用于钢筋混凝土结构修复的复合型牺牲阳极

摘要

一种用于钢筋混凝土结构修复的复合型牺牲阳极，包括锌合金牺牲阳极、高导电水泥胶体和连接装置。锌合金牺牲阳极包覆在圆柱体或是长方体高导电水泥胶体内，在牺牲阳极的一端或者两端有连接装置引出高导电水泥胶体外。该锌合金牺牲阳极的配方为Al：0.3-1.2%；Mg：0.1-0.5%；Si：0.5-0.9%；Sn：0.15-0.65%；余量为Zn。高导电水泥胶体包括硅酸盐水泥、细骨料、焦炭屑、石墨、硝酸锂、膨润土、聚丙烯纤维。此牺牲阳极安装简单、易于施工，价格低廉，寿命长，适用于海洋环境下全浸区、潮差区、浪溅区、大气区以及其他氯环境下的桥梁、码头、隧道、地下停车场等钢筋混凝土结构的修复。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钢筋混凝土结构修复的复合型牺牲阳极，属于腐蚀与防护领域。 

背景技术

至今，国外对钢筋混凝土结构实施阴极保护已有30多年的历史，经过多年的开发研究和应用实践，在钢筋混凝土阴极参数和保护标准、阴极保护材料和仪器设备、阴极保护系统的监测和运行维护方面都取得了很大的发展。近年来，有对阴极保护在预应力钢筋混凝土结构的应用，以及阴极保护对延长和保持新的钢筋混凝土结构耐久性的作用方面进行了大量的研究工作并且制定了有关的标准和规范，为钢筋混凝土有效实施阴极保护提供了技术依据。 

钢筋混凝土的阴极保护技术又分为两种技术，即外加电流阴极保护技术和牺牲阳极保护技术。外加电流阴极保护系统在欧美等国已得到广泛的应用，并且已制定了相关的标准规范，如EN 12696:2000 Cathodic protection of steel in concrete和NACE RP0290-2000 Impressed Current Cathodic Protection of Reinforcing Steel in Atmospherically Exposed Concrete Structures。近几年，国内杭州湾跨海大桥和青岛海湾大桥的通航孔桥墩已采用了外加电流阴极保护系统来进行混凝土钢筋的防腐措施。外加电流阴极保护系统施工工艺复杂，要求施工作业条件高，运行成本高，需要有专业技术人员进行维护。 

迄今，国外开发研制的钢筋混凝土牺牲阳极保护主要有电弧喷锌或喷铝-锌-铟合金、锌箔/导电黏结剂、锌网/水泥浆护套等。在国内，中国专利CN 2813639Y的特征在于通过水泥砂浆将牺牲阳极固定在钢筋混凝土潮差区和浪溅区的表面。使用铝锌铟合金牺牲阳极，砂浆由淡水、水泥和高吸水性树脂组成。中国专利CN 101109087A的特征在于通过导电砂浆填充料和复合材料护套将牺牲阳极固定在钢筋混凝土潮差区和浪溅区的表面。其牺牲阳极是敷设在砂浆和复合材料护套之间，使用的牺牲阳极为纯锌或是锌合金，导电砂浆填充料由水泥、石墨、膨润土、骨料等组成。以上两个专利的技术方案均适用于海洋环境潮差区和浪溅区钢筋混凝土结构的保护。中国专利CN 101244926A 的特征是牺牲阳极埋设在活性砂浆中，活性砂浆敷设在钢筋混凝土的表面，牺牲阳极采用纯锌或锌合金，活性砂浆由硅酸盐水泥、骨料、水、合成纤维和活性添加剂组成。此专利方案适用于盐污染的大气环境的钢筋混凝土结构的保护。 

外加电流阴极保护系统需要在预制钢筋骨架时，铺设辅助阳极、参比电极及监测装置，交叉施工严重，在倒灌混凝土时，又要防止辅助阳极和钢筋短路，可以说外加电流阴极保护系统施工工艺复杂，要求施工作业条件高，并且在混凝土浇筑完成后，一旦发现辅助阳极与钢筋短路，不可修复。由于系统组成复杂，需要有专业技术人员进行维护，经常会发生维护和管理不善而导致整套系统失效。采用此方法对混凝土进行修复时费事费力，可行性不强，主要是用在新建钢筋混凝土结构中。 

