CN111041496B - 控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置和方法。所述装置包括混凝土保护层和阴极保护回路，还包括监控电路、设于混凝土保护层和被保护混凝土主体之间的多孔吸收层，所述多孔吸收层下部设有进液口、上部设有出液口，所述监控电路包括监控电源，所述监控电源的两端分别用于与被保护混凝土主体中除被保护钢筋外的另一钢筋两端相连。该结构能够同时对钢筋混凝土和保护装置中的有害氯离子进行定向移动和清除，从而达到恢复钢筋混凝土结构功能和延长钢筋混凝土结构、保护装置中阳极的使用年限的目的。本发明的装置低能耗，安装简便；无需不间断开启保护电流，能有效地避免对钢筋混凝土结构的过保护；降低在使用过程中对阳极的损害，无需定期更换。

Description

控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置和方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土防腐蚀技术领域，具体涉及控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置和方法。

背景技术

处于海洋环境中的钢筋混凝土结构因直接暴露于高浓度氯离子环境中，具有强穿透性的氯离子通过表层的混凝土到达钢筋表面，混凝土中钢筋表面的氯离子浓度渐渐上升至临界值，破坏了钢筋钝化膜，并在水和氧气条件下钢筋发生锈蚀，钢筋腐蚀的部分造成混凝土和钢筋的粘接性能退化、混凝土保护层脱落、构件的承载力下降和结构的性能劣化。

对于钢筋混凝土受到氯盐侵蚀破坏，传统的方法是通过局部打补丁进行修补，即对于混凝土脱落破损的局部凿除，并对露出的钢筋进行处理，再用水泥砂浆进行填补。随着技术的发展，虽然填补的材料防腐蚀、导电率和抗渗性强，但未修补区的氯离子浓度仍然很高，在修补区和未修补区的钢筋形成原电池，修补区钢筋为阴极，未修补区钢筋为阳极，结果造成老混凝土中的钢筋加快腐蚀，很快结构性能会再次劣化。

中国专利CN102926349A提供了一种基于电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固的方法及系统。其对混凝土构件进行构件表面检测评估，在电化学脱盐处理的基础上，根据修补时构件的状态和修补加固后的使用要求采用碳纤维加固或涂层防腐进一步提高结构的安全性或耐久性。该专利申请虽在传统钢筋混凝土修补上进行电化学脱盐处理，但脱盐处理过程中需专人管理，需要较大的直流电流密度且需要长期通电，使用局限性大且方法较复杂。

目前阴极保护技术成为应用广泛的防腐蚀技术并且效果得到国内外的认可，其原理是将被保护金属作为阴极，通入阴极电流极化阴极，抑制被保护金属腐蚀产生的电子迁移，从而防止或减弱金属腐蚀。目前阴极保护技术可分为牺牲阳极和外加电流两种方式，其中牺牲阳极保护方式寿命短，输出电流无法控制和调节，更换较复杂；外加电流保护方式使用寿命长，可调节和控制输出电流，但保护系统实施较复杂并需要控制电位以防止发生氢脆危险。

中国专利CN104046998A提供了一种便于安装和更换的钢筋混凝土氯离子定向吸收装置及方法，将定向吸收装置作为阳极，钢筋混凝土内的钢筋作为阴极，通过电缆连接形成原电池。其中定向吸收装置由镁合金、填充材料以及填充材料模具组成，模具安装固定于混凝土表面，该专利申请虽然在运行期间不需要维护管理，但是需定期更换阳极、无法调节输出电流并且不适用于存在杂散电流的环境中。

中国专利CN106011871A提供一种保护混凝土结构的方法和装置，通过铺设碳纤维织物网并浇筑混凝土基体形成混凝土阳极，被保护混凝土的钢筋作为阴极，经外加直流电源形成阴极保护系统。该专利申请需持续通电，保护系统较复杂，需要维护管理否则易导致保护系统失灵。

目前，相关专利中主要考虑的是通过外加电流保护在电流阴极的混凝土中的钢筋，但阳极仍需要定期更换维护，保护系统使用复杂，则保护装置的耐久性和实用性将受到极大影响。另外，现有专利中对于保护装置在使用过程中氯离子的去除都没有考虑，使得保护装置必须不间断开启保护电流，加速保护装置阳极的破坏。

