CN114592443A - 一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法，该装置包括：加固机构、锚固机构和外部直流电源机构；加固机构包括CFRP网格和导电层，导电层包裹于CFRP网格；锚固机构设置于待加固混凝土受拉侧表面的两端；外部直流电源机构设有两个电性连接端，一个电性连接端与CFRP网格电性连接，另一个电性连接端与待加固混凝土电性连接，以形成闭合电回路。该方法包括：清理待加固混凝土；在待加固混凝土受拉侧表面两端固定安装锚固机构且张拉CFRP网格，喷射或现浇导电层使得加固机构与待加固混凝土接触连接；安装外部直流电源机构，使得其与加固机构和待加固混凝土形成闭合电回路。通过使用本发明，切实解决了滨海地区混凝土侵蚀劣化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及滨海侵蚀混凝土结构加固技术领域，特别是涉及一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法。
背景技术
目前，我国滨海地区的混凝土结构侵蚀劣化问题极其严重，甚至对我国经济造成巨大的损失。因此，如何科学合理的进行修复与加固滨海地区钢筋混凝土结构已成为国内发展进程中一个迫切需要解决的问题。
对于滨海侵蚀地区混凝土桥梁的侵蚀劣化问题，主要表现为四个核心问题：一是桥梁结构的混凝土不具备优良的抗海水侵蚀性，无法有效抵抗海水中侵蚀介质(SO4 2+、Mg2+、Cl-)的侵蚀；二是桥梁结构长期带裂缝工作和混凝土本身抗渗性较差的特性，导致海水和氯离子大量的侵入结构内部；三是侵入混凝土内部的氯离子导致钢筋严重的锈蚀；四是桥梁结构的承载能力和刚度大幅度的降低。
针对滨海侵蚀地区劣化混凝土梁的加固与修复，然而现有的加固方法或解决方案：外贴FRP加固方法、置换侵蚀混凝土后外贴FRP加固方法、FRP网格/ECC复合加固方法、FRP网格/聚合物砂浆复合加固方法、预应力FRP加固方法、以及ICCP-SS复合加固方法等均无法同时解决上述四个核心问题，所以亟需开展针对滨海侵蚀地区劣化混凝土梁修复与加固方法的研究。
因此，为同时解决上述四个核心问题，本发明提出了一种加固滨海侵蚀混凝土的装置及方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本方案采用的第一技术方案是，一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，包括：
包括加固机构、锚固机构和外部直流电源机构；
所述加固机构包括CFRP网格和导电层，所述导电层包裹于所述CFRP网格；
所述锚固机构设置于待加固混凝土受拉侧表面的两端，所述锚固机构用于锚固CFRP网格，并对CFRP网格提供预应力；
所述外部直流电源机构设有两个电性连接端，一个所述电性连接端与CFRP网格电性连接，另一个所述电性连接端与所述待加固混凝土电性连接，以形成闭合电回路。
在其中一个实施例中，所述CFRP网格厚度为3-5mm，所述CFRP网格纵横向网格纤维间距大于20mm。
在其中一个实施例中，所述导电层为导电ECC层。
在其中一个实施例中，所述导电ECC层包括普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑。
在其中一个实施例中所述锚固机构包括锚具和夹具，所述锚具与所述夹具固定连接，所述锚具用于张拉所述CFRP网格并提供预应力，所述夹具夹持固定所述CFRP网格。
在其中一个实施例中，所述锚具通过螺栓与所述待加固混凝土固定连接，所述夹具设有贯穿孔、螺孔、螺杆和螺母，所述螺孔垂直布置与所述贯穿孔两侧，所述螺孔两两相对布置，所述CFRP网格通过所述贯穿孔与所述锚具连接，所述螺杆通过所述螺孔夹住所述CFRP网格，所述螺杆通过所述螺母固定。
本方案采用的第二技术方案是，一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，包括以下步骤：
S100、对待加固混凝土的表面或露钢筋处进行清理，凿去加固区域疏松的混凝土，并打磨平整；
S200、在待加固混凝土受拉侧表面两端安装用于CFRP网格张拉的锚固机构，然后将CFRP网格的两端分别紧固在安装好的锚固机构中，喷射或现浇导电层使得加固机构与待加固混凝土接触连接；
S300、将外部直流电源机构的正极与CFRP网格相连接，负极与待加固混凝土的钢筋相连接，钢筋和CFRP网格通过待加固混凝土和导电层相连，并与外部直流电源机构形成闭合电回路。
在其中一个实施例中，在S100中还包括步骤S110，
