阳极系统可用于侵蚀环境中的新建钢筋混凝土结构，在混凝土浇筑构件预制过程中直接安装在结构上，无需二次作业，具有施工灵活性与更好的力学性能等优点。

2、提高了材料的利用率：本发明提出的阴极保护方法中，在电路中充当阳极系统的CFRP箍筋代替了原有的钢箍筋，一材多用，减少了钢筋的使用量，降低了工程成本。

3、具有明显的经济效益：作为阳极系统的CFRP箍筋与普通纵向钢筋紧密结合在一起(两者之间仅间隔一层粘结材料)，降低了两者之间的电阻，同时提高了电路的稳定性，阴极系统的效率以及长期性得到了保证。

4.发挥了CFRP箍筋的优势：CFRP箍筋既充当阳极材料，又充当混凝土结构的抗剪箍筋，改变了以往阴极保护系统中CFRP筋只能作为受弯构件的受拉钢筋这一情况。同时，CFRP螺旋缠绕箍筋可以对柱体系起到环向约束的作用，保证了混凝土的延性，也可以保证梁体系足够的抗剪性能，有利于结构的长期性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置，其特征在于，包括混凝土、直流电源和埋在混凝土中的CFRP箍筋-纵向钢筋组合，所述CFRP箍筋-纵向钢筋组合包括复数根纵向钢筋、单根螺旋缠绕CFRP箍筋、支撑纵向钢筋的支架和填充在CFRP箍筋与纵向钢筋接触间隙的粘接层；所述复数根纵向钢筋并联后接所述直流电源的负极，所述单根螺旋缠绕CFRP箍筋接所述直流电源的正极。

2.根据权利要求1所述的阴极保护装置，其特征在于，所述粘接层包括粘接材料和分散在粘接材料中的导电颗粒。

3.根据权利要求2所述的阴极保护装置，其特征在于，所述粘接材料为水泥砂浆或有机树脂胶，所述导电颗粒为短碳纤维。

4.根据权利要求3所述的阴极保护装置，其特征在于，所述有机树脂胶为环氧树脂、乙烯基树脂或聚醋树脂。

5.根据权利要求1所述的阴极保护装置，其特征在于，所述CFRP箍筋为CFRP条带箍筋、CFRP圆形箍筋或CFRP网格箍筋。

6.利用权利要求1～5任一项所述CFRP箍筋为阳极的钢筋混凝土的阴极保护装置进行阴极保护的方法，其特征在于，采用CFRP箍筋-纵向钢筋组合作为钢筋混凝土中的钢筋使用；将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的螺旋缠绕CFRP箍筋作为阳极接直流电源的正极，将CFRP箍筋-纵向钢筋组合中的纵向钢筋作为阴极接直流电源的负极。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述螺旋缠绕CFRP箍筋的制备方法包括用基底树脂材料浸渍连续纤维，再将所得产物依次进行挤压和拉拔成型，得到螺旋缠绕CFRP箍筋；所述基底树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚醋树脂和聚酞胺树脂。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CFRP箍筋-纵向钢筋组合的制作方法包括以下步骤：

将复数根纵向钢筋进行捆绑形成纵向钢筋笼，根据所需的几何结构放置支架并系紧纵向钢筋，在螺旋缠绕CFRP箍筋与纵向钢筋的接触部位涂刷粘接材料，得到CFRP箍筋-纵向钢筋组合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用尼龙轧带固定所述螺旋缠绕CFRP箍筋的架构。