CN115449801A - 一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，包括监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统；供电子系统用于为其他子系统供电；监测子系统用于定时采集监测数据，并将监测数据发送到分析与控制子系统；阴极防护子系统用于对钢筋输出阴极保护电流；分析与控制子系统用于接收监测子系统的监测数据，预测钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁或钢筋开始锈蚀时间t₂；若当前时间大于t₁或t₂的80～90％，对钢筋通电实施阴极防护。本发明提升了混凝土的耐久性，降低对电能的需求，减少浪费，尤其适用于远离大陆的海洋工程钢筋混凝土结构的耐久性防护。

Description

一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土结构腐蚀防护技术领域，特别涉及一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统。

背景技术

海洋环境下，钢筋混凝土结构面临严峻的耐久性问题。海水中氯离子渗透至混凝土内部，当钢筋表面的氯离子累积到一定浓度(临界氯离子浓度)时，钢筋表面钝化膜遭受破坏，钢筋发生腐蚀。锈蚀后的钢筋体积膨胀，在混凝土内部形成内应力，引起混凝土开裂。此时更多的腐蚀介质通过裂缝快速进入混凝土内部，加速腐蚀发展，最终导致混凝土保护层剥落，钢筋截面积减少，影响结构服役性能。氯盐引起的耐久性劣化进程通常分三个阶段：第一阶段，氯离子由混凝土表面渗透至钢筋表面，并使钢筋表面的氯离子达到引起钢筋锈蚀的临界浓度；第二阶段，钢筋锈蚀发展，并导致混凝土出现锈涨裂缝；第三阶段，钢筋锈蚀持续加速发展，出现混凝土剥落、露筋等严重问题。上述三个阶段以第一阶段时间最长，占据整个耐久性劣化进程的绝大部分时间。因此，工程技术人员普遍将钢筋表面氯离子累积到临界浓度的时间作为结构寿命终值。

为提升结构耐久性，保障结构的服役寿命，除采用抗氯离子渗透性强的高性能混凝土延缓钢筋表面氯离子达到临界浓度的时间外，采用不锈钢材料或者实施阴极防护以提高钢筋临界氯离子浓度也是行之有效的方法。阴极防护(cathodic prevention)与阴极保护(cathodic protection)不同。阴极保护在钢筋已开始锈蚀时实施，对钢筋通以一定电流阻止钢筋腐蚀的发展。而阴极防护电流在钢筋还未腐蚀前施加，从而使钢筋能抵御更高浓度氯离子的侵蚀，即提高钢筋的临界氯离子浓度。阴极防护电流远少于阴极保护电流，耗电量更小，因此实施起来更为经济、环保。

从上述分析可知，阴极防护在钢筋锈蚀前实施。由于钢筋表面氯离浓度累积到临界浓度耗时漫长，若从结构物刚建成便对钢筋通电，无疑会造成能源浪费，而这期间供电电源也可能因自身寿命需要更换，造成不必要的成本投入。因此定期对结构物状态进行检测，在钢筋接近临界浓度前才开始实施阴极防护更为合理。

但是，当结构物处在远离大陆的海洋区域时，定期检测的人力、物力成本以及实施风险都较高。同时检测的实时性较差，容易造成阴极防护启动滞后，影响后续防护效果。另一方面，结构物远离大陆，且相对独立时，有可能会面临无集中市电可用的情况，令阴极防护无法发挥作用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明提供一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，提升混凝土的耐久性，降低对电能的需求，减少浪费，尤其适用于远离大陆的海洋工程钢筋混凝土结构的耐久性防护。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，包括监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统；

所述供电子系统用于为监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统供电；

所述监测子系统用于定时采集监测数据，并将监测数据发送到分析与控制子系统；

所述阴极防护子系统用于对钢筋输出阴极保护电流；

所述分析与控制子系统用于接收监测子系统的耐久性监测数据，以钢筋混凝土结构开始服役时间为时间原点，预测钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁或钢筋开始锈蚀时间t₂；若当前时间大于t₁的80～90％或t₂的80～90％，分析与控制子系统发送启动指令至阴极防护子系统，对钢筋通电实施阴极防护。

优选的，所述供电子系统包括太阳能板、波浪能发电装置、充放电控制器、蓄电池；所述太阳能板、波浪能发电装置分别与充放电控制器电连接；所述充放电控制器与蓄电池电连接。

优选的，所述蓄电池充电时根据太阳能和波浪能输出电压的大小选择合适的充电方法，当太阳能输出电压大于波浪能输出电压的1.1倍时，采用太阳能充电。

优选的，所述分析与控制子系统包括依次连接的数据管理模块、数据分析处理模块和控制模块。

优选的，所述数据管理模块用于接受监测子系统发送过来的数据并建立数据库；所述数据分析模块用于对数据库中数据进行计算、分析并对结构状态进行评估；所述控制模块用于根据评估结果控制阴极防护子系统的启动，调节通电电流的大小。