对于混凝土牺牲阳极阴极保护技术，国内专利都是针对钢筋混凝土结构某个区域（潮差区、浪溅区、大气区）的防腐保护方法，大多针对海洋环境条件，通用性有所欠缺，并且施工工艺较为繁琐，比如专利CN 101109087A需要先固定锌网，再固定护套，最后添加导电砂浆，在修复混凝土时，需要根据钢筋混凝土结构的具体形状加工复合材料护套，加工周期较长，护套的体积和重量给安装过程中也带来很大的不便；专利CN 101244926A介绍了大气环境中钢筋混凝土牺牲阳极保护装置和方法，其方法中需要铺设网格锌牺牲阳极，通过接线盒把牺牲阳极和钢筋连接起来，最后铺设导电砂浆，此方法施工工艺较为复杂，保护区域仅为大气区。专利CN 2813639Y对潮差区和浪溅区部位进行保护，要求砂浆浇灌固化后的最低构筑线要浸没低潮位线。但是海洋环境中低潮位线的位置又难以确定，影响因素很复杂。通常条件下，同一地区，在不同季节和不同地理条件下，低潮位相差很大。因此，不能有效的确定钢筋混凝土潮差区和浪溅区的保护面积和施工区域。以上专利所用牺牲阳极大多为纯锌或者是国标锌合金牺牲阳极，没有研发一种新型的牺牲阳极材料。 

发明内容

为满足钢筋混凝土结构修复的工况条件，克服目前牺牲阳极保护技术存在的缺点，本发明提供一种复合型牺牲阳极。 

本发明的技术方案是：一种用于钢筋混凝土结构修复的复合型牺牲阳极，其特征在于，包括高导电水泥胶体和包裹在其内的锌合金牺牲阳极，锌合金牺牲阳极的一端或两端通过导线或铁芯引出高导电水泥胶体，导线和铁芯用于焊接在要修复的混凝土的钢筋上。 

所述的锌合金牺牲阳极是在锌基体中添加合金元素，通过控制合金元素Al、Mg、Si、Sn元素的比例得到牺牲阳极，能够满足在高电阻率混凝土介质中使用。 

其锌合金牺牲阳极的配方为Al：0.3-1.2%；Mg：0.1-0.5%；Si：0.5-0.9%；Sn：0.15-0.65%；杂质含量：Fe≤0.005%；Cu≤0.005%；Pb≤0.01%；Cd≤0.003%；余量为Zn；用石墨坩埚在加热炉中将锌锭熔化，按配比往熔融的锌液中添加Al、Mg、Si、Sn，用石墨棒搅匀，除渣，出炉浇铸到预先放置好的导线或铁芯的模具中。 

所述的高导电水泥胶体包括硅酸盐水泥、细骨料、焦炭屑、石墨、硝酸锂、膨润土和聚丙烯纤维。 

所述的模具采用螺旋状凹槽模具，成型出螺旋状的锌合金牺牲阳极，其目的是增加锌合金牺牲阳极与高导电水泥胶体的接触面积，使锌合金牺牲阳极长期保持活性，发出电流，同时也便于吸收牺牲阳极所产生的腐蚀产物。 

所述的导线的外端焊接一铁鼻子，以方便与要修复的混凝土的钢筋焊接。 

所述的高导电水泥胶体共有两种形状，一种为圆柱体，另一种为长方体。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

（1）应用范围广，适用于海洋环境下全浸区、潮差区、浪溅区、大气区以及其它氯环境下的桥梁、码头、隧道、地下停车场等钢筋混凝土结构的修复。

（2）施工工艺简单，混凝土中的钢筋直接打磨后，把复合型牺牲阳极直接焊接在钢筋上即可，不影响混凝土的外观和混凝土的质量。 

（3）高导电水泥胶体可以充分吸收锌合金牺牲阳极产生的腐蚀产物，具有较高的保水性，并且不会影响混凝土的性能。 

（4）牺牲阳极系统最长设计使用寿命可达50年。 

（5）复合型牺牲阳极体价格低廉，一次投入，无需专业人士维护。 

（6）钢筋保护判据能够满足EN 12696:2000所规定的100mV电位衰减判据；对于海洋环境全浸区，断电电位在24小时衰减可以达到150mV以上；对于浪溅区和潮差区，断电电位在24小时衰减可以达到120mV以上；对于含氯环境的大气环境中，断电电位在24小时衰减可以达到100mV以上。 

（7）安装简单、易于施工，适用于海洋环境下全浸区、潮差区、浪溅区、大气区以及其他氯环境下的桥梁、码头、隧道、地下停车场等钢筋混凝土结构的修复。 

附图说明

图1是本发明的第一实施例（圆柱体）的立体结构（局部剖视）示意图； 

图2是本发明的第二实施例（长方体）的立体结构（局部剖视）示意图；

图3本发明的第一实施例应用在钢筋混凝土的结构示意图；

图4本发明的第二实施例应用在钢筋混凝土的结构示意图。

图中：1-高导电水泥胶体；2-锌合金牺牲阳极；3-热缩套；4-导线；5-铁鼻子；6-铁芯；7-钢筋；9-混凝土；A-圆柱体复合型牺牲阳极；B-长方体复合型牺牲阳极。 

