采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法及装置

摘要

本发明公开了采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法及装置，该装置包括植入混凝土的钢筋、用于作为电流辅助阳极材料的CFRP片材、一为所述装置进行供电的直流电源；所述CFRP片材和所述混凝土之间设置有用于将两者连接在一起的粘结材料；本装置由于采用CFRP片层作为保护装置的辅助阳极，可以在取得理想保护效果的同时大大降低了成本，而本装置所述安装方法由于采用粘结材料与CFRP片材与混凝土粘结在一起，具有覆盖面积大和安装简便的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及外加电流阴极保护领域，尤其涉及采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法及装置。 

背景技术

钢筋混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，随着使用年限的增加和使用环境的变化，钢筋混凝土结构的劣化和功能失效较为普遍和严重，引起了科研学者对混凝土结构耐久性问题的关注。混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力。

从材料学的角度来看，钢筋混凝土结构耐久性劣化的最主要原因是内部钢筋的锈蚀。正常情况下，钢筋在PH值约为13的混凝土内部孔溶液中会形成钝化膜。但当外部腐蚀性介质穿过多孔的混凝土进入到钢筋表面时，钝化膜遭到破坏而失去对钢筋的保护，从而引起钢筋的腐蚀。

目前，外加电流阴极保护技术已被证明是最有效的方法之一。外加电流阴极保护技术是基于PH-电位图原理提出来的，认为通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的。辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分，起到了将阴极电流从外电路传递给混凝土的作用。传递电流的过程是由辅助阳极表面发生的电化学反应释放电子来完成的，这要求辅助阳极必须具备极化小、排流大、难消耗和长期工作性能稳定等的特点。迄今为止，科研学者研究和开发了各种各样的辅助阳极，如硅铁阳极，喷涂金属层阳极、埋入型阳极和混合金属氧化物钛阳极等。其中目前效果最为理想应用最为广泛的是混合金属氧化物钛阳极，但其昂贵的价格大大限制了其推广和应用。

有鉴于此，现有技术亟待改进和发展。

作为结构加固领域最为常见的碳纤维增强复合材料（CFRP）因具有轻质高强、模量大、耐腐蚀性好等优点，已成为一种成熟的结构加固材料。实际上，CFRP除了人们熟知的力学性能外，由于其含有的主要成分之一－碳纤维具有良好的电化学特性，即良好的导电性及接近贵金属的电极电位，CFRP同样具有良好的电化学特性，因此，CFRP的电化学特性形成一种新型的辅助阳极可应用到钢筋混凝土结构的外加电流阴极保护方法。 

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法及装置，旨在解决现有技术中在进行钢筋混凝土结构进行外加电流阴极保护时因为辅助阳极价格昂贵而导致应用上受限的不足，提供一种新型的辅助阳极材料，在达到保护混凝土结构的理想效果的同时，降低了成本。

本发明的技术方案如下：

采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法，其中，包括以下步骤：

A、除去保护区域内疏松的混凝土，并在混凝土中出现裂缝的区域内填入具有导电功能的粘结材料；

B、在混凝土中植入外加电流辅助阳极材料的CFRP片材，并将该CFRP片材与混凝土中钢筋间隔设置；

C、将粘结材料覆盖在与钢筋相对应一侧的所述CFRP片材表面上，并用力加压粘结材料，使其与CFRP片材以及混凝土粘结在一起；

D、将CFRP片材与一直流电源的正极连接，所述钢筋与所述直流电源的负极连接；所述钢筋和所述粘结材料通过所述混凝土电相连，并与所述CFRP片材和所述直流电源形成一闭合回路;

E、在所述回路中串联一用于对钢筋混凝土结构外加电流阴极保护装置中的电流大小进行控制的控制装置和一用于对所述钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置。

所述采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护的方法，其中，所述步骤E还包括：将需要进行保护的钢筋之间进行电连接，并测试钢筋之间的电连接性。

所述采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法，其中，所述粘结材料为水泥净浆或添加了导电颗粒的环氧树脂胶。

采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置，其中，该装置包括：

用于安装在混凝土内的钢筋；

用于安装在混凝土内并作为电流辅助阳极材料的CFRP片材；

以及一为所述装置进行供电的直流电源；

所述CFRP片材通过混凝土与所述钢筋间隔设置；

CFRP片材与所述直流电源的正极连接，所述钢筋与所述直流电源的负极连接；并在所述CFRP片材上与所述钢筋相对应的一侧设置有具有导电功能的粘结材料；所述钢筋和所述CFRP片材通过所述混凝土和所述粘结材料相连，并与所述直流电源形成一闭合回路；

