CN113216263A - 主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件及其制备方法，该海水海砂钢筋混凝土构件包括中空的纤维增强预制管和钢筋笼，所述钢筋笼位于纤维增强预制管内，通过浇筑混凝土形成钢筋混凝土构件；所述纤维增强预制管包括内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体，所述内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体之间设有导电纤维网格布，所述导电纤维网格布伸出内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体外，用于与外接电源的正极电连接；所述钢筋混凝土构件的上端预留有用于与外接电源的负极电连接的钢筋。采用本发明的技术方案，连接外加电源，可以为内部钢筋提供主被动保护，极大地提高了海水海砂钢筋混凝土结构的耐久性和服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于钢筋混凝土防护技术领域，尤其涉及一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件及其制备方法。
背景技术
近年来，随着我国沿海地区经济建设的快速发展，大规模的基础工程建设也如火如荼地开展起来，使得建筑河砂的供给越来越显得不足。而过度开采河砂会带来严重的生态环境问题，因此，各地对河砂的保护越来越严格，使得沿海地区相继出现河砂短缺和滥用海砂的现象。此外，随着我国发展海洋经济步伐的加快，沿海岛礁的开发建设项目也逐渐增多。然而，由于我国海疆幅员辽阔，在远离大陆的岛礁地区，交通不便，河砂短缺的现象十分严重，如果采用普通混凝土，需要从内陆运输大量的河砂和淡水，运输成本极为昂贵，建设工期也难以保证。如果能充分利用我国沿海地区丰富的海砂与海水资源，将节约大量的人力和物力，对我国海洋经济可持续发展具有重大意义。然而，处在海洋环境下的海工建筑物以及采用海砂拌制的混凝土结构容易受到来自氯盐的侵蚀，尤其是海水海砂混凝土中富含的氯离子，将导致混凝土中钢筋的钝化膜发生破坏，引起钢筋锈蚀，降低结构的耐久性和力学性能。因此，需要采取有效的措施来保护混凝土中的钢筋，避免或延缓其受到氯离子的侵蚀。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件及其制备方法，结合外加电流阴极保护，可以为内部钢筋提供主动保护，极大地提高了海水海砂钢筋混凝土结构的耐久性和服役寿命。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，其包括中空的纤维增强预制管和钢筋笼，所述钢筋笼位于纤维增强预制管内，通过浇筑混凝土形成钢筋混凝土构件；
所述纤维增强预制管包括内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体，所述内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体之间设有导电纤维网格布，所述导电纤维网格布伸出内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体外，用于与外接电源的正极电连接；
所述钢筋混凝土构件的上端预留有用于与外接电源的负极电连接的钢筋。
其中，所述混凝土为海水海砂混凝土。
作为本发明的进一步改进，所述导电纤维网格布为碳纤维网格布。
采用上述技术方案，导电纤维比如碳纤维材料具有优异的导电性和电化学特性，可以将钢筋极化电位稳定地控制在免蚀区，从而有效抑制钢筋腐蚀，是一种潜在的性能优越的辅助阳极材料。进一步的，碳纤维还具有优异的力学性能，是一种兼具良好电化学特性和力学性能的多功能材料。将导电纤维材料与导电水泥基无机胶凝材料结合组成的纤维增强水泥基复合材料预制管，能有效克服FRP管约束混凝土组合结构中环氧树脂胶耐老化性能和导电性能差，以及与约束的混凝土黏结性能弱等缺点，完美地发挥导电纤维材料和水泥基材料优良的导电性、电化学特性和力学性能。鉴于ICCP（外加电流阴极保护）技术和纤维增强水泥基复合材料预制管两者的优点，上述技术方案使用纤维增强预制管约束海水海砂钢筋混凝土，并以其中的钢筋作为阴极，导电纤维网格材料作为阳极，两者可以共同组成基于ICCP系统的预制管海水海砂钢筋混凝土组合构件。另外，该构件利用纤维增强预制管作为永久性模板，能有效隔绝外部海水及海洋生物附着等腐蚀性介质的侵蚀，为内部钢筋提供被动保护。
本发明还公开了如上所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1，将所述纤维增强预制管放在底板上，并通过固定件与底板连接；
步骤S2，将钢筋笼放入纤维增强预制管的中部，并在钢筋笼与纤维增强预制管的内壁之间放置用于固定钢筋笼的固定块，所述钢筋笼的上端预留向上伸出的钢筋以接入外接电源的负极；
步骤S3，从纤维增强预制管管顶向下浇筑海水海砂混凝土，养护后拆除固定件与底板。
作为本发明的进一步改进，所述钢筋笼与纤维增强预制管同轴心放置。
作为本发明的进一步改进，所述固定块为混凝土垫块。
作为本发明的进一步改进，所述固定件包括竖直连接部，所述竖直连接部与纤维增强预制管的外壁轮廓相切。
作为本发明的进一步改进，所述固定件对称均匀分布在纤维增强预制管的四周。
作为本发明的进一步改进，所述固定件为至少四个。
本发明还公开了一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土组合ICCP系统，其包括如上所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，所述导电纤维网格布通过电缆与外接电源的正极电连接，伸出钢筋混凝土构件的钢筋通过电缆与外接电源的负极电连接。