S110、对露出的受拉钢筋进行除锈，除锈后在露出的受拉钢筋外涂刷钢筋防锈剂。
在其中一个实施例中，在S200中还包括步骤S210、S220和S230，S210、在待加固混凝土的受拉侧喷射或现浇一层导电层；
S220、通过锚固机构，将CFRP网格固定在待加固混凝土的受拉侧，同时对CFRP网格施加预应力，使得CFRP网格的一面与导电层完全接触连接；
S230、将CFRP网格的另一面喷射或现浇一层导电层，形成加固机构。
在其中一个实施例中，导电层为导电ECC层，导电ECC层由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑制备而成。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，可以同时解决滨海侵蚀地区混凝土桥梁侵蚀劣化的四个核心问题：
1)本发明所述的外加电流阴极保护可以阻止已侵入混凝土内部氯离子导致的钢筋锈蚀；
2)本发明所述的预应力CFPR网格可以闭合结构的裂缝，恢复其正常使用性能，解决因结构裂缝导致得海水和氯离子的侵入问题；
3)本发明所述的CFPR网格和导电层均具体良好的抗海水侵蚀性能，此外包裹在待加固混凝土受拉侧表面的导电层，可以有效保护原结构的混凝土免遭海水侵蚀，也可以有效保护原结构的混凝土防止进一步劣化，即可以提高加固后结构的耐久性能；
4)本发明所述的CFPR网格为高强材料，同时对CFPR网格引入预应力，使得CFRP网格的高强特性得到充分发挥，所以可以显著提高结构的承载能力；此外所述导电层厚度将增加待加固梁的截面尺寸，所以可以提高加固后结构的刚度。
2、本发明提供的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，通过CFRP网格和导电层共同作为外加电流阴极保护技术的辅助阳极和加固材料，将装置加固和阴极保护整合成一个结构体系，明显降低了结构修复成本和增强了保护装置的稳固性。此外，由于预应力的引入，使得CFRP网格的高强特性得到充分发挥，显著提高CFRP网格强度的利用率，减少其材料的用量，再次降低结构的修复成本。
综上所述，该结构简单，方法新颖，应用于实际工程中，切实解决了滨海地区混凝土结构侵蚀劣化的四个核心问题，本发明对提高滨海侵蚀地区劣化桥梁结构的耐久性、延长其服役寿命具有重大的科学意义与指导价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置结构示意图；
图2为本发明提供的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置剖视示意图；
图3为本发明提供的夹具结构示意图。
附图标记如下：
10、加固机构；11、CFRP网格；12、导电ECC层；
20、锚固机构；21、锚具；211、螺栓；22、夹具；221、贯穿孔；222、螺孔；223、螺杆；224、螺母；
30、外部直流电源机构；
40、待加固钢筋混凝土梁。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
需要指出，本发明提供的实施例中待加固混凝土是以待加固钢筋混凝土梁40为例，导电层是以导电ECC层12为例。
本发明提供的一种加固滨海侵蚀钢筋混凝土梁的装置，其实施例如图1和2所示，包括加固机构10、锚固机构20和外部直流电源机构30；加固机构10包括CFRP网格11和导电ECC层12，导电ECC层12包裹于CFRP网格11；锚固机构20设置于待加固钢筋混凝土梁40受拉侧表面的两端，锚固机构20用于锚固CFRP网格11，并对CFRP网格11提供预应力；外部直流电源机构30设有两个电性连接端，一个电性连接端与CFRP网格11电性连接，另一个电性连接端用于与待加固钢筋混凝土梁40电性连接，以形成闭合电回路。
其中，CFRP(CarbonFiberReinforcedPlastic，碳纤维复合材料)，CFRP网格11是将碳纤维浸渍于耐腐蚀性良好的树脂中形成的整体网格；这种材料具有密度低、抗拉强度高、耐腐蚀、耐疲劳等特点，可作为外加电流阴极保护技术的辅助阳极使用。
外部直流电源机构30是指能够提供直流电的机构；实现提供直流电的方式主要有两种，一种是直流-直流，直接使用提供直流电的机构；另一种是交流-直流，例如使用整流器将交流电转换为直流电。
譬如，本实施例中将外部直流电源机构30设置如图1所示，用导线依次电性连接待加固混凝土梁40中的钢筋、外部直流电源机构30和CFRP网格11，并且通过导线一直输出足够电流或电压来保护钢筋。
为了使CFRP网格11达到此实施例的效果，将CFRP网格11厚度设置为3-5mm，CFRP网格11纵横向网格纤维间距设置为大于20mm。