优选的，所述监测子系统包括耐久性监测传感器、参比电极、数据采集设备、数据传输设备；所述耐久性监测传感器、参比电极分别与数据采集设备连接；所述数据采集设备连接数据传输设备；所述数据传输设备与分析与控制子系统电连接。

优选的，所述分析与控制子系统用于接收监测子系统的钢筋相对于参比电极的电位，根据钢筋相对于参比电极的电位判断阴极防护的有效性，当电位超出预设的阴极防护的有效性范围时，发送增加或减少通电电流大小的指令至阴极防护子系统。

优选的，所述耐久性监测传感器包括预埋在钢筋混凝土保护层内的氯离子浓度监测传感器或钢筋腐蚀锋面监测传感器中的至少一种。

优选的，所述数据采集设备为多通道模式，用于定时采集监测数据，并将数据临时存储在其内部。

优选的，所述阴极防护子系统包括恒流仪、远程通讯设备和埋设在混凝土内的辅助阳极；所述恒流仪的正极、负极分别与辅助阳极、钢筋电连接；所述远程通讯设备与分析与控制子系统连接。

优选的，所述分析与控制子系统发送指令至阴极防护子系统，对钢筋通电实施阴极防护，具体为：

所述分析与控制子系统的控制模块发送远程指令至所述远程通讯设备，当收到启动指令时，控制恒流仪的开启，当收到增加通电电流大小的指令时，增加1％～5％恒流仪的输出电流，当收到减少通电电流大小的指令时，减少1％～5％恒流仪的输出电流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过耐久性监测预测钢筋开始锈蚀时间，并在预测钢筋开始锈蚀的时间来临前实施外加电流阴极防护提高钢筋耐氯离子侵蚀能力，提升混凝土的耐久性。

(2)本发明前期监测和后期外加电流阴极防护联合使用降低对电能的需求，减少浪费。

(3)本发明采用了监测避免了人工到现场的耐久性检测，减少了人力、物力消耗，且数据实时性更高。

(4)本发明将波浪能的持续但低效和太阳能较高效但不持续的供电特性结合，从而实现系统运行的用电需要。系统尤其适用于远离大陆的海洋工程钢筋混凝土结构的耐久性防护。

附图说明

图1为本发明的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1为本发明的一个实施例中钢筋混凝土外加电流阴极防护系统的示意图，包括监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统；在该实施例中，供电子系统用于为监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统供电；监测子系统用于定时采集监测数据，并将监测数据发送到分析与控制子系统；阴极防护子系统用于对钢筋输出阴极保护电流；分析与控制子系统用于接收监测子系统的耐久性监测数据，以钢筋混凝土结构开始服役时间为时间原点，预测钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁或钢筋开始锈蚀时间t₂；若当前时间大于t₁的85％或t₂的85％，分析与控制子系统发送启动指令至阴极防护子系统，对钢筋通电实施阴极防护。分析与控制子系统也用于接收监测子系统的阴极保护有效性监测数据，以钢筋相对于参比电极的电位判断阴极防护的有效性，当电位超过预设的防护有效性范围时，发送增加或减少通电电流大小的指令至阴极防护子系统，如，当电位大于-720mV(相对于Ag|AgCl，KCl(0.1mol/L)参比电极)时，分析与控制子系统发送增加通电电流大小的指令至阴极防护子系统，当电位小于-1100mV(相对于Ag|AgCl，KCl(0.1mol/L)参比电极)时，分析与控制子系统发送减少通电电流大小的指令至阴极防护子系统。在本发明的一个实施例中，供电子系统包括太阳能板、波浪能发电装置、充放电控制器、蓄电池；太阳能板、波浪能发电装置分别与充放电控制器电连接；充放电控制器与蓄电池电连接。

在本发明的一个实施例中，根据用电情况选择浮充、直充或完全放电的方式对蓄电池进行充放电管理。蓄电池充电时根据太阳能和波浪能输出电压的大小选择合适的充电方法，当太阳能输出电压大于波浪能输出电压的1.1倍时，采用太阳能充电。

在本发明的一个实施例中，分析与控制子系统包括依次连接的数据管理模块、数据分析处理模块和控制模块。该实施例中，数据管理模块用于接受监测子系统发送过来的数据并建立数据库；数据分析模块用于对数据库中数据进行计算、分析并对结构状态进行评估；控制模块用于根据评估结果控制阴极防护子系统的启动，调节通电电流的大小。

在本发明的一个实施例中，监测子系统包括耐久性监测传感器、参比电极、数据采集设备、数据传输设备；耐久性监测传感器、参比电极分别与数据采集设备连接；数据采集设备连接数据传输设备，数据传输设备与分析与控制子系统电连接。

