具陰極防護功能的cfrp-鋼筋混凝土組合結構及方法

2023-04-23 18:27:56

專利名稱：具陰極防護功能的cfrp-鋼筋混凝土組合結構及方法
技術領域：
本發明涉及鋼筋混凝土的組合結構領域，尤其涉及具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構及方法。
背景技術：
近年來，FRP-混凝土組合結構越來越多地吸引了學者的關注。這是由於FRP-混凝土組合結構可以改善結構的受力情況、施工過程採用FRP作為模板無需額外模板及相應的拆模工序和良好的耐久性。該組合結構良好的耐久性主要是由於採用了耐久性能好的FRP材料，以及FRP對其全包裹的構件具有阻止外部有害物質侵入的能力。上述的結構耐久性對材料要求、施工過程及工作環境是比較敏感的。當存在有施工不當，FRP材料自身的缺陷導致外部腐蝕介質的侵入以及結構內部含有足夠的有害物質等，結構的耐久性就不再具有組合結構的優勢了。而且當使用富含氯化物、硫酸鹽等有害物質的混凝土材料時，如典型的海砂混凝土，由於具備了加速鋼筋腐蝕的各個條件，結構內部的鋼筋發生腐蝕的時間大大提前，破壞結構的耐久性，進而需要對其提早的維修和保養。作為結構加固和組合結構領域比較常見的碳纖維增強複合材料(CFRP)因具有輕質高強、模量大、耐腐蝕性好等優點實際上，CFRP除了人們熟知的力學性能外，由於其含有的主要成分之一一碳纖維具有良好的電化學特性，即良好的導電性及接近貴金屬的電極電位，CFRP同樣具有良好的電化學特性。因此，可通過採用CFRP良好的力學和電化學特性形成一種耐久性優異的新型組合結構。

發明內容
鑑於上述組合結構耐久性的不足，本發明的目的在於提供具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組 合結構及方法，旨在解決現有的鋼筋混凝土結構內部富含腐蝕介質出現的鋼筋腐蝕的問題。本發明的技術方案如下:
一種具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構的加工方法，其中，包括步驟:
將鋼筋混凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，CFRP型材設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的混凝土中連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構的加工方法，其中，所述CFRP型材為混雜不同纖維或基體材料的複合材料。—種具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，其包括設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面的CFRP型材；
並且，鋼筋混凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的混凝土中連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，所述鋼筋混凝土裝置本體中設置有多根鋼筋，並且，多根鋼筋之間電性連接。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，所述外部電源為直流電源。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，所述鋼筋混凝土裝置本體為圓柱形或者矩形結構。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，所述鋼筋混凝土裝置本體為圓柱形結構，所述鋼筋設置有多根，並環繞設置在鋼筋混凝土裝置本體的四周，相鄰鋼筋之間電性連接。所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其中，所述CFRP型材為CFRP 管。有益效果:本發明由於對CFRP-鋼筋混凝土組合結構施加了陰極防護，通過CFRP材料對混凝土內鋼筋施加微小的電流來實現結構陰極防護的目的，從而主動幹預了富含有害物質混凝土內的鋼筋腐蝕，並且，本發明利用CFRP材料的結構加固和陰極防護的雙重功能，將其應用於鋼筋混凝土裝置當中，即使在混凝土材料內部富含腐蝕介質或外部環境惡劣的情況下，鋼筋也能得到足夠的保護，同時，本發明還將CFRP、混凝土與鋼筋直接澆築為一個整體，省去了陰極防護結構本體安裝的工序，提高了施工效率。


