应用磷酸镁水泥和碳纤维布铺设电化学除盐外部阳极的方法

摘要

应用磷酸镁水泥和碳纤维布铺设电化学除盐外部阳极的方法属于钢筋混凝土结构电化学除盐技术领域。磷酸镁水泥是由镁砂、磷酸盐、缓凝剂、水、导电料按照一定比例配制而成；把待除盐的混凝土表面打磨平整，在其上面均匀涂抹磷酸镁水泥，厚度为2～3mm，并抹平；把碳纤维布贴于磷酸镁水泥表面，并用滚筒顺纤维方向滚压，挤出气泡，使其紧贴工作面；待磷酸镁水泥硬化后，在碳纤维布表面粘结铜导线并与外部直流电源的正极相连以备除盐试验用。本发明的制备电化学除盐外部阳极方法具有材料成本低廉、铺设简便快速、除盐效果好、应用范围广等优点，具有很好的推广应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于钢筋混凝土结构电化学除盐技术领域，具体涉及一种应用磷酸镁水泥和碳 纤维布铺设电化学除盐外部阳极的方法。目前电化学除盐普遍采用普通钢丝网、不锈钢网 或钛网等金属网作为阳极。本发明提出了采用碳纤维布替代金属网、磷酸镁水泥作为碳纤 维布—混凝土粘结剂的新方法。碳纤维布是一种导电性能良好的电极材料，使电化学除盐 不受构件形状尺寸限制，满足电化学除盐工程化的要求，但是目前粘结碳纤维布与混凝土 的粘结剂主要是环氧树脂胶，并不具备导电性能，而本发明提出了采用磷酸镁水泥替代环 氧树脂胶粘结碳纤维布的新方法，不但碳纤维布能够起到增强作用，而且磷酸镁水泥能够 克服环氧树脂粘结剂不导电的缺陷，其必将具有十分重要的应用前景和实际意义。

背景技术

钢筋混凝土结构是目前工程中最常见的结构形式，钢筋腐蚀被认为是混凝土结构劣化 的最主要动因，混凝土中內掺或外渗的氯离子引起的钢筋腐蚀，带来的混凝土结构使用寿 命缩短的后果十分严重。电化学除盐正是针对氯盐腐蚀，通过外加电源迁移出混凝土内部 的氯离子，使钢筋表面重新钝化的一种混凝土结构防腐修复技术。

现有技术通常是用普通钢丝网、不锈钢网或钛网等金属网作为阳极进行钢筋混凝土结 构电化学除盐。但是用这些金属网作为阳极时，存在化学稳定性差，除盐中容易锈穿而 影响除盐进程，价格昂贵，铺设困难等缺点，因此选用更合适的阳极材料，具有较高的研 究应用价值。

目前，没有“应用磷酸镁水泥和碳纤维布铺设电化学除盐外部阳极的方法”方面的专 利，关于电化学除盐技术的专利总共十个，分别为《一种钢筋混凝土电化学除盐电解质溶 液》(ZL200610018508)；《一种用于电化学脱盐的有机高分子膏体及制备方法》 (ZL201310345170.9)；《一种钢筋混凝土电化学除盐循环装置》(ZL200620095539.0)；《混凝 土电化学脱盐监测装置》(ZL200820202746.0)；《混凝土中钢筋电化学检测或修复用的预埋 式装置》(ZL201310260314.0)；《一种混凝土电化学脱盐系统》(ZL200820206218.2)；《基于 电化学脱盐的海港工程混凝土结构修补加固方法及系统》(ZL201210447243.0)；《基于用BE 阻锈剂电渗盐污染构筑物的修复方法及装置》(ZL201010137745.4)；《一种腐蚀混凝土结 构的双向电渗修复方法》(ZL201210127351)；《一种两步法修复盐害混凝土结构的装置与方 法》(ZL201210128147)。前5个专利分别提出了一种电化学除盐的电解质溶液、电化学脱 盐的有机高分子膏体及制备方法、电解质溶液可以循环流动作用于混凝土的电化学除盐循 环装置、监测总通电量和电流分布情况的电化学脱盐监测装置、电化学检测或修复用的预 埋式装置；第6个专利提出了一种混凝土电化学脱盐系统，该系统包括由两层木质纤维加 钛网构成的阳极部分；第7个专利提出了一种完整系统的前期检测修补、中期电化学除盐 处理、后期采用碳纤维加固或涂层防腐的修补加固处理方法；第8个专利提出了一种用BE 阻锈剂电渗盐污染构筑物的修复方法及装置，在排出氯离子的同时使钢筋附件富集BE电 渗阻锈剂有效基团，在钢筋表面形成保护膜；第9个专利提出了一种腐蚀混凝土结构的双 向电渗修复方法，在氯离子单向渗出的同时，阳离子阻锈剂还能渗入到混凝土内部；第10 个专利提出了一种两步法修复盐害混凝土结构的装置与方法，此装置有利于氯离子的充分 排出和阳离子阻锈剂的迁移，并且能实时监控pH。

