钢筋混凝土结构强制电流阴极腐蚀控制系统

摘要

钢筋腐蚀是降低钢筋混凝土结构耐久性的主要原因，阴极保护（Cathodic Protection,CP）是迄今能够直接阻止钢混结构腐蚀的唯一有效途径。确保强制电流阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection，ICCP）系统精确可靠的核心问题在于高效耐久阳极材料的研制和ICCP系统电场投放精确的模拟。本文采用理论研究、数值模拟与试验验证相结合，制备了多尺度碳/水泥复合阳极材料，并对ICCP的电场投放进行了系统研究。
　　首先，分析了单掺碳纤维、纳米碳黑、碳纳米管水泥复合材料的导电性能，根据其导电机理，结合经济性和可施工性，进而制备了多尺度碳/水泥复合阳极材料。通过加速极化试验对多尺度碳/水泥复合阳极材料的抗极化性进行研究，并采用SEM、EDS等对阳极材料的极化机理进行了分析。结果表明，阳极材料的极化过程包括三个阶段，前两个阶段分别由于水泥基体含水率的升高、阳极材料内部反电场的形成致使阳极材料的极化电位缓慢上升，第三阶段则由于碳纤维被氧化导致试件极化电位骤升，前两个阶段的稳定期为阳极材料的有效服役期。此外，在极化过程中多尺度碳/水泥复合阳极材料对侵蚀离子Cl-具有抗干扰性。结合极化性能，确定多尺度碳/水泥复合阳极材料的理想配比为CF03CNT15CB2，该掺量的阳极材料在1200mA/m2极化电流和PH值为13.5的极端环境下，其稳定期可达200h以上。
　　其次，通过对ICCP系统投放电场Laplace方程和COMSOL的腐蚀模块二次电流接口原理的分析，建立了ICCP系统电场投放的COMSOL数值模拟方法。将实测的阳极极化曲线和复杂腐蚀状态下的阴极极化曲线加载在电极反应界面，采用自由四面体剖分网格，利用COMSOL稳态求解器，建立了ICCP电场投放的数值计算模型。运用COMSOL后处理程序，对钢筋表面电位和电流密度、混凝土的电场分布进行了分析。结果表明，临近阴阳极的混凝土区域的电场最强，而钢混界面的电流密度最大。ICCP系统通过临近钢筋表面局部区域所铺设阳极材料实现对钢筋的有效保护。
　　最后，根据所建立的ICCP腐蚀控制系统电场投放的COMSOL数值模型，结合所制备多尺度碳/水泥复合阳极材料，搭建了T型梁和空心圆柱ICCP腐蚀控制原型系统，并对钢筋表面电位进行了数值模拟和试验结果对比。结果表明除了T型梁上个别测点外相对误差均在20％以内，试验验证了ICCP腐蚀控制系统COMSOL数值模型的可靠性。此外，根据欧美阴极保护标准中的保护电位准则和100mV极化衰减准则，通过测量钢筋表面的半电池电位和20h的极化衰减值，对所搭建的ICCP系统钢筋腐效果进行了评价。结果表明，通过ICCP腐蚀控制电场投放的优化设计，可实现对T型梁和空心圆柱等典型构件腐蚀的合理保护,所制备的多尺度碳/水泥复合阳极材料可用于工程实践。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2阴极保护原理

1.3钢混结构CP腐蚀控制系统研究的现状

1.4本文主要研究内容

第2章 多尺度碳/水泥复合阳极材料的制备

2.1引言

2.2单掺碳基材料的水泥净浆复合材料的制备

2.3多尺度碳/水泥复合阳极材料的制备

2.4多尺度碳/水泥复合阳极材料的极化性能

2.5本章小结

第3章 钢混结构ICCP电场投放的数值模拟

3.1引言

3.2 ICCP系统电场投放的理论基础

3.3 ICCP投放电场COMSOL模拟原理

3.4数值模拟的边界条件

3.5混凝土电阻率的测定

3.6 ICCP电场数值模拟的COMSOL计算流程

3.7钢混空心圆柱ICCP系统的数值模拟计算

3.8钢混T型梁ICCP系统的数值模拟计算

3.9本章小结

第4章 钢混结构ICCP系统腐蚀控制效果的试验验证

4.1引言

4.2混凝土空心圆柱和T型梁的制备

4.3 ICCP腐蚀控制系统的搭建和试验数据的采集

4.4数值模拟与试验结果对比分析

4.5 ICCP腐蚀控制效果评价

4.6本章小结

结论

参考文献

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