作为本发明的进一步改进，电缆与纤维网格布、钢筋的连接处设有防腐保护层。
外加电流阴极保护（ICCP）技术是一种电化学防腐技术，通过外部连接外接电源，使得被保护金属与外接电源的负极相连成为阴极材料，外接电源的正极连接辅助阳极材料，通过闭合的电流回路并输入电流使得被保护金属产生一定的阴极极化，从而减小或防止被保护金属发生氧化反应。通过将ICCP技术应用于受到氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构，将钢筋作为阴极材料，输入外加电流以达到抑制钢筋电化学腐蚀，使得钢筋表面产生钝化膜，并减少了氯离子的含量，为内部钢筋的防腐提供主动保护，极大地提高了海水海砂钢筋混凝土结构的耐久性和服役寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明的技术方案将采用兼具优良导电性和力学性能的纤维增强预制管，配合填充的海水海砂钢筋混凝土，共同组成基于纤维增强预制管物理性能、力学性能和电化学性能三重功能的新型海水海砂钢筋混凝土组合构件，该纤维增强预制管不仅能直接作为海水海砂混凝土浇筑的永久性模板，而且通过外接电源构成ICCP系统，能有效隔绝海水及海洋生物附着等腐蚀性介质对混凝土中钢筋的侵蚀，为内部钢筋提供被动保护；而构建的ICCP系统能有效保护内部钢筋免受海水海砂混凝土中氯离子的侵蚀，为内部钢筋提供主动保护。
第二，采用本发明的技术方案，纤维增强预制管还能为内部填充的海水海砂混凝土提供有效的侧向约束，从而极大地提高组合构件的承载力、延性和抗震性能，而混凝土中配置的钢筋和箍筋则能弥补纤维增强预制管抗剪强度低、延性性能差和耗能能力弱的缺陷，三种材料协同工作，能充分发挥不同材料各自的性能优势，克服彼此单独使用时的不足，从而提升组合构件的各项力学性能，实现保障和提升海水海砂钢筋混凝土结构长期服役寿命的目标。
附图说明
图1为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件由内至外的组成示意图。
图2为本发明实施例的底板的结构示意图。
图3为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备时安装示意图。
图4为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备的结构示意图。
图5为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备的正视图。
图6为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备的侧视图。
图7为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备的俯视图。
图8为本发明实施例的碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件制备时混凝土垫块位置示意图。
图9为本发明实施例一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土组合ICCP系统放入海水中的连接结构示意图。
附图标记包括：
1-碳纤维增强预制管，2-钢筋笼，3-钢筋混凝土构件，4-碳纤维网格布伸出部分，5-钢筋，6-底板，7-固定件，8-连接螺栓，9-混凝土垫块，10-外接电源；
11-内层管状水泥基柱体，12-外层管状水泥基柱体，13-碳纤维网格布；
61-连接螺栓孔。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，其包括中空的碳纤维增强预制管1和钢筋笼2，所述钢筋笼2位于碳纤维增强预制管1内，通过浇筑海水海砂混凝土形成钢筋混凝土构件3；所述碳纤维增强预制管1包括内层管状水泥基柱体11和外层管状水泥基柱体12，所述内层管状水泥基柱体11和外层管状水泥基柱体12之间设有碳纤维网格布13，所述内层管状水泥基柱体11和外层管状水泥基柱体12外有碳纤维网格布伸出部分4，用于与外接电源10的正极电连接；所述钢筋混凝土构件3的上端预留有用于与外接电源10的负极电连接的钢筋5。
其中碳纤维增强预制管1为采用相应的模具预制出的含有碳纤维网格布增强的水泥基复合材料，该碳纤维增强预制管1不仅可以直接作为海水海砂钢筋混凝土构件3浇筑的永久性模板，而且能为内部填充的海水海砂混凝土提供有效的侧向约束，从而极大地提高组合构件的承载力、延性和抗震性能。
上述基于ICCP系统的碳纤维增强预制管海水海砂钢筋混凝土构件的制备过程分为碳纤维增强预制管海水海砂钢筋混凝土构件的制作和ICCP系统的构建两个部分。
图1列出了碳纤维增强预制管钢筋混凝土组合构件由内至外的组成示意图，其中碳纤维增强预制管1由内外两层管状水泥基和中间的管状碳纤维网格材料组成，并在上端预留出多余的碳纤维网格以接入外接电源10的正极；碳纤维增强预制管1中放入钢筋笼2，浇筑混凝土使其形成组合结构，并在上端预留出多余的钢筋5，以接入外接电源10的负极，构建ICCP系统。
碳纤维增强预制管海水海砂钢筋混凝土组合构件的制备装置主要由碳纤维增强预制管1和底板6构成。底板6为如图2所示的普通钢板，上面开有连接螺栓孔61用以安装相应的固定件7，固定件7的位置与碳纤维增强预制管1外壁轮廓相切，均匀分布于四个方向上，主要作用为在水平方向上卡住碳纤维增强预制管1，以防止其在浇筑混凝土时发生移动。安装示意图如图3所示，组合构件的制备装置如图4~图7所示。在钢筋笼2与碳纤维增强预制管1的内壁之间放置混凝土垫块9以固定钢筋笼2，如图8所示。碳纤维增强预制管1制备时在上端预留出一定长度的碳纤维网格材料以接入外接电源10的正极。钢筋笼2的位置位于底板6上相应的定位线处，使其与预制管同心。同时，钢筋笼2的上端预留出一定长度的钢筋5以接入外接电源10的负极。具体步骤包括：