其中，CFRP网格11纵横向网格纤维间距大于20mm：指CFRP网格11相邻纵向纤维之间的间距和横向纤维之间的间距均大于20mm。
进一步的，为了更好的夹住CFRP网格11，可以将CFRP网格11幅宽与锚具21宽度设置一致。
需要指出，在此实施例中，导电ECC层12包括普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑。
其中，ECC(EngineeredCementitiousComposite，高延性水泥基复合材料)，导电ECC层12是指ECC中添加了适量石墨和炭黑而具有导电性的ECC层。
炭黑的主要成分是碳，其基本粒子尺寸在10-100nm之间，因此具有优良的橡胶补强、着色、导电或抗静电以及紫外线吸收功能，是人类最早开发和应用的纳米级材料。
PE(Polyethylene，聚乙烯)，PE纤维是指由超高分子量聚乙烯纺制成的合成纤维。
为了实现CFRP网格11的固定和张拉，此实施例将锚固机构20设置如图1和图3所示，锚固机构20包括锚具21和夹具22，锚具21与夹具22固定连接，锚具21用于张拉CFRP网格11并提供预应力，夹具22夹持固定CFRP网格11。
进一步地，锚具21通过螺栓211与待加固钢筋混凝土梁40固定连接，夹具22设有贯穿孔221、螺孔222、螺杆223和螺母224，螺孔222垂直布置与贯穿孔221两侧，螺孔222两两相对布置，CFRP网格11通过贯穿孔221与锚具21连接，螺杆223通过螺孔222夹住CFRP网格11，螺杆223通过螺母224固定。
需要指出，锚具21、夹具22、螺杆223和螺母224均为不锈钢材质作为永久部件保留在待加固钢筋混凝土梁40加固处的表面。
在进行应用中，通过调节螺杆223与螺母224的松紧，实现夹具22夹持固定CFRP网格11，CFRP网格11通过贯穿孔221与锚具21连接，锚具21张拉CFRP网格11并提供预应力。
本发明提供的一种加固滨海侵蚀钢筋混凝土梁的方法，此实施例设置如图1、图2和图3所示，包括以下步骤：
S100、对待加固钢筋混凝土梁40的表面或露钢筋处进行清理，凿去加固区域疏松的混凝土，并打磨平整；
具体的，S100包括：
S110、对露出的受拉钢筋进行除锈，除锈后在露出的受拉钢筋外涂刷钢筋防锈剂。
S200、在待加固钢筋混凝土梁40受拉侧表面两端安装用于CFRP网格11张拉的锚固机构20，然后将CFRP网格11的两端分别紧固在安装好的锚固机构20中，喷射或现浇导电ECC层12使得加固机构10与待加固钢筋混凝土梁40接触连接；
具体的，S200包括：
S210、在待加固钢筋混凝土梁40的受拉侧喷射或现浇一层导电ECC层12；
S220、通过锚固机构20，将CFRP网格11固定在待加固钢筋混凝土梁40的受拉侧，同时对CFRP网格11施加预应力，使得CFRP网格11的一面与导电ECC层12完全接触连接；
S230、将CFRP网格11的另一面喷射或现浇一层导电ECC层12，形成加固机构10。
需要指出，导电ECC层12由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑制备而成。
在配制导电ECC层12的时候，需注意配比和投料顺序，确保其与待加固钢筋混凝土梁40有可靠粘结以及有良好的导电性能，使其能与待加固钢筋混凝土梁40协调变形。
需要注意的是，在制作加固机构10的过程中：首先，在待加固钢筋混凝土梁40受拉侧表面粘贴一层导电ECC层12；其次，将CFRP网格11严密地放置在导电ECC层12的顶部，并轻轻压紧以提高其润湿性；最后，用导电ECC层12覆盖CFRP网格11，并轻轻按压以去除气泡。
进一步的，在使用喷射或现浇施工过程中，对于有些交叉部位难以充实会有空隙产生，此时可以用镘刀进行填充、压实CFRP网格11部位的空隙。
具体的，实现S200还可以有另一种方式，首先通过锚固机构20张拉CFRP网格11并固定，然后根据待加固钢筋混凝土梁40需加固区域的大小，在CFRP网格11的两面均喷射或现浇一层导电ECC层12，使其成为加固机构10，最后将加固机构10与待加固钢筋混凝土梁40粘结在一起。
S300、将外部直流电源机构30的正极与CFRP网格11相连接，负极与待加固钢筋混凝土梁40的钢筋相连接，钢筋和CFRP网格11通过待加固钢筋混凝土梁40和导电ECC层12相连，并与外部直流电源机构30形成闭合电回路。