具体实施方式

参见图1～图4，本发明用于钢筋混凝土结构修复的复合型牺牲阳极，包括高导电水泥胶体1和包裹在其内的锌合金牺牲阳极2，高性能锌合金牺牲阳极2的一端或两端通过导线4引出高导电水泥胶体1（如图1所示），或通过与锌合金牺牲阳极2的一端或两端焊接的铁芯6引出高导电水泥胶体1（如图2所示）。导线4和铁芯6用于焊接在要修复的混凝土的钢筋7上。导线4的外端还可焊接一铁鼻子5以方便与要修复的混凝土的钢筋7焊接。 

本发明的高导电水泥胶体1共有两种形状，一种为圆柱体（如图1所示），另一种为长方体（如图2所示）。 

所述的锌合金牺牲阳极2是在锌基体中添加合金元素，通过控制合金元素Al、Mg、Si、Sn元素的比例得到牺牲阳极，能够满足在高电阻率混凝土介质中使用。其锌合金牺牲阳极的配方为Al：0.3-1.2%；Mg：0.1-0.5%；Si：0.5-0.9%；Sn：0.15-0.65%；杂质含量：Fe≤0.005%；Cu≤0.005%；Pb≤0.01%；Cd≤0.003%；余量为Zn。用石墨坩埚在加热炉中将锌锭熔化，按配比往熔融的锌液中添加Al、Mg、Si、Sn，用石墨棒搅匀，除渣，出炉浇铸到预先放置好的铁芯的模具中。 

固熔锌合金牺牲阳极模具采用螺旋状模具，其目的是增加锌合金牺牲阳极2与高导电水泥胶体1的接触面积，使锌合金牺牲阳极2长期保持活性，发出电流，同时也便于吸收牺牲阳极所产生的腐蚀产物。 

高导电水泥胶体1主要由由硅酸盐水泥、细骨料、导电材料、合成纤维组成。导电材料有焦炭屑、石墨、硝酸锂、膨润土组成，合成纤维采用聚丙烯纤维。详细配方配比见表1。 

表1、高导电水泥胶体的配方 

在使用本发明对钢筋混凝土修复时，有两种安装方式：一种安装方式参见图3，在需要修复的钢筋混凝土结构上用电钻打出圆柱形的孔洞，大小以能放入本发明的圆柱体复合型牺牲阳极A为宜；然后在其孔洞旁边凿除一小块混凝土露出一小段钢筋7，清除此小段钢筋7表面的腐蚀产物，以便露出钢筋基体，与复合型牺牲阳极的铁鼻子5进行焊接；把导线4和复合型牺牲阳极A用水泥封好。

另一种安装方式如图4所示，钢筋混凝土结构腐蚀较为严重，已经裸露出部分钢筋7，裸露的钢筋7经打磨后焊接上长方形复合型牺牲阳极B，牺牲阳极两端的铁芯6都与钢筋7焊接，然后根据修复混凝土的施工要求，填充混凝土，完成施工。 

下面是本发明的几个具体实施例。 

实施例1： 

针对海洋环境全浸区的钢筋混凝土修复采用本发明的复合型牺牲阳极，锌合金牺牲阳极2的配方为Al：0.35%，Mg：0.3%，Si：0.85%，Sn：0.28%，杂质含量：Fe≤0.005%，Cu≤0.005%，Pb≤0.01%，Cd≤0.003%，余量为Zn。用石墨坩埚在加热炉中将锌锭熔化，按配比往熔融的锌液中添加Al、Mg、Si、Sn，用石墨棒搅匀，除渣，出炉浇铸到预先放置好的铁芯6的螺旋状模具中。高导电水泥胶体1的配方为，硅酸盐水泥：砂子：石墨：膨润土：硝酸锂：聚丙烯纤维：水=1:0.95:0.1:0.15:0.06:0.006:0.5。将螺旋状牺牲阳极2放入长方形的填充体模具中，按照上述配方，将填充料（高导电水泥胶体1）装入模具中，固化后，即得图2所示的本发明复合型牺牲阳极B成品。

