基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法及系統的製作方法

2023-06-11 16:25:56

專利名稱：基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法及系統的製作方法
基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法及系統技術領域
本發明專利屬於海港工程混凝土結構修補加固領域，具體涉及一種針對海港工程環境中，混凝土構件遭受氯離子侵蝕導致的耐久性劣化、功能失效的修補加固。技術背景
上世紀80年代以來，我國大量已建海港工程構造物隨著時間的推移，大量氯離子侵入混凝土內部，加速鋼筋的鏽蝕，已出現材料劣化、結構功能降低的現象。為了保證我國既有海港工程構造物安全、正常地運營，對於已經出現材料劣化、功能降低的既有構造物， 必須採取合理的維修對策，恢復其良好的使用功能和保證其安全的使用狀態，並最大限度地延長其使用壽命。不久的將來，維修和改造將是我國重要基礎設施維護的重點方向。
氯離子導致的鋼筋鏽蝕的修複方案可以選用補丁修補法和電化學脫鹽修復法等方法。
補丁修補法是指用修補砂漿或混凝土修補構件中出現混凝土剝落、空鼓、裂縫的位置，這樣修補後，已修補區域和未修補區域往往存在腐蝕電位差，會加速未修補區域的腐蝕。採用補丁法修復後，結構的目標使用壽命往往比較短，少則3年，多則5年結構就會再次失效，急需開發一種能夠徹底清除混凝土中氯離子，使鋼筋重新恢復鈍化的混凝土結構修補加固系統方法。
目前，沒有「基於電化學脫鹽的混凝土結構修補加固系統」方面的專利， 關於電化學脫鹽技術有四個專利，分別是《一種鋼筋混凝土電化學除鹽循環裝置》 (ZL200620095539. O);《一種鋼筋混凝土電化學除鹽電解質溶液》(ZL200610018508)； 《混凝土電化學脫鹽監測裝置》(ZL200820202746. O);《一種混凝土電化學脫鹽系統》 (ZL200820206218. 2)。前3個專利分別提出了一種電化學除鹽的循環裝置的理念、電化學除鹽的電解質溶液和電化學脫鹽的監測裝置，均只涉及到電化學脫鹽方法的某個部分。《一種混凝土電化學脫鹽系統》(ZL200820206218. 2)專利中提及的電化學脫鹽方法主要針對電化學脫鹽過程，並沒有對電化學脫鹽前、電化學脫鹽後的修補加固過程進行規定，並不構成一種完整的修補加固方法。該專利中提出的兩層纖維加鈦網的陽極系統，因鈦網的價格較高，難於在大面積實際工程中應用。發明內容
本發明的目的在於彌補現有技術的不足，提供一種從混凝土構件的檢測、脫鹽及修復等各方面進行全方位修補加固海港工程混凝土修補加固系統的方法。
為了達到上述發明目的，本發明採用了以下技術方案一種基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固處理方法，其特徵在於包括以下步驟
(I)電化學脫鹽處理前對混凝土構件進行構件表面檢測評估、修補和處理對混凝土構件中存在的裂縫、保護層剝落、保護層厚度不足、鋼筋沒有電連接的部位進行修補，混4凝土保護層厚度不足IOmm的區域加厚至l(T20mm ；
(2)電化學脫鹽處理
待脫鹽混凝土區域劃分為若干個陽極區，以金屬陽極網作為陽極，每一陽極區設置一根獨立的陽極引線自金屬陽極網延伸至電源正極，將金屬陽極網覆蓋在混凝土構件表面，使金屬陽極網與混凝土表面具有3 5cm的間隔；
以混凝土構件中的鋼筋作為陰極，從每個陽極區的表層鋼筋引出陰極引線；
對待脫鹽混凝土區域的混凝土構件表面噴射浸泡氫氧化鈣溶液的木質纖維，再用土工布包裹，將陽極引線和陰極引線分別接至直流電源進行通電；
(3)電化學脫鹽處理後根據修補時構件的狀態和修補加固後使用壽命的要求採用碳纖維加固或塗層防腐進一步提高結構的安全性或耐久性。
進一步來說，每個陽極區的面積為12(Tl60m2，每一陽極區劃分為若干個陽極輔區，每個陽極輔區由一片金屬陽極網構成，面積為15 25m2，各個陽極輔區相互間保持絕緣、 電阻相當，並聯至所述陽極引線。
在步驟(2)電化學脫鹽處理中按鋼筋面積計算的電流密度為f2A/m2，通電時間為 6^8個星期，混凝土的通電量為1200A ·νπΓ 500Α -h/m2,以混凝土中的氯離子佔混凝土質量的百分比含量降低至O. 05%作為停止通電的判斷依據。
在電化學脫處理中通電結束後，檢測混凝土中的氯離子含量，並在脫鹽結束後疒3 個月檢測鋼筋的自腐蝕電位，根據脫鹽後混凝土中的氯離子濃度和鋼筋的自腐蝕電位評價電化學脫鹽的效果。
步驟(3)中對承載力不滿足設計要求的構件，使用碳纖維加固方法進行加固，提高結構和構件的安全性能；對承載力滿足設計要求的構件，使用環氧塗層封閉混凝土表面，提高構件的耐久性能。
所述金屬陽極網為鈦網或鐵網。
一種基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統，其特徵在於包括以下組成
電化學脫鹽處理前混凝土構件的表面修補處理結構，所述混凝土構件的表面修補處理結構包括加厚至l(T20mm的混凝土保護層；及
電化學脫鹽處理系統，所述電化學脫鹽處理系統包括
_劃分於待脫鹽混凝土區域的若干個陽極區，所述陽極區以金屬陽極網作為陽極， 每一陽極區設置一根獨立的陽極引線自金屬陽極網延伸至電源正極，將金屬陽極網覆蓋在混凝土構件表面，使金屬陽極網與混凝土構件表面具有3 5cm的間隔；
-陰極，所述陰極為混凝土構件中的鋼筋，從每個陽極區的表層鋼筋引出陰極引線.