上述10个专利中电化学除盐所使用的阳极为普通钢丝网、不锈钢网或钛网，普通钢 丝网容易锈穿，不能重复使用，而不锈钢网尤其是钛网的价格较贵，铺设较困难，难以大 面积应用于实际工程中；专利中所涉及到的碳纤维也只是用于构件除盐后的加固以提高其 承载力，并没有提到碳纤维直接替代普通钢丝网、不锈钢网或钛网用作除盐的外部阳极。

本发明提出了采用碳纤维布替代金属网、磷酸镁水泥作为碳纤维布—混凝土粘结剂的 新方法。碳纤维布是一种导电性能良好的电极材料，使电化学除盐不受构件形状尺寸限制， 满足电化学除盐工程化的要求。目前粘结碳纤维布与混凝土的粘结剂主要是环氧树脂胶， 但也只是作为FRP加固材料使用，并不具备导电性能。本发明不但能够起到纤维布增强作 用(FRP增强作用)，而且磷酸镁水泥能够克服环氧树脂胶不导电的缺陷，具有电化学除 盐、结构加固的双重功效。

本发明中的导电型磷酸镁水泥不仅粘结强度高，而且能够克服常用的环氧树脂粘结剂 不导电的缺陷，因为，磷酸镁水泥本身就具有导电性，而本发明在磷酸镁水泥中再掺加导 电料后，磷酸镁水泥的导电性显著提高，保证了电化学萃取氯离子的效率。试验中还发现， 在磷酸镁水泥中掺加粉煤灰提高了其抗氯离子渗透性，阻碍了氯离子向阳极迁移排出的过 程，降低了除盐的效果，因此在配制磷酸镁水泥时不得加入粉煤灰。

发明内容

本发明提出了一种以碳纤维布作为阳极替代普通钢丝网、不锈钢网或钛网等传统阳极 材料，以磷酸镁水泥作为粘结剂替代传统有机胶的新方法，碳纤维布与磷酸镁水泥复合在 一起，通过利用碳纤维布良好的导电性、碳原子不易得失电子的化学稳定性、磷酸镁水泥 相比环氧树脂胶更低的抗氯离子渗透性等特性来实现其充当除盐的外部阳极。

应用磷酸镁水泥和碳纤维布铺设电化学除盐外部阳极的方法，其特征在于：该阳极材 料由碳纤维布和粘结剂(导电型磷酸镁水泥)组成，磷酸镁水泥用于粘结待除盐的钢筋混 凝土表面及碳纤维布；

所述的磷酸镁水泥各组成及其质量分数为：30％～35％高温烧结镁砂、35％～40％磷酸 二氢钾、5％缓凝剂、5％～10％导电料以及15～20％水。其中高温烧结镁砂的煅烧温度要求 ≥1600℃，颗粒级配范围为30～120μm；缓凝剂为硼砂；导电料为导电碳粉，粒径≤0.1mm。