应用本发明时，将复合型牺牲阳极焊接在经打磨的钢筋7上，将钢筋7和复合型牺牲阳极B之间连接一个断电开关，以便断开回路，测量断电电位，并在钢筋周围同步埋设Ag/AgCl参比电极，测量钢筋7的电位，回填混凝土。表2为钢筋7在与复合型牺牲阳极断开后，24小时内衰减的电位值。结果表明钢筋7在断开复合型牺牲阳极B后，在24小时内钢筋7衰减电位达到164mV，满足EN 12696:2000的要求。 

表2 海洋环境全浸区钢筋24小时衰减的电位值 

时间（h）01246810电位(mV)-1026-1001-988-957-933-916-907时间（h）12141618202224电位(mV)-899-890-881-876-870-865-862

实施例2：

针对海洋环境潮差区的钢筋混凝土修复采用本发明的复合型牺牲阳极，锌合金牺牲阳极2的配方为Al：0.65%，Mg：0.48%，Si：0.55%，Sn：0.33%，杂质含量：Fe≤0.005%，Cu≤0.005%，Pb≤0.01%，Cd≤0.003%，余量为Zn。用石墨坩埚在加热炉中将锌锭熔化，按配比往熔融的锌液中添加Al、Mg、Si、Sn，用石墨棒搅匀，除渣，出炉浇铸到预先放置好的铁芯的螺旋状模具中。高导电水泥胶体1配方为，硅酸盐水泥：砂子：焦炭：膨润土：硝酸锂：聚丙烯纤维：水=1:0.85:0.15:0.18:0.10:0.005:0.85。将螺旋状牺牲阳极2放入长方形的填充体模具中，按照上述配方，将高导电水泥胶体1装入模具中，固化后，即得图2所示的本发明复合型牺牲阳极B产品。

将复合型牺牲阳极焊接在经打磨的钢筋上，将钢筋和牺牲阳极之间连接一个断电开关，以便断开回路，测量断电电位，并在钢筋周围同步埋设Ag/AgCl参比电极，测量钢筋的电位，回填混凝土。表2为钢筋在与复合型牺牲阳极断开后，24小时内衰减的电位值。结果表明钢筋在断开牺牲阳极后，在24小时内钢筋衰减电位达到127mV，满足EN 12696:2000的要求。 

表2 海洋环境全浸区钢筋24小时衰减的电位值 

时间（h）01246810电位(mV)-919-902-887-875-861-846-833时间（h）12141618202224电位(mV)-822-813-810-804-799-795-792

实施例3：

针对含氯环境的大气区的钢筋混凝土修复采用本发明的复合型牺牲阳极，高性能锌合金牺牲阳极的配方为Al：0.82%，Mg：0.4%，Si：0.5%，Sn：0.6%，杂质含量：Fe≤0.005%，Cu≤0.005%，Pb≤0.01%，Cd≤0.003%，余量为Zn。用石墨坩埚在加热炉中将锌锭熔化，按配比往熔融的锌液中添加Al、Mg、Si、Sn，用石墨棒搅匀，除渣，出炉浇铸到预先放置好的铁芯的螺旋状模具中。高导电水泥胶体配方为，硅酸盐水泥：砂子：石墨：膨润土：硝酸锂：聚丙烯纤维：水=1:0.65:0.14:0.2:0.010:0.008:0.65。将螺旋状牺牲阳极放入圆柱体的填充体模具中，按照上述配方，将填充料装入模具中，固化后，即得图1所示的复合型牺牲阳极A产品成品。

将复合型牺牲阳极的铁鼻子5焊接在经打磨的钢筋7上，将钢筋7和牺牲阳极2之间连接一个断电开关，以便断开回路，测量断电电位，并在钢筋周围同步埋设Ag/AgCl参比电极，测量钢筋的电位，回填混凝土。表2为钢筋在与复合型牺牲阳极断开后，24小时内衰减的电位值。结果表明钢筋在断开牺牲阳极后，在24小时内钢筋衰减电位达到115mV，满足EN 12696:2000的要求。本发明配方中的含量比例均为质量比。 

表2 氯环境大气区钢筋24小时衰减的电位值 

时间（h）01246810电位(mV)-626-615-605-594-583-571-560时间（h）12141618202224电位(mV)-551-543-537-529-522-515-511

在对钢筋混凝土结构进行局部修补时，将此复合型牺牲阳极体安装在修补的混凝土中，不但可以提供对旧混凝土中钢筋的保护，还可以消除老混凝土中钢筋与修补混凝土中的钢筋之间形成的环阳极腐蚀效应，大大延长混凝土结构维修后的使用寿命，此牺牲阳极安装简单、易于施工，价格低廉，寿命长，适用于海洋环境下全浸区、潮差区、浪溅区、大气区以及其他氯环境下的桥梁、码头、隧道、地下停车场等钢筋混凝土结构的修复。