-噴射於混凝土構件表面的浸泡氫氧化鈣溶液的木質纖維，噴射木質纖維後的混凝土構件以土工布包裹，所述陽極引線和陰極引線分別接至直流電源。
作為一種實施方式，所述電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統還包括在電化學脫鹽處理後設置於混凝土構件表面的碳纖維加固層。
作為另一種實施方式，所述電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統還包括電化學脫鹽處理後塗抹於混凝土構件表面的環氧材料封閉層。
在步驟(I)中本發明通過噴射混凝土、修補砂漿、立模澆注自密實混凝土等方法修補混凝土表面的保護層剝落空鼓部位，用開槽封閉法修補混凝土表面較小的裂縫，用化學灌漿法修補混凝土表面寬度較大的裂縫。
本發明通過對混凝土構件中鋼筋保護層厚度、鋼筋的自腐蝕電位、混凝土構件中氯離子濃度等的檢測評估，確定電化學脫鹽的參數選取及電化學脫鹽系統安裝問題，利用帶電離子在外加直流電場作用下的定向遷移，將氯離子排至混凝土外部，可以在較短的時間內排除混凝土中的氯鹽。該技術最大優點是可以在較少清除或不清除鋼筋周圍混凝土層的條件下進行，可以較徹底地清除侵入混凝土中的氯離子，從根源上保護混凝土中的鋼筋； 同時可以提高鋼筋周圍的鹼性，中止鋼筋的腐蝕過程。脫鹽後根據構件的檢測評估結果，實施環氧塗層防腐提高結構的耐久性，必要時採用碳纖維加固技術恢復結構的承載力。本發明的修補加固系統方法可以有效延長結構壽命15年以上。


圖I是本發明採用電化學脫鹽操作中，梁的剖面圖。
圖2是本發明採用電化學脫鹽操作中，梁的正視圖。
圖3是本發明採用電化學脫鹽操作中，陽極區布置的平面示意圖。
其中，木塊墊條I膨脹螺栓2陽極網3木質纖維4鋼筋5陰極引線6陽極引線 7直流電源8陽極輔區絕緣條9具體實施方式
本發明採用以下步驟實現海港工程混凝土結構的修補加固，該加固方法主要包括以下三個步驟
修補加固步驟一對混凝土構件表面進行檢測、修補和處理。
( I)電化學脫鹽系統安裝前，採用噴砂法或噴射高壓水方法清除混凝土表面的油脂、塗層等，保證混凝土的導電性。
(2)檢查所有構件表面的裂縫、已進行修補區域、空鼓區域等，標出混凝土保護層厚度不足IOmm的位置，檢測混凝土中氯離子濃度、混凝土中鋼筋的半電池電位。修補已剝落的混凝土，清除空鼓的保護層，對寬度為O. 2^0. 3mm的裂縫，鑿出深度不小於30_，寬度不小於20mm的U形凹槽,並用修補砂眾修補。對寬度大於O. 3mm的裂縫,應按每30(Tl000mm 設置一個灌漿嘴進行裂縫修補。混凝土保護層厚度不足IOmm的區域，應加厚保護層至 10 20mmo
(3)檢測混凝土構件表面所有可能與陽極直接接觸或經過溶液接觸的外露金屬物，應儘量切除至混凝土表面以內10_，並用水泥砂漿重新封閉。無法切除的部件，用環氧樹脂或其它密封絕緣材料進行封閉。
修補加固步驟二 電化學脫鹽處理。
(4)待處理混凝土構件進行陽極區的劃分每個陽極區的面積例如12(Tl60m2，每個陽極區具有一根獨立的陽極引線引至電源的正極。電化學脫鹽前檢測每個陽極區內混凝土構件中表層鋼筋的電連接情況，可以通過混凝土剝落位置、空鼓位置或者鑽孔引出鋼筋接頭，用高阻抗電壓表檢測任何兩點的壓差不超過I. OmV，或者任何兩點之間的電阻小於5 Ω即認為兩點之間電連接。如果陽極區內的鋼筋沒有電連接，應在混凝土接頭部位增加電連接。
將每個陽極區分成若干個陽極輔區組成，每個陽極輔區由一片獨立的金屬陽極網構成，其面積一般為15 25m2，一個陽極區內的各個陽極輔區設置絕緣條以保持相互絕緣， 各陽極輔區電阻相當，並聯連接至陽極電纜引線。不同陽極區或不同陽極輔區之間的間隔應為5 10cm。
電化學脫鹽系統所用的陽極其作用是將電流平均分散到混凝土表面，其中，所述的輔陽極區為獨立的導電金屬網，比如鐵網或鈦金屬陽極網等。絕緣條採用橡膠條。檢測混凝土中初始氯離子含量和脫鹽前鋼筋的自腐蝕電位。