所述的碳纤维布为混凝土结构加固修复用单向碳纤维布，其抗拉强度≥2500MPa，每 米电阻在35-40Ω。

2.铺设该阳极材料的具体步骤为：

(1)钢筋混凝土结构基底表面处理：首先应剔除被除盐构件局部劣化的混凝土(如空 谷起壳、剥落和疏松等)，直至完全露出基体新面，对于钢筋严重锈蚀已出现膨胀裂缝的 区域，应采取局部挖除并用磷酸镁水泥将表面修复平整。然后将混凝土结构表面打磨去掉 松动颗粒，并除去浮尘；转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧曲率半径不应 小于20mm；

(2)制备导电型磷酸镁水泥：首先将磷酸二氢钾、缓凝剂、导电料按比例搅拌均匀， 再加入水进行搅拌；待搅拌均匀后再加入镁砂搅拌，最终得到导电型磷酸镁水泥；磷酸镁 水泥必须随配随用，放置时间超过8min时不得继续使用。

(3)外部阳极的铺设方法：把导电型磷酸镁水泥均匀涂抹在混凝土表面，厚度为2～ 3mm；按除盐构件的尺寸裁剪碳纤维布，把碳纤维布贴于磷酸镁水泥表面，并用滚筒顺纤 维方向滚压，挤出气泡，使其紧贴工作面；碳纤维布包裹层数为1层，碳纤维布顺纤维方 向的搭接长度应不小于100mm；粘贴完毕后，应养护1小时；待磷酸镁水泥硬化后，在碳 纤维布表面粘结铜导线并与外部直流电源的正极相连。

相对于传统的阳极材料如钛网等金属网及铺设方法，本发明具有如下优点和效果：

1)材料成本低廉：除盐常用的钛网价格为1000元/平方米左右，而碳纤维布的价格只 有50元/平方米左右，磷酸镁水泥粘结剂的成本只有10元/平方米左右，因此材料成本大 大降低；

2)铺设简便快速：由于磷酸镁水泥凝结硬化迅速，与碳纤维布的粘结强度高，铺设简 便快速，易操作，施工效率高，只需经过涂抹，无需再使用螺栓和铆钉固定，对原有结构 的扰动程度较低，施工方便快捷；

3)除盐效果好：此技术能高效地萃取出混凝土中的氯离子，除盐效果较好，能使钢筋 再碱化，最大程度地修复盐害混凝土结构，延长结构的使用寿命；

4)结构加固与除盐一体化：磷酸镁水泥粘结碳纤维布不但能够除盐，而且碳纤维布本 身也是一种结构加固修复材料，能提高结构承载力、延性、抗震性能，起到FRP增强作用， 具有电化学除盐、结构加固的双重功效。

5)应用范围广：碳纤维布具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳性能好等突出的优点，使 其在土木工程领域的应用越来越广泛。特别是碳纤维布可大面积整体成型、不增加结构自 重和尺寸等特点，使其能广泛适用于各种结构类型(如建筑物桥梁隧道等)、结构部位(如 梁、板、柱、桥墩、桥梁、筒体、壳体等)的除盐，尤其适用于复杂结构(如曲面、节点 等)的除盐，适用面广，适合于工程应用推广。

具体实施方式

一、所用的原材料

1.磷酸镁水泥的原材料组成及配合比：30％～35％烧结镁砂、35％～40％磷酸二氢钾、 5％缓凝剂、5％～10％导电料以及15～20％水。其中所用镁砂特征为：1600℃煅烧过的烧结 镁砂，其MgO含量为96.5％；磷酸二氢钾特征为：工业产品级别的磷酸二氢钾，纯度为 98％；缓凝剂特征为：工业产品级别的硼砂，纯度为99％；导电料特征为导电碳粉。