在本发明的一个实施例中，耐久性监测传感器包括预埋在钢筋混凝土保护层内的氯离子浓度监测传感器或钢筋腐蚀锋面监测传感器中的至少一种。

在本发明的一个实施例中，数据采集设备为多通道模式，用于定时采集监测数据，并将数据临时存储在其内部。

在本发明的一个实施例中，阴极防护子系统包括恒流仪、远程通讯设备和埋设在混凝土内的辅助阳极；恒流仪的正极、负极分别与辅助阳极、钢筋电连接；远程通讯设备与控制子系统连接。

在本发明的一个实施例中，分析与控制子系统的控制模块发送远程指令至远程通讯设备，当收到启动指令时，控制恒流仪的开启，当收到增加通电电流大小的指令时，增加1％～5％恒流仪的输出电流，当收到减少通电电流大小的指令时，减少1％～5％恒流仪的输出电流。

本发明的一个实施例的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统的使用方法的实例如下：

位于某海岛上的码头，采用高桩梁板设计，在该码头使用本发明的一个实施例的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，方法如下：

(1)在码头的钢筋混凝土桩帽、梁、板上各选择5个点埋设耐久性监测传感器，传感器在钢筋绑扎完，混凝土浇筑前安装。

(2)开展外加电流阴极防护设计，在钢筋绑扎完，混凝土浇筑前对需要实施阴极防护的混凝土桩帽、梁、板预埋辅助阳极、参比电极。

(3)根据后期阴极防护和监测用电量设计供电子系统，并在码头底部安装波浪能发电装置，在码头面不影响作业且太阳光照充足的区域安装太阳能板。

(4)在码头面上建造一房子，设为监控中心，将连接耐久性监测传感器、辅助阳极、参比电极、钢筋、太阳能板、波浪能发电装置等的线缆引至该中心。

(5)在监控中心安装监测子系统中的数据采集设备、数据传输设备，各设备安装在一个不锈钢电箱中，电箱中留有接线端方便接线。将数据采集设备与耐久性监测传感器、数据传输设备相连，并明确耐久性监测传感器、设备间的拓扑关系。

(6)在监控中心安装供电子系统的充放电控制器、蓄电池，各设备安装在一个不锈钢电箱中，电箱中留有接线端方便接线。将供电子系统与监测子系统相连，实现对监测子系统供电。

(7)分析与控制子系统设置在大陆，其数据管理模块与数据分析模块搭建在云平台，可对多个项目数据进行统一管理和分析，控制模块利用无线通讯技术与现场设备进行通讯。

(8)利用监测子系统定期监测混凝土内部氯离子浓度，或钢筋腐蚀锋面位置。监测数据发送至分析与控制子系统的数据管理模块，随即将数据管理模块的数据导入数据分析模块，预测钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁或钢筋开始锈蚀时间t₂；

其中，钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁通过以下方式计算：

其中，h为被测钢筋混凝土保护层的厚度，C_ct为临界氯离子浓度，erf^-1为误差函数的反函数，D为氯离子扩散系数，C_s为表面氯离子浓度，C₀为初始氯离子浓度；

其中，所述临界氯离子浓度C_ct的获取过程如下：

1)配制多组含有不同氯离子浓度的饱和氢氧化钙试验溶液；

2)分别在试验溶液中进行极化测试，测定以钢筋材料制作的工作电极不同氯离子浓度下的极化曲线；

3)基于极化曲线，得到工作电极发生点蚀击穿的最低氯离子浓度，确定为临界氯离子浓度。

其中，C_s、C₀、D的获取过程如下：

1)获取埋设在被测钢筋混凝土保护层内的氯离子浓度传感器在不同时间监测得到的氯离子浓度，得到氯离子浓度时间序列(t_i,C_i)；

2)根据

进行非线性拟合；

其中，t为回归变量，表示时间，C为响应变量，表示t时x_s处的氯离子浓度，x_s为氯离子浓度传感器在被测钢筋混凝土中的埋设深度，t'取10a，m为氯离子扩散系数衰减值，若t_i均大于等于10a，则m＝0，若t_i均小于10a，则m＝0.2+4(F/5+K/7)，F，K分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的百分比，计算中所用的时间均以混凝土浇筑时间为零点，以年为单位。

其中，钢筋开始锈蚀时间t₂通过以下方式获得：

(1)定期监测预埋在钢筋混凝土结构保护层中与钢筋同材质的传感器各项电化学参数，判断传感器锈蚀状态，以传感器开始锈蚀的时间t_s作为腐蚀锋面到达传感器埋设深度x_s的时间，