(5)電化學脫鹽系統所用的陰極，一般為混凝土中的鋼筋。按照每50m2 (混凝土面積)引出一根陰極引線，每個陽極區內的陰極引線不少於2根，並用砂漿或環氧樹脂等絕緣材料將陰極引出線部位封閉。
(6)陽極系統的安裝
陽極網的固定按照圖f 3所示，在梁或其它混凝土構件的側面、底面分別安裝不少於2根的斷面尺寸為3*3cm，長度與構件等長的木方，用塑料膨脹螺栓將其固定在混凝土表面。用尼龍扎帶將金屬陽極網綁紮在木方墊條上，並在陽極網上焊接陽極電纜引線引至直流電源處。
電解質溶液保持材料及電解質溶液一般用木質纖維作為電解質溶液保持材料。 電解質溶液可選用自來水、飽和氫氧化鈣溶液、鋰鹽氫氧化鈣溶液中的一種，優選飽和氫氧化鈣溶液。將飽和氫氧化鈣溶液和木質纖維保水材料攪拌後噴射至混凝土表面，噴射厚度大約為4飛_厚。氫氧化鈣溶液可以潤溼混凝土表面，同時作為氯離子向外遷移的載體，木質纖維可以保持混凝土表面始終處於溼潤狀態。
噴射完成後，為防止水分揮發，用土工布，如塑料布封閉脫鹽區域，將陽極引線和陰極引線分別接至直流電源進行通電。
(7)通電脫鹽將陽極引線和陰極引線分別引至直流電源的正負極，並在每一個陽極輔區內安裝電流計，記錄每個陽極輔區內的電流和直流電源的輸出電壓，如果每個陽極輔區內的電流差別過大，應檢查是否存在短路或斷路現象。
根據脫鹽前混凝土中的氯離子含量確定脫鹽電流密度、通電時間和通電量。調整直流電源的輸出電流，電流密度為f2A/m2 (按鋼筋面積計算)，通電時間為61個星期，通過混凝土的電流達到1200A · h/nTl500A · h/m2，或者混凝土中的氯離子含量降低至O. 05% (佔混凝土質量的百分比)停止通電。
直流電源的接入系統應具有斷路器或保險絲防止過載，直流電源的輸出電壓應控制在50V以下，鋼筋通過黑色導線連接電源的負極，陽極通過紅色導線連接電源的正極，安裝電流計檢測陽極區內的總電流和各個陽極輔區的電流。
(8)脫鹽效果檢測
通電結束後，鑽取芯樣測定脫鹽後混凝土中的氯離子濃度，檢測濃度應低於臨界氯離子濃度.並在脫鹽結束後2 3個月檢測鋼筋的自腐蝕電位，評價電化學脫鹽的效果。
修補加固步驟三脫鹽處理後的修補加固。
(9)電化學脫鹽後，對承載力不滿足設計要求的構件，使用碳纖維加固方法進行加7固，提高結構的安全性能。
(10)電化學脫鹽後，對承載力滿足設計要求的構件，使用環氧塗層封閉混凝土表面，提高構件的耐久性能。
權利要求
1.一種基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於包括以下步驟 (1)電化學脫鹽處理前對混凝土構件進行構件表面檢測評估、修補和處理對混凝土構件中存在的裂縫、保護層剝落、保護層厚度不足、鋼筋沒有電連接的部位進行修補，混凝土保護層厚度不足IOmm的區域加厚至l(T20mm ； (2)電化學脫鹽處理 待脫鹽混凝土區域劃分為若干個陽極區，以金屬陽極網作為陽極，每一陽極區設置一根獨立的陽極引線自金屬陽極網延伸至電源正極，將金屬陽極網覆蓋在混凝土構件表面，使金屬陽極網與混凝土表面具有3 5cm的間隔； 以混凝土構件中的鋼筋作為陰極，從每個陽極區的表層鋼筋引出陰極引線； 對待脫鹽混凝土區域的混凝土構件表面噴射浸泡氫氧化鈣溶液的木質纖維，再用土工布包裹，將陽極引線和陰極引線分別接至直流電源進行通電； (3)電化學脫鹽處理後根據修補時構件的狀態和修補加固後使用壽命的要求採用碳纖維加固或塗層防腐進一步提高結構的安全性或耐久性。
2.根據權利要求I所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於每個陽極區的面積為12(Tl60m2，每一陽極區劃分為若干個陽極輔區，每個陽極輔區由一片獨立的金屬陽極網構成，金屬陽極網的面積為15 25m2，各個陽極輔區相互間保持絕緣、電阻相當，並聯至所述陽極引線。