首先将磷酸二氢钾、缓凝剂、导电料按比例搅拌均匀，再加入水进行搅拌，待搅拌均 匀后再加入镁砂搅拌，最终得到磷酸镁水泥；

2.使用的碳纤维布为北京卡本有限公司研发的单向碳纤维布，其抗拉强度2600MPa， 每米电阻40Ω。

二.电化学除盐系统安装

1.阳极系统安装：

首先将磷酸镁水泥均匀涂抹在包含锈蚀钢筋的混凝土表面，厚度为2～3mm；按除盐 构件的尺寸选择合适尺寸的碳纤维布，把碳纤维布轻压贴于需要粘贴的位置，并用滚筒顺 纤维方向反复多次滚压，挤出气泡，使其紧贴工作面；碳纤维布包裹层数为1层，碳纤维 布顺纤维方向的搭接长度应不小于100mm；粘贴完毕后，应养护1小时，期间碳纤维布不 宜受潮、受震，也不得使荷载直接冲撞碳纤维布表面；待磷酸镁水泥硬化后，在碳纤维布 搭接处焊接上铜导线并用防水胶布粘贴固定，然后将铜导线与外部直流电源的正极相连。

2.电解质溶液润湿系统安装

在待除盐混凝土表面包裹两层土工布作为电解质溶液保持材料，配制饱和Ca(OH)₂溶液作为电解质溶液，使电解质溶液于土工布层循环通过，保持土工布在试验期间一直湿 润。

3.阴极连接

在钢筋混凝土构件上部凿除少许混凝土，使内部钢筋外露。选取主筋和箍筋连接点 处，用砂纸打磨或稀酸清洗钢筋表面，用电烙铁在该处焊接上铜导线，焊点处用环氧树脂 密封绝缘，将铜导线与外部直流电源的负极相连，混凝土凿除部位用磷酸镁水泥进行修补。

4.系统调试与运行

在整个系统接通电源之前，必须首先确保回路连接的正确性。电化学除盐的电流密 度通常为1～3A/m²(占钢筋面积比)，根据混凝土钢筋面积确定所需的电流值。为了防止 电路中出现短路、断路等故障，在电路接通前，应先将电流大小调至一较小值运行，确保 系统无故障后再将电流大小调至设计电流值。

5.系统拆除

电化学除盐结束后，首先应切断电源，将土工布层拆除，清洗混凝土和碳纤维布表 面，采用取芯法或钻孔取粉法取样后测定混凝土内剩余氯离子含量。

三、电化学除盐效果

具体实施例：

试验用的钢筋混凝土(砂浆)试件尺寸为300mm×300mm×120mm，其配合比采用水： 水泥：砂＝0.5:1:3，其中Cl^-由成型时直接拌合加入，氯化钠掺量为水泥质量的4％。钢筋采 用Φ8mm×320mm的光圆钢筋，用砂纸打磨除掉钢筋表面的铁锈，每个试件内埋设4根。 配制作为电解质溶液的饱和石灰水时采用蒸馏水、氢氧化钙。制备各试件所用磷酸镁水泥 的材料配比见表1。试件在标准条件((20±2)℃，相对湿度95％)下养护至28d龄期后， 将试件碳纤维布处和光圆钢筋处预埋的铜导线分别与直流稳压电源的正负极相连，按照二 所述步骤安装电化学除盐系统，试验期间电流密度维持在3A/m²，通电时间为28天。

为了保持电解液的pH不低于12和加快氯离子的电化学迁移，保证除盐效率，试验过 程中每隔两天更换一次电解液。除盐结束后，取出试件，分别取试件内层样和外层样，使 用氯离子浓度快速测定仪测定所取样品中Cl^-的浓度，按下式计算电化学除盐的效率(试验 结果如表2所示)：

除盐效率(％)＝(除盐前试件中Cl^-浓度—除盐后试件中Cl^-浓度)/除盐前试件中Cl^-浓度 ×100％

表1各试件所用磷酸镁水泥

表2除盐效率

各试件的除盐效率都在50％以上，并以采用第2种配比的磷酸镁水泥作粘结剂时除盐 效率最高。