(2)根据

计算腐蚀锋面达到钢筋处的时间，即钢筋开始锈蚀时间t₂；

其中，h为被测钢筋混凝土保护层的厚度,m为氯离子扩散系数衰减值，若t_s≥10a，则m＝0，若t_s＜10a，则m＝0.2+4(F/5+K/7)，F，K分别为粉煤灰和矿渣粉在胶凝材料中的百分比，计算中所用的时间均以混凝土浇筑时间为零点，以年为单位。

(3)若当前时间大于t₁或t₂的85％时，分析与控制子系统发出警告，安排人员在监控中心安装外加电流阴极防护子系统的恒流仪，恒流仪与辅助电极、钢筋连接，并利用供电子系统对其供电。

(4)继续监测，若当前时间大于t₁或t₂的85％，分析与控制子系统的控制模块远程启动阴极防护子系统，对码头钢筋通电实施阴极防护。

(5)利用监测子系统定期监测钢筋相对于参比电极的电位，并将数据发送至以分析与控制子系统，根据电位值大小分析阴极防护有效性，根据分析结果，控制模块发送指令至阴极防护子系统调整电流输出，从而维持钢筋处在钝化状态。

由上述过程可得，本发明通过耐久性监测预测钢筋开始锈蚀时间，并在预测钢筋开始锈蚀的时间来临前实施外加电流阴极防护提高钢筋耐氯离子侵蚀能力，提升混凝土的耐久性。前期监测和后期外加电流阴极防护联合使用降低对电能的需求，减少浪费。采用了监测避免了人工到现场的耐久性检测，减少了人力、物力消耗，且数据实时性更高。本发明将波浪能的持续但低效和太阳能较高效但不持续的供电特性结合，从而实现系统运行的用电需要。系统尤其适用于远离大陆的海洋工程钢筋混凝土结构的耐久性防护。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，包括监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统；

所述供电子系统用于为监测子系统、阴极防护子系统、分析与控制子系统和供电子系统供电；

所述监测子系统用于定时采集监测数据，并将监测数据发送到分析与控制子系统；

所述阴极防护子系统用于对钢筋输出阴极保护电流；

所述分析与控制子系统用于接收监测子系统的耐久性监测数据，以钢筋混凝土结构开始服役时间为时间原点，预测钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度的时间t₁或钢筋开始锈蚀时间t₂；若当前时间大于t₁的80～90％或t₂的80～90％，分析与控制子系统发送启动指令至阴极防护子系统，对钢筋通电实施阴极防护。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述供电子系统包括太阳能板、波浪能发电装置、充放电控制器、蓄电池；所述太阳能板、波浪能发电装置分别与充放电控制器电连接；所述充放电控制器与蓄电池电连接。

3.根据权利要求2所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述蓄电池充电时根据太阳能和波浪能输出电压的大小选择合适的充电方法，当太阳能输出电压大于波浪能输出电压的1.1倍时，采用太阳能充电。

4.根据权利要求1所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述分析与控制子系统包括依次连接的数据管理模块、数据分析处理模块和控制模块。

5.根据权利要求4所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述数据管理模块用于接受监测子系统发送过来的数据并建立数据库；所述数据分析模块用于对数据库中数据进行计算、分析并对结构状态进行评估；所述控制模块用于根据评估结果控制阴极防护子系统的启动，调节通电电流的大小。

6.根据权利要求1所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述监测子系统包括耐久性监测传感器、参比电极、数据采集设备、数据传输设备；所述耐久性监测传感器、参比电极分别与数据采集设备连接；所述数据采集设备连接数据传输设备；所述数据传输设备与分析与控制子系统电连接。

7.根据权利要求6所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述分析与控制子系统用于接收监测子系统的钢筋相对于参比电极的电位，根据钢筋相对于参比电极的电位判断阴极防护的有效性，当电位超出预设的阴极防护的有效性范围时，发送增加或减少通电电流大小的指令至阴极防护子系统。

8.根据权利要求6所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述耐久性监测传感器包括预埋在钢筋混凝土保护层内的氯离子浓度监测传感器或钢筋腐蚀锋面监测传感器中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述阴极防护子系统包括恒流仪、远程通讯设备和埋设在混凝土内的辅助阳极；所述恒流仪的正极、负极分别与辅助阳极、钢筋电连接；所述远程通讯设备与分析与控制子系统连接。

10.根据权利要求9所述的钢筋混凝土外加电流阴极防护系统，其特征在于，所述分析与控制子系统发送指令至阴极防护子系统，对钢筋通电实施阴极防护，具体为：

所述分析与控制子系统的控制模块发送远程指令至所述远程通讯设备，当收到启动指令时，控制恒流仪的开启，当收到增加通电电流大小的指令时，增加1％～5％恒流仪的输出电流，当收到减少通电电流大小的指令时，减少1％～5％恒流仪的输出电流。

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