其中，CFRP网格11和导电ECC层12既用于作为电流辅助阳极材料，又作为加固材料，将加固机构10、待加固钢筋混凝土梁40和外部直流电源机构30整合成一个结构体系，从而达到同时提高待加固钢筋混凝土梁40力学性能、防腐性能、耐久性能和闭合结构裂缝能力的四重效果，即CFPR网格11和导电ECC层12提高待加固钢筋混凝土梁40的承载力与刚度；外加电流阴极保护阻止钢筋锈蚀；CFRP网格11通过锚固机构20施加预应力，其预应力使待加固钢筋混凝土梁40恢复正常使用性能，解决因结构裂缝导致海水和氯离子侵入问题，也就是闭合结构裂缝；包裹在待加固钢筋混凝土梁40加固区域的导电ECC层12，可以有效保护待加固钢筋混凝土梁40原有混凝土免遭海水侵蚀，提高待加固钢筋混凝土梁40的耐久性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
包括加固机构、锚固机构和外部直流电源机构；
所述加固机构包括CFRP网格和导电层，所述导电层包裹于所述CFRP网格；
所述锚固机构设置于待加固混凝土受拉侧表面的两端，所述锚固机构用于锚固CFRP网格，并对CFRP网格提供预应力；
所述外部直流电源机构设有两个电性连接端，一个所述电性连接端与CFRP网格电性连接，另一个所述电性连接端与所述待加固混凝土电性连接，以形成闭合电回路。
2.根据权利要求1所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
所述CFRP网格厚度为3-5mm，所述CFRP网格纵横向网格纤维间距大于20mm。
3.根据权利要求1所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
所述导电层为导电ECC层。
4.根据权利要求3所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
所述导电ECC层包括普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑。
5.根据权利要求1所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
所述锚固机构包括锚具和夹具，所述锚具与所述夹具固定连接，所述锚具用于张拉所述CFRP网格并提供预应力，所述夹具夹持固定所述CFRP网格。
6.根据权利要求5所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的装置，其特征在于，
所述锚具通过螺栓与所述待加固混凝土固定连接，所述夹具设有贯穿孔、螺孔、螺杆和螺母，所述螺孔垂直布置与所述贯穿孔两侧，所述螺孔两两相对布置，所述CFRP网格通过所述贯穿孔与所述锚具连接，所述螺杆通过所述螺孔夹住所述CFRP网格，所述螺杆通过所述螺母固定。
7.一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，其特征在于，应用了权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
S100、对待加固混凝土的表面或露钢筋处进行清理，凿去加固区域疏松的混凝土，并打磨平整；
S200、在待加固混凝土受拉侧表面两端安装用于CFRP网格张拉的锚固机构，然后将CFRP网格的两端分别紧固在安装好的锚固机构中，喷射或现浇导电层使得加固机构与待加固混凝土接触连接；
S300、将外部直流电源机构的正极与CFRP网格相连接，负极与待加固混凝土的钢筋相连接，钢筋和CFRP网格通过待加固混凝土和导电层相连，并与外部直流电源机构形成闭合电回路。
8.根据权利要求7所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，其特征在于，在S100中还包括步骤S110，
S110、对露出的受拉钢筋进行除锈，除锈后在露出的受拉钢筋外涂刷钢筋防锈剂。
9.根据权利要求7所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，其特征在于，在S200中还包括步骤S210、S220和S230，
S210、在待加固混凝土的受拉侧喷射或现浇一层导电层；
S220、通过锚固机构，将CFRP网格固定在待加固混凝土的受拉侧，同时对CFRP网格施加预应力，使得CFRP网格的一面与导电层完全接触连接；
S230、将CFRP网格的另一面喷射或现浇一层导电层，形成加固机构。
10.根据权利要求7所述的一种加固滨海侵蚀混凝土的方法，其特征在于，导电层为导电ECC层，导电ECC层由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、消泡剂、PE纤维、石墨和炭黑制备而成。
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