发明内容

鉴于目前外加电流保护存在的弊端和保护装置使用过程中对于氯离子去除的欠考虑，本发明提供一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，能够同时对钢筋混凝土和保护装置中的有害氯离子进行定向移动和清除，从而达到恢复钢筋混凝土结构功能和延长钢筋混凝土结构、保护装置中阳极的使用年限的目的。本发明的装置低能耗，安装简便；无需不间断开启保护电流，能有效地避免对钢筋混凝土结构的过保护；降低在使用过程中对阳极的损害，无需定期更换。

本发明的另一目的在于提供一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的方法。

本发明的另一目的在于提供上述装置的安装方法。

上述目的是通过以下技术方案予以实现的。

一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，包括混凝土保护层和阴极保护回路，还包括监控电路、设于混凝土保护层和被保护混凝土主体之间的多孔吸收层，所述多孔吸收层一端设有进液口、另一端设有出液口，所述监控电路包括监控电源，所述监控电源的两端分别用于与被保护混凝土主体中除被保护钢筋外的另一钢筋两端相连。

本发明主要通过两种方法配合使用来控制钢筋混凝土氯离子的渗透——电化学方法和物理方法。应用电化学方法的包括所述阴极保护回路和监控电路，应用物理方法的为向所述多孔吸收层通入液体。阴极保护回路可以采用现有技术，阴极保护回路的电源正极与导电阳极相连、电源负极一般与被保护混凝土主体中的被保护钢筋（作为导电阴极）相连，通入阴极电流极化阴极，抑制被保护钢筋腐蚀产生的电子迁移，从而防止或减弱金属腐蚀。本发明的创造点在于，除了阴极保护回路外还设置了监控电路以及在混凝土保护层和被保护混凝土主体之间设置了多孔吸收层，所述多孔吸收层的进液口用于连接进水管、出液口用于连接出水管，可定期通水；也可通过监控电路中电流的变化掌握被保护混凝土主体中氯离子的含量，以控制开启或断开所述阴极保护回路。本装置应用物理方法和电化学方法相互之间不影响，本装置的应用使得所述阴极保护回路不用一直处于通电状态，且在需要开启时其电流比一般的阴极保护回路的电流小。

优选的，所述多孔吸收层下部设有进液口、上部设有出液口。

优选的，所述阴极保护回路包括设于混凝土保护层中的导电阳极，所述导电阳极与第一电源正极相连，所述第一电源负极用于与被保护混凝土主体中的被保护钢筋相连。更优选的，所述第一电源为直流电源

优选的，所述混凝土保护层、多孔吸收层安装于模具中，所述模具用于安装于被保护混凝土主体表面。更优选的，所述模具与被保护混凝土主体表面相对的第一侧面具有开口，所述多孔吸收层通过所述开口与被保护混凝土主体表面接触或存在间隙。

优选的，所述模具不与被保护混凝土主体接触的表面设有用于防水的防护层；即所述模具上除第一侧面外其他表面均设有防护层。更优选的，所述防护层采用具有防水性好的沥青、PVC等。

优选的，所述多孔吸收层为多孔混凝土或PVP/石墨烯复合材料。所述多孔吸收层选用比表面积大且具有高渗透性的材料，所述多孔混凝土为低水灰比混凝土、陶粒多孔透水混凝土、海绵泡沫透水混凝土中的一种或多种。所述PVP/石墨烯复合材料可参照现有技术制备得到（如 张用吉等, PVP/石墨烯复合材料高吸附氯离子及其吸附机理[J], 第一届中国国际复合材料科技大会论文集, 2013, 706-710）。

优选的，所述导电阳极为钛合金、镁合金、锌合金或贱金属板网。贱金属指除了金、银、白金等贵金属之外，其他所有金属。优选的，所述贱金属为铁、铜、镍、铝、铅、锌、锡、钨等。

本发明提供一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的方法，采用所述的装置，当所述监控电路中电流增加超过100%时，使所述阴极保护回路形成通路；当所述监控电路中电流恢复到初始值时，断开所述阴极保护回路，将水从所述进液口通入、出液口排出。