所述装置还包括一与所述直流电源相连接的对所述装置中的电流大小进行控制的控制系统；

所述装置还包括一与所述钢筋和混凝土相连对所述钢筋的腐蚀状况进行检测的检测装置。

所述采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置，其中，所述混凝土内的钢筋数量至少为1个，当钢筋数大于1时，钢筋之间进行电连接，并检测钢筋之间的电连接性。

所述采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置，其中，所述粘结材料为水泥净浆或添加了导电颗粒的环氧树脂胶。

有益效果：本发明提供了一种采用CFRP为辅助阳极的钢筋混凝土结构外加电流阴极保护方法及装置，所述装置采用CFRP片材作为辅助阳极，不仅可以取得理想的保护效果，而且与现有技术中使用混合金属氧化物钛相比可以大大降低保护成本，本装置采用粘结材料将装置的整个结构固定起来，具有覆盖面积大和电流分布均匀等优点。  

附图说明

图1为本发明的采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法最佳实施例步骤流程图。

图2为本发明的采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置的结构示意图。

图3为本发明的采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置的横截面结构示意图。 

具体实施方式

本发明提供一种钢筋混凝土结构外加电流阴极保护的方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所述，本发明提供了采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

H1、除去保护区域内疏松的混凝土，并在混凝土中出现裂缝的区域内填入具有导电功能的粘结材料。

为了确保最后安装完成的回路能够很好的进行阴极保护电流的传递，因此在安装之前，需要先除去保护区域内疏松的混凝土，将混凝土出现裂缝的区域填入可以导电的粘结材料，使之成为连续的电解质，这样不仅保证了回路电流的顺利流通，并且粘结材料本身具有很强的硬度，可以很好的增加所述电流保护装置的稳固性。

H2、在混凝土中植入外加电流辅助阳极材料的CFRP片材，并将该CFRP片材与混凝土中钢筋间隔设置。

研究发现目前广泛用于结构加固领域的碳纤维增强复合材料（CFRP）不仅具备良好的力学性能，而且作为主要成分的碳纤维导电性良好，电极电位接近贵金属的电化学特性，并且所述CFRP片材具有导电作用，用于传递对该混凝土结构进行保护的阴极电流，CFRP材料还具有耐腐蚀优点，对于在其表面产生的电化学反应产物具有良好的抵抗力。

此外，CFRP为辅助阳极指的是利用CFRP电化学特性为基础开发的辅助阳极，包括诸如通过混杂不同纤维或基体材料生产的复合材料等，例如混杂了碳纤维和玻璃纤维等的纤维增强复合材料。由于CFRP型式灵活，有布材也有板材，其可以呈现不同的截面形式，可适用于结构的不同形状、不同部位，为了保证作为电流辅助阳极材料的CFRP材料能均匀的传递阴极保护电流，可以想到的是，在具体实施例中可以使用CFRP板材和CFRP布，本最佳实施选择使用CFRP板材，并且CFRP材料作为辅助阳极通常是平铺在需要保护的结构区域中，其覆盖面积大，对于保护电流的均匀分布有积极的作用。

在本步骤中将粘结材料覆盖在CFRP片材与所述钢筋相对应一侧的表面上，便于通过混凝土将钢筋上的阴极电流传递到CFRP片材上。

H3、将粘结材料覆盖在与钢筋相对应一侧的所述CFRP片材表面上，并用力加压粘结材料，使其与CFRP片材以及混凝土粘结在一起；

为了避免因为粘结材料与CFRP片材表面接触不好，导致阴极电流不能更好的顺利的或者均匀的传递，因此需要将粘结材料进行加压使其厚度均匀。

H4、将钢筋和CFRP片材分别与直流电源的负极和正极相连，所述钢筋、混凝土、CFRP片材及直流电源组成闭合的串联回路。

将钢筋与直流电源的负极相连接，CFRP片材与直流电源的正极相连接。因为钢筋与CFRP片材通过导电的粘结材料相连，因此所述钢筋、混凝土、CFRP片材及直流电源组成闭合的串联回路。

在具体应用中，所述粘结材料需要满足具有导电性能和本身强度高的特性，能将CFRP稳固地固定在混凝土表面，例如以水泥净浆为代表的无机胶凝材料或添加了石墨粉末等导电颗粒的环氧树脂胶。优选的，在本发明中使用水泥净浆作为粘结材料，其与CFRP片材表面相黏连，不仅自身具有很高的强度，其将CFRP片材与混凝土粘结在一起，可以提高整个混凝土结构的稳定性。

经过研究，得出所述粘结材料的厚度最佳为3mm左右。

所述混凝土为连续的电解质，如果出现裂缝则应该及时使用水泥净浆水泥净浆进行填补，从而确保钢筋—混凝土—水泥净浆—CFRP片材组成的完整的回路能很好的传递阴极保护电流。