圖1為本發明具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構較佳實施例的結構示意圖。
具體實施例方式本發明提供具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構及方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。請參閱圖1，圖1為本發明具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構較佳實施例的結構示意圖，如圖所示，其包括兩大結構本體:鋼筋混凝土裝置本體和陰極保護結構本體。在所述鋼筋混凝土裝置本體中，其包括混凝土 3、鋼筋2、CFRP管1，鋼筋2埋置在混凝土 3內部，CFRP管I設置鋼筋混凝土裝置本體表面，並且通過混凝土 3與鋼筋2之間相互電性連接，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋2與CFRP管I之間連接用於對鋼筋2施加電流的外部電源5。在本發明中，鋼筋混凝土裝置本體與CFRP管I整體澆築，這樣，陰極保護結構本體可方便地安裝在組合結構本體上。CFRP管I為混雜不同纖維或基體材料的複合材料等，例如混雜了碳纖維和玻璃纖維等的纖維增強複合材料。 CFRP管可按組合結構理論計算得到。
在上述鋼筋2、所述混凝土 3、和所述CFRP管I和所述外部電源5形成一閉合串聯的迴路(通過導線7連接)，在所述迴路中增加一個與所述外部電源5相連接的對電流大小進行控制的控制裝置6，該控制裝置6可以根據鋼筋保護的具體需要合理的調節保護電流的大小，從而更好的對整個裝置進行調控。為了更好的對鋼筋的性能進行檢測，可在混凝土 3增設一個檢測裝置8，該檢測裝置8和控制裝置6相結合可以方便的獲取混凝土結構的維護狀況，便於根據該混凝土結構的現狀對其進行合理的保護。所述CFRP型材為混雜不同纖維或基體材料的複合材料等，例如混雜了碳纖維和玻璃纖維等的纖維增強複合材料。CFRP管可按組合結構理論計算得到。本實施例充分利用了 CFRP材料的力學性能和電化學特性，使得CFRP材料在本發明的結構體系中充當了組合結構材料和輔助陽極的雙重角色，這樣將組合結構和陰極防護兩種功能有效地整合在一個體系中，即使在富含腐蝕介質的混凝土，也能使鋼筋得到保護。鋼筋2—混凝土 3 — CFRP管I形成完整的電通路能夠順利地傳遞陰極保護電流，本發明中在陰極保護結構本體中施加微小的電流，來實現陰極防護，通過向鋼筋施加陰極電流而使鋼筋電位落在免蝕區，進而達到 保護鋼筋的目的，所以，所述的外部電源為可提供保護電流或電壓的直流電源。本發明中的鋼筋混凝土裝置本體可以是圓柱形結構或作矩形梁結構，例如圖1所示的圓柱形結構，在圖1所示的實施例中，多根鋼筋2環繞設置在混凝土 3的周圍，並且相鄰的鋼筋2之間電連接，將電連接的鋼筋2、混凝土 3、CFRP管I整體澆築，就可以省去陰極保護結構本體的安裝工序，直接將陰極防護結構本體的外部電源連接上鋼筋混凝土裝置本體上即可，例如將任意一根鋼筋2連接上外部電源5的負極，將CFRP管I連接外部電源5的正極，即可形成所述的陰極保護結構本體。在本發明中，應分別考慮體系的力學性能和陰極防護效果，各自的設計原理和計算方法可參照有關文獻或規範。所述的CFRP管I起到了組合結構材料和輔助陽極的作用，其在長期荷載、環境因素和保護電流共同作用下須具有可靠的力學性能、電化學特性和耐久性等性能，以便同時發揮組合結構和陰極防護的功能。進一步，所述混凝土內的鋼筋數量至少為I個，當鋼筋數大於I時，鋼筋之間進行電連接(如圖所示，通過導線4連接)，並檢測鋼筋之間的電連接性。本發明中，碳纖維增強複合材料(CFRP)因具有輕質高強、模量大、耐腐蝕性好等優點實際上，CFRP除了人們熟知的力學性能外，由於其含有的主要成分之一一碳纖維具有良好的電化學特性，即良好的導電性及接近貴金屬的電極電位，CFRP同樣具有良好的電化學特性。因此，本發明利用CFRP的電化學特性形成一種新型的輔助陽極應用到鋼筋混凝土結構的外加電流陰極保護領域中。進一步地，可利用CFRP的力學性能和電化學特性，形成一種同時具有鋼筋保護和陰極防護的新型組合結構體系。這意味著作為結構的組成材料之一的CFRP不僅僅發揮了其在組合結構中的優勢，同時將起到外加電流陰極防護系統中的輔助陽極。本發明可以在一個體系中同時實現對結構的結構加固和陰極防護的功能，由於在整個系統中採用了含有CFRP的輔助陽極，省去了陰極保防護系統中的控制系統和檢測系統，顯著提高了 CFRP-鋼筋混凝土組合結構的性價比。本發明還提供一種具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構的加工方法，其包括步驟:將鋼筋混凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，CFRP型材設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的鋼筋和混凝土之間連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。進一步，所述CFRP型材為混雜不同纖維或基體材料的複合材料。綜上所述，本發明提供的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構及方法，通過CFRP材料對混凝土內鋼筋施加微小的電流來實現結構陰極防護的目的，從而主動幹預了富含有害物質混凝 土內的鋼筋腐蝕，並且，本發明利用CFRP材料的結構加固和陰極防護的雙重功能，將其應用於鋼筋混凝土裝置當中，即使在混凝土材料內部富含腐蝕介質或外部環境惡劣的情況下，鋼筋也能得到足夠的保護，同時，本發明還將CFRP、混凝土與鋼筋直接澆築為一個整體，省去了陰極保護結構本體安裝的工序，提高了施工效率。應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構的加工方法，其特徵在於，包括步驟: 將鋼筋混凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，CFRP型材設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的混凝土中連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。
2.根據權利要求1所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構的加工方法，其特徵在於，所述CFRP型材為混雜不同纖維或基體材料的複合材料。
3.一種具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，其包括設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面的CFRP型材； 並且，鋼筋混 凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的混凝土中連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。
4.根據權利要求3所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，所述鋼筋混凝土裝置本體中設置有多根鋼筋，並且，多根鋼筋之間電性連接。
5.根據權利要求3所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，所述外部電源為直流電源。
6.根據權利要求3所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，所述鋼筋混凝土裝置本體為圓柱形或者矩形結構。
7.根據權利要求6所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，所述鋼筋混凝土裝置本體為圓柱形結構，所述鋼筋設置有多根，並環繞設置在鋼筋混凝土裝置本體的四周，相鄰鋼筋之間電性連接。
8.根據權利要求6所述的具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構，其特徵在於，所述CFRP型材為CFRP管。
全文摘要
本發明公開具陰極防護功能的CFRP-鋼筋混凝土組合結構及方法，其中，所述方法包括步驟將鋼筋混凝土裝置本體與CFRP型材整體澆築，CFRP型材設置在鋼筋混凝土裝置本體的加固區域表面，在鋼筋混凝土裝置本體的至少一根鋼筋與CFRP型材之間連接用於對鋼筋施加電流的外部電源，使鋼筋、外部電源、CFRP型材形成迴路，在所述迴路中串聯一用於對電流大小進行控制的控制裝置，在鋼筋混凝土結構本體的混凝土中連接一用於對鋼筋的腐蝕狀況進行檢測的檢測裝置。
文檔編號C23F13/06GK103215601SQ20131013125
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者朱繼華, 邢鋒, 韓寧旭, 劉偉, 隋莉莉, 朱淼長 申請人:深圳大學