本装置主要起到吸收和清除氯离子的作用，其工作原理为：主要通过电化学方法和物理方法来控制钢筋混凝土中氯离子渗透。其中：

所述电化学方法：阴极保护回路（或第一电源）正极与装置中的导电阳极通过导线连接，阴极保护回路（或第一电源）负极与被保护混凝土主体中的被保护钢筋连接；当监控电源的电路中检测到电流增加超过初始电流的100%时，说明被保护混凝土主体中存在较多氯离子，则设置阴极保护回路（或第一电源）处于连通状态，在直流电流作用下被保护混凝土主体中的阴离子——氯离子向外部的导电阳极移动，阻止向被保护混凝土主体内部移动；氯离子移动过程中，先被所述多孔吸收层吸收，再由混凝土保护层吸收。当监控电源的电路中检测到电流恢复到初始电流，说明被保护混凝土主体内部氯离子被清除，设置阴极保护回路（或第一电源）处于断开状态。

所述物理方法：定时向进液口进水，冲洗多孔吸收层，使得多孔吸收层保持较低的氯离子浓度。由于离子是从高浓度流向低浓度，清洗后的多孔吸收层中孔溶液的氯离子溶度相对于混凝土保护层和被保护混凝土主体中的较低，此时混凝土保护层和被保护混凝土主体中的氯离子向多孔吸收层定向移动，在吸收氯离子的同时又能起到保护阳极和混凝土钢筋的作用。

优选的，定时使水流经所述多孔吸收层：水流开启1~2小时，停止2~24小时，如此循环往复。该步骤使用物理方法去除多孔吸收层中的氯离子，使用物理方法的操作不受上述电化学方法的影响。

优选的，所述监控电源提供1×10^-7~1×10^-6μA的低压直流电流。

优选的，所述阴极保护回路的第一电源的直流电在0.1~5mA之间调节；该阴极保护回路中的电流比一般小。

本发明还提供所述控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置的安装方法，包括如下步骤：

S1、凿除被保护混凝土主体的部分并露出被保护钢筋；

S2、在所述被保护钢筋上接上导线并与阴极保护回路相连，在另一钢筋上通过导线连接监控电源，再用水泥砂浆填补S1凿除部分；

S3、向模具中填入一部分的混凝土保护层，将已连接好导线的导电阳极埋入，再填入剩余的混凝土保护层，使导电阳极处于混凝土保护层的中心位置，然后将多孔吸收层放入模具；

S4、将水管分别装入预留的进液口、出液口，将模具固定于被保护混凝土主体表面，使多孔吸收层与被保护混凝土主体表面相对；

S5、将导电阳极的导线连接至第一电源正极。

本发明的上述装置能够保护钢筋混凝土结构免受氯离子腐蚀，尤其在海洋环境下能够控制钢筋混凝土中氯离子渗透、氯离子定向吸收，加强氯离子吸收效率和氯离子清除，且装置的使用年限较长，具体包括如下优点：

1、多孔吸收层的应用提高了氯离子吸收效率；

2、装置无需定期更换，更具有实用性；

3、可持续工作，并且在阴极保护回路（或第一电源）开关关闭时仍有吸收氯离子的能力；

4、在定向吸收氯离子的同时也能对其进行清除。

与电化学脱盐的混凝土结构修补加固的方法相比，本发明的有益效果为：

1、电流密度小，无需长时间通电；

2、可以持续对氯离子进行吸收和清除；

3、无需清除大量被氯离子污染的混凝土。

与现有技术的阴极保护法相比，本发明的有益效果为：

1、无需定期更换阳极，并且对于阳极材料采取一定的保护；

2、监控电源电流很小，对于阳极材料的消耗小，阳极不易损坏；

3、阴极保护回路（或第一电源）可设置“开、断”模式，并提供了水流冲洗清除氯离子的物理方法，同时更大限度地延长阳极的使用年限。断电时仍可工作，减小了钢筋过保护而发生氢脆的危险率；