H5：在所述串联回路中串联一用于对钢筋混凝土结构外加电流阴极保护装置中的电流大小进行控制的控制装置和一对所述钢筋的性能进行检测的检测装置。

所述检测装置将测试的钢筋的腐蚀状况反馈回控制系统，决定是否需要调节钢筋混凝土结构外加电流阴极保护装置中的电流大小。

本发明提供的外加电流阴极保护的方法，因为采用CFRP材料作为辅助阳极，借鉴CFRP加固结构的施工工艺，用粘结材料将CFRP材料粘结于混凝土表面，无需大型设备，具有安装简便的好处。

上述步骤H5中还包括：将需要进行保护的钢筋之间进行电连接，并测试钢筋之间的电连接性。

另外，如图2所示，本发明还提供了采用CFRP为辅助阳极的钢筋混凝土结构外加电流阴极保护装置，如图2所述为本发明的采用CFRP阳极的钢筋混凝土结构阴极保护装置的结构示意图，本装置由以下部分组成：

所述装置预进行保护的钢筋4、含有所述钢筋的混凝土3、用于作为电流辅助阳极材料的CFRP片材1、一为所述装置进行供电的直流电源5；所述CFRP片材1和所述混凝土3之间设置有用于将两者连接在一起的粘结材料2。

钢筋4埋入在混凝土3中，本发明提供的装置用于对其进行保护。在混凝土中上部设置有一CFRP片材1，所述CFRP片材1表面黏贴有粘结材料2，所述粘结材料2本身具有足够的强度，并且其将CFRP片材1和混凝土3相连，可以加强所述装置整体结构的强度。

所述钢筋4和所述CFRP片材1分别与一直流电源5的负极和正极相连，该直流电源5提供所述保护装置所需的电流。

由于所述钢筋与所述CFRP片材1通过所述粘结材料2和混凝土3连接，钢筋4和所述CFRP片材1与所述直流电源5相连接，因此最后所述钢筋4、所述混凝土3、所述粘结材料2和所述CFRP片材1和所述直流电源5形成一闭合串联回路形成一个完整的闭合串联回路。

在上述钢筋4、所述混凝土3、所述粘结材料2和所述CFRP片材1和所述直流电源5形成的闭合串联回路中增加一个与所述直流电源相连接的对所述装置中的电流大小进行控制的控制系统6，该控制系统6可以根据钢筋保护的具体需要合理的调节保护电流的大小，从而更好的对整个装置进行调控。

为了更好的对钢筋的性能进行检测，在钢筋与混凝土之间增设一个检测装置8，该检测装置8和控制系统6相结合可以方便的获取混凝土结构的维护状况，便于根据该混凝土结构的现状对其进行合理的保护。

在本发明的上述具体实施例中所使用的粘结材料2为水泥净浆或添加了导电颗粒的环氧树脂胶。

可以想到的是，本发明针对的钢筋混凝土结构不仅限于如图2所示的矩形梁结构，还可用于各种有保护需要的钢筋混凝土结构形状，如混凝土圆形柱等。

本发明提供的一种钢筋混凝土结构外加电流阴极保护的装置，该装置包括预进行保护的钢筋、埋入所述钢筋的混凝土、用于作为电流辅助阳极材料的CFRP片材、一为所述装置进行供电的直流电源；所述CFRP片材和所述混凝土之间设置有用于将两者连接在一起的粘结材料；本装置由于采用CFRP片材作为保护装置的辅助阳极，可以在取得理想保护效果的同时大大降低了成本，且由于使用的粘结材料本身具有较好的强度，将其与CFRP片材和混凝土相连接，提高了所述保护结构装置的稳固。

如图3所示为本发明提供的一种钢筋混凝土结构外加电流阴极保护装置的横截面结构示意图，图中1为作为辅助阳极的CFRP片材，混凝土3与CFRP片材1通过粘结材料2相连接，检测装置8对埋入混凝土3中的钢筋4进行实时检测。因为在实际的应用中，一般需要保护的钢筋数量不止是一个，如图3中以需要保护的钢筋数为两个为例，在对钢筋进行保护时，需要将两个钢筋4之间进行电连接9，并检测钢筋之间的电连接性。

本发明提供的一种钢筋混凝土结构外加电流阴极保护的方法及装置，该装置通过使用价格比现有技术中使用的混合金属氧化物钛低廉的CFRP材料作为辅助阳极，并且使用具有导电性并且本身硬度较大的粘结材料连接钢筋和CFRP片材，从而可以在获取理想的保护效果的同时，降低了保护成本和增强了保护装置的稳固性。所述安装方法因为使用的粘结材料直接粘结在混凝土和CFRP片材的表面，不需要大型设备，安装简便，易于实施。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。