（1）将三个固定件7通过连接螺栓8固定在底板6上。将碳纤维增强预制管1放置于底板6上相应的定位线上后，再将第四个固定件7固定在底板6上，四个方向固定住预制管的位置。同时，在碳纤维增强预制管1腔内的底板6上刷脱模剂。
（2）将绑扎好的钢筋笼2放入碳纤维增强预制管1中，使其处于底板6的定位线上，以确保钢筋笼2与碳纤维增强预制管1同心。同时，绑扎的钢筋笼2上端应预留出部分长度的钢筋5。
（3）在钢筋笼2与碳纤维增强预制管1的内壁之间、和底板6上四个固定件7对应的四个方向放入混凝土垫块9，用以固定钢筋笼2的位置，以防止混凝土浇筑过程中钢筋笼2发生偏移。
（4）从碳纤维增强预制管1的管顶向下均匀浇筑海水海砂混凝土，待混凝土稍微溢出后停止浇筑。浇筑完成后在平板振动台上振捣30秒，以保证混凝土均匀分布。
（5）将混凝土表面贴上保鲜膜后置于室内阴凉处待其自然养护。28天养护完成后，依次拆除固定件7和底板6，完成碳纤维增强预制管海水海砂钢筋混凝土构件的制备。
实施例2
一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土组合ICCP系统，将上述主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件中的碳纤维网格布伸出部分4通过电缆与外接电源10的正极电连接，伸出钢筋混凝土构件3的钢筋5通过电缆与外接电源10的负极电连接，其中的钢筋5、海水海砂混凝土、碳纤维网格布13和外接电源10之间共同组成了ICCP系统，如图9所示，外接电源10通过绝缘阳极电缆和阴极回路电缆分别和碳纤维网格布伸出部分4和钢筋5相连。电缆由于处于潮湿的海洋环境中，需具有一定的绝缘性和耐久性以保证系统稳定运行。在接入外接电源10的情况下，其阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，以实现在海洋环境下对海水海砂混凝土中钢筋5的阴极保护。
进一步的，在电缆与钢筋、碳纤维网格布的连接处需采取一定的防腐措施，例如喷涂防腐涂料以确保连接处的有效性和耐久性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，其特征在于：其包括中空的纤维增强预制管和钢筋笼，所述钢筋笼位于纤维增强预制管内，通过浇筑混凝土形成钢筋混凝土构件；
所述纤维增强预制管包括内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体，所述内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体之间设有导电纤维网格布，所述导电纤维网格布伸出内层管状水泥基柱体和外层管状水泥基柱体外，用于与外接电源的正极电连接；
所述钢筋混凝土构件的上端预留有用于与外接电源的负极电连接的钢筋。
2.根据权利要求1所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，其特征在于：所述导电纤维网格布为碳纤维网格布。
3.如权利要求1或2所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤S1，将所述纤维增强预制管放在底板上，并通过固定件与底板连接；
步骤S2，将钢筋笼放入纤维增强预制管的中部，并在钢筋笼与纤维增强预制管的内壁之间放置用于固定钢筋笼的固定块，所述钢筋笼的上端预留向上伸出的钢筋以接入外接电源的负极；
步骤S3，从纤维增强预制管管顶向下浇筑海水海砂混凝土，养护后拆除固定件与底板。
4.根据权利要求3所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：所述钢筋笼与纤维增强预制管同轴心放置。
5.根据权利要求3所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：所述固定块为混凝土垫块。
6.根据权利要求3所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：所述固定件包括竖直连接部，所述竖直连接部与纤维增强预制管的外壁轮廓相切。
7.根据权利要求6所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：所述固定件对称均匀分布在纤维增强预制管的四周。
8.根据权利要求7所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件的制备方法，其特征在于：所述固定件为至少四个。
9.一种主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土组合ICCP系统，其特征在于：其包括如权利要求1或2所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土构件，所述导电纤维网格布通过电缆与外接电源的正极电连接，伸出钢筋混凝土构件的钢筋通过电缆与外接电源的负极电连接。
10.根据权利要求9所述的主被动双重防护的海水海砂钢筋混凝土组合ICCP系统，其特征在于：电缆与纤维网格布、钢筋的连接处设有防腐保护层。
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