4、安装简便，无需耗费大量人力。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图中： 1、导电阳极；2、混凝土保护层；3、防护层；4、多孔吸收层；5、进液口；6、出液口；7、第一电源；8、电源开关；9、监控电源；10、被保护混凝土主体；11、导电阴极。

具体实施方式

以下将结合附图对本专利中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本专利所保护的范围。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本专利做进一步的详细描述。

一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，包括混凝土保护层2和阴极保护回路，还包括监控电路、设于混凝土保护层2和被保护混凝土主体10之间的多孔吸收层4，所述多孔吸收层4下部设有进液口5、上部设有出液口6，所述监控电路包括监控电源9，所述监控电源9的两端分别用于与被保护混凝土主体10中除被保护钢筋外的另一钢筋两端相连。

上述阴极保护回路可采用现有技术中通用的阴极保护电路。阴极保护回路的电源正极与装置中的导电阳极1通过导线连接，阴极保护回路的电源负极与被保护混凝土主体10中的被保护钢筋连接。

上述装置的安装方法：

S1、凿除被保护混凝土主体10的小部分并露出被保护钢筋，被保护钢筋作为导电阴极11之一；

S2、在所述被保护钢筋上接上导线并与阴极保护回路相连，在另一钢筋上通过导线连接监控电源9，再用水泥砂浆填补S1凿除部分；

S3、向模具中填入一部分的混凝土保护层2，将已连接好导线的导电阳极埋入，再填入剩余的混凝土保护层2，使导电阳极1处于混凝土保护层2的中心位置，然后将多孔吸收层4放入模具；

S4、将水管分别装入预留的进液口5、出液口6，将模具固定于被保护混凝土主体10表面，使多孔吸收层4与被保护混凝土主体10表面相对；

S5、将导电阳极1的导线连接至第一电源7正极。

上述装置的使用方法：采用所述的装置，当所述监控电源9中电流增加超过100%时，使所述阴极保护回路形成通路；当所述监控电源9中电流恢复到初始值时，断开所述阴极保护回路，将水从所述进液口5通入、出液口6排出。

操作时，定时使水流经所述多孔吸收层4：水流开启1~2小时，停止2~24小时，如此循环往复。该步骤使用物理方法去除多孔吸收层中的氯离子。

所述监控电源9提供1×10^-7~1×10^-6μA的低压直流电流。

所述阴极保护回路的第一电源7的直流电在0.1~5mA之间调节；该阴极保护回路中的电流比一般小。

当监控电源9的电路中检测到电流增加超过初始电流的100%时，说明被保护混凝土主体10中存在较多氯离子，则设置阴极保护回路处于连通状态，在直流电流作用下被保护混凝土主体10中的阴离子——氯离子向外部的导电阳极1移动，阻止向被保护混凝土主体10内部移动；氯离子移动过程中，先被所述多孔吸收层4吸收，再由混凝土保护层2吸收。当监控电源9的电路中检测到电流恢复到初始电流，说明被保护混凝土主体10内部氯离子被清除，设置阴极保护回路处于断开状态。当监控电源9的电路中检测到电流不超过初始电流的100%时，说明被保护混凝土主体10中氯离子含量不多，此时向进液口5进水，冲洗多孔吸收层4，由于离子是从高浓度流向低浓度，清洗后的多孔吸收层4中孔溶液的氯离子溶度相对于混凝土保护层2和被保护混凝土主体10中的较低，此时混凝土保护层2和被保护混凝土主体10中的氯离子向多孔吸收层4定向移动，在吸收氯离子的同时又能起到保护阳极和混凝土钢筋的作用。

实施例1

本实施例提供一种控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置和方法，参阅图1，装置主要包括导电阳极1、混凝土保护层2、表面防护层3、多孔吸收层4、进液口5、出液口6、第一电源7、电源开关8、监控电源9、被保护混凝土主体10和导电阴极11。具体实施步骤如下：

凿除小部分被保护混凝土主体10并露出导电阴极11（一根被保护钢筋），在两根导电阴极11（一根被保护钢筋和任意的另一钢筋）的顶端都焊上导线，并在其中一根（上述任意的另一钢筋）的底端也焊上导线并与监控电源9相连，再用水泥砂浆填补凿除的部分；