3.根據權利要求I所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於在步驟2電化學脫鹽處理中按鋼筋面積計算的電流密度為f2A/m2，通電時間為6^8個星期，混凝土的通電量為1200A ·νπΓ 500Α -h/m2,以混凝土中的氯離子佔混凝土質量的百分比含量降低至O. 05%作為停止通電的判斷依據。
4.根據權利要求3所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於所述通電結束後，檢測混凝土中的氯離子含量，並在脫鹽結束後2 3個月檢測鋼筋的自腐蝕電位，根據脫鹽後混凝土中的氯離子濃度和鋼筋的自腐蝕電位評價電化學脫鹽的效果。
5.根據權利要求I所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於步驟3中對承載力不滿足設計要求的構件，使用碳纖維加固方法進行加固，提高結構和構件的安全性能；對承載力滿足設計要求的構件，使用環氧塗層封閉混凝土表面，提高構件的耐久性能。
6.根據權利要求I所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固方法，其特徵在於所述金屬陽極網為鈦網或鐵網。
7.一種基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統，其特徵在於包括以下組成 電化學脫鹽處理前混凝土構件的表面修補處理結構，所述混凝土構件的表面修補處理結構包括加厚至1(Γ20_的混凝土保護層； 電化學脫鹽處理系統，所述電化學脫鹽處理系統包括 -劃分於待脫鹽混凝土區域的若干個陽極區，所述陽極區以金屬陽極網作為陽極，每一陽極區設置一根獨立的陽極引線自金屬陽極網延伸至電源正極，將金屬陽極網覆蓋在混凝土構件表面，使金屬陽極網與混凝土構件表面具有3 5cm的間隔； -陰極，所述陰極為混凝土構件中的鋼筋，從每個陽極區的表層鋼筋引出陰極引線； -噴射於混凝土構件表面的浸泡氫氧化鈣溶液的木質纖維，噴射木質纖維後的混凝土構件以土工布包裹，所述陽極引線和陰極引線分別接至直流電源。
8.根據權利要求7所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統，其特徵在於還包括在電化學脫鹽處理後設置於混凝土構件表面的碳纖維加固層。
9.根據權利要求7所述的基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固系統，其特徵在於還包括電化學脫鹽處理後塗抹於混凝土構件表面的環氧材料封閉層。
全文摘要
本發明公開了一種基於電化學脫鹽的海港工程混凝土結構修補加固處理方法，其包括以下步驟(1)對混凝土構件進行構件表面檢測評估、修補和處理；(2)電化學脫鹽處理；(3)根據修補時構件的狀態和修補加固後使用壽命的要求確定脫鹽處理後採用碳纖維加固或塗層防腐進一步提高結構的安全性或耐久性。本發明可以較徹底地清除侵入混凝土中的氯離子，從根源上保護混凝土中的鋼筋；同時可以提高鋼筋周圍的鹼性，中止鋼筋的腐蝕過程。脫鹽後根據構件的檢測評估結果，實施環氧塗層防腐提高結構的耐久性，必要時採用碳纖維加固技術恢復結構的承載力。本發明的修補加固系統方法可以有效延長結構壽命15年以上。
文檔編號E02B3/04GK102926349SQ20121044724
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者鄧春林, 熊建波, 王迎飛, 陳龍, 王勝年, 陳健, 檀會春, 董潔 申請人:中交四航工程研究院有限公司, 廣州四航材料科技有限公司, 中國港灣工程有限責任公司, 廣州四航巖土技術工程有限公司, 廣州港灣工程質量檢測有限公司