先向模具中填入一部分的混凝土保护层2，将已焊接好导线的导电阳极1埋入，再填入另一部分混凝土保护层2，要求导电阳极1处于混凝土保护层2的中心位置，之后将多孔吸收层4放入；向模具预留的开孔即进液口5和出液口6分别装入水管，该模具一面直接安装固定于被保护混凝土主体10表面，其他各面设置表面防护层3；

导电阳极1与阴极保护回路的直流第一电源7的正极连接作为阳极；导电阴极11（一根被保护钢筋）与第一电源7的负极连接作为阴极；被保护混凝土主体10中的孔溶液作为电解质，从而形成阴极保护回路。

所述模具的第一侧面具有开口、其他五面围起来的长方体或正方体，模具与被保护混凝土主体10表面相对的第一侧面具有开口，所述多孔吸收层4通过所述开口与被保护混凝土主体10表面接触或存在微小间隙。所述模具上除第一侧面外其他表面均设有防护层3，所述防护层3采用具有防水性好的沥青、PVC。

作为一种优选的实施方式，所述多孔吸收层4为多孔混凝土或PVP/石墨烯复合材料。例如，多孔吸收层4的多孔混凝土的配合比为每立方米混凝土中的水、水泥、砂、石和引气剂的用量为130kg、256kg、573kg、1176kg和5kg。

所述导电阳极为钛合金、镁合金、锌合金或贱金属板网。贱金属指除了金、银、白金等贵金属之外，其他所有金属。具体的，所述贱金属为铁、铜、镍、铝、铅、锌、锡、钨等。

下面针对实际监测数据进行说明：

监控电源的初始电流值为5×10^-7μA；

当监控电源电流小于10×10^-7μA（检测到电流不超过初始电流的100%），采用物理方法去除多孔吸收层中的氯离子，水流开启2小时通过进液口并经过多孔吸收层4溶解吸附于多孔混凝土上的氯离子，并通过出液口排出；之后水流停止22小时，如此循环往复。

当电流大于10×10^-7μA时（电流增加超过初始电流的100%），采用的物理方法与之前保持不变，并开启电化学方法控制氯离子向混凝土外部移动，阴极保护回路的第一电源的直流电保持为2mA。

以上实施例详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，包括混凝土保护层和阴极保护回路，其特征在于，还包括监控电路、设于混凝土保护层和被保护混凝土主体之间的多孔吸收层，所述多孔吸收层一端设有进液口、另一端设有出液口，所述监控电路包括监控电源，所述监控电源的两端分别用于与被保护混凝土主体中除被保护钢筋外的另一钢筋两端相连；所述阴极保护回路包括设于混凝土保护层中的导电阳极，所述导电阳极与第一电源正极相连，第一电源负极用于与被保护混凝土主体中的被保护钢筋相连。

2.根据权利要求1所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，其特征在于，所述混凝土保护层、多孔吸收层安装于模具中，所述模具用于安装于被保护混凝土主体表面。

3.根据权利要求2所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，其特征在于，所述模具不与被保护混凝土主体接触的表面设有用于防水的防护层。

4.根据权利要求1所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，其特征在于，所述多孔吸收层为多孔混凝土或PVP/石墨烯复合材料。

5.根据权利要求1所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的装置，其特征在于，所述导电阳极为钛合金、镁合金、锌合金或贱金属板网。

6.控制钢筋混凝土氯离子渗透的方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一项所述的装置，当所述监控电路中电流增加超100％时，使所述阴极保护回路形成通路；当所述监控电路中电流恢复到初始值时，断开所述阴极保护回路，将水从所述进液口通入、出液口排出；所述阴极保护回路的第一电源的直流电在0.1～5mA之间调节。

7.根据权利要求6所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的方法，其特征在于，定时使水流经所述多孔吸收层：水流开启1～2小时，停止2～24小时，如此循环往复。

8.根据权利要求6所述的控制钢筋混凝土氯离子渗透的方法，其特征在于，所述监控电源提供1×10^-7～1×10^-6μA的低压直流电流。

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