一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統的製作方法
2023-07-11 10:16:31 2
專利名稱：一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及混凝土工程領域，特別是涉及一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統。
背景技術：
地下結構(如城市軌道交通隧道結構)設計壽命為100年，其所處巖土賦存條件復 雜，周邊環境敏感，列車運行密度極高，使用條件苛刻，結構自身在多因素長期作用下性能不斷劣化，一旦損壞不易或不可更換，並將會誘發地下工程災害。鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的主導因素，如王春福，王瑜玲，鋼筋混凝土氯離子腐蝕機理與防護措施[J]，商品混凝土，2010，3 56-58中所記載的，在眾多腐蝕因素中，氯鹽是引起大範圍鋼筋腐蝕破壞的最重要因素。如金偉良，趙羽習，混凝土結構耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學學報，2002,36 (4):371-403中所記載的，隧道結構中氯離子侵入混凝土腐蝕鋼筋的機理主要是I)破壞鈍化膜氯離子進入混凝土到達鋼筋表面，吸附於局部鈍化膜處，可使該處的PH值迅速降低，使鋼筋表面PH值降低到4以下，破壞了鋼筋表面的鈍化膜。2)形成腐蝕電池由於腐蝕使局部鋼筋表面鈍化膜發生破壞，這些部位露出了鐵基體，與尚完好的鈍化膜區域形成了電位差，鐵基體作為陽極受到腐蝕，大面積鈍化膜作為陰極。由於陽極面積小，蝕坑的發展會十分迅速。3)去極化作用氯離子起到了搬運陽極產物的作用，加速了陽極腐蝕過程。4)導電作用氯離子降低了陰陽極之間的電阻，提高了腐蝕電池的效率，加速了電化學腐蝕過程。由於鋼筋最終鏽蝕產物Fe2O3 3H20相對於鐵而言體積可以膨脹6. 4倍左右，使得周圍的混凝土產生了較強的拉應力，當混凝土中拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會沿鋼筋方向開裂，混凝土開裂後氯離子更易到達鋼筋表面，導致鋼筋進一步鏽蝕，如附圖1。控制氯離子在混凝土中的擴散對於防止鋼筋鏽蝕有著重要作用。擴散、毛細作用和滲透是氯離子的3種主要遷移方式，如餘紅髮，孫偉.混凝土氯離子擴散理論模型[J].東南大學學報，2006，36 68-76中記載的。擴散是由氯離子濃度梯度引起，毛細作用是指氯離子和水一起通過毛細孔向內部遷移，滲透作用是在壓力作用下氯離子和水一起進入混凝土內部。混凝土在使用過程中一旦內部產生微裂紋和缺陷等結構損傷劣化情況，必然加速氯離子的擴散。Saito 等和 Lim 等發現(Saito M, Ishimori H. Chloride permeabilityof concrete under static andrepeated compressive loading[J]. Cem andConcretes, 1995, 25(4):803-808,Lim CC, GowripalanN, Sirivivatnanon V. Microcrackingand chloride permeability of concrete under uniaxialcompression[J]. Cem andConcr Comp, 2000, 22(5) :353-360),當受壓荷載超過臨界應力時，混凝土的氯離子擴散速度明顯加快15%-30%，反覆抗壓疲勞荷載對混凝土氯離子擴散性能的影響隨著應力水平和疲勞循環次數的增加而提高；Gowripalan等發現混凝土在彎曲荷載作用下，受拉區混凝土氯離子擴散係數增加7%-10%，受拉裂縫處增加19%-22%。由此可見裂縫對於混凝土中氯離子擴散有著重要影響。目前，混凝土抗氯鹽侵蝕鋼筋主要包括以下幾種方法I)提高混凝土自身的防護能力在混凝土設計階段可以採用更加合理的配合比；摻加更加合適的礦物外加劑和化學外加劑；在施工階段嚴格控制施工質量。通過以上方法能提高混凝土的密實性，抵抗Cr侵蝕。2)增加混凝土保護層厚度在修補過的混凝土表面，再塗覆混凝土，減緩Cr侵蝕。3)增加混凝土外塗層在混凝土表面再塗覆耐蝕塗層，減緩Cr侵蝕。4)採用特種鋼筋、在鋼筋表面塗層、採取陰極保護及使用鋼筋除鏽劑在鋼筋上採 取各種手段以減小Cl—對鋼筋的侵蝕。總結起來，現有的抗氯鹽腐蝕方法用於隧道結構時存在如下缺點及不足I)提高混凝土的設計等級、提高混凝土及其鋼筋自身的防護能力等雖可解決一些問題，但實踐證明仍無法有效長期控制氯鹽擴散。2)採用防腐塗層時施工難度大，且塗層易脫落。3)後期無法阻止氯鹽的進一步擴散。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，用於解決現有技術中的問題。本發明對現有的混凝土抗氯鹽腐蝕方法進行改進，藉助微膠囊自修復裂縫的思想，建立智能的抗氯鹽腐蝕的地下結構凝土系統，提高地下結構的安全性和耐腐蝕性，延長地下結構的服役壽命。為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，包括混凝土基體，所述混凝土基體內設有化學微膠囊，所述化學微膠囊內包覆有修復劑，所述修復劑選自可與氯離子發生反應，並生成沉澱的溶液。所述混凝土基體承擔地下結構外部荷載,如土體荷載或列車荷載。所述化學微膠囊的微膠囊壁保護修復劑不受外界環境的影響。當裂縫擴展到微膠囊處時膠囊壁破裂，釋放內部修復劑，抵抗氯鹽腐蝕。所述修復劑的作用是與氯離子反應，減小混凝土內氯離子濃度；同時生成沉澱，填充混凝土內孔隙和裂縫，阻斷氯鹽腐蝕通道。優選地，所述修復劑選自可與氯離子發生反應，並生成沉澱的鹽的水溶液。優選地，所述修復劑選自AgNO3水溶液、AgF水溶液、Hg2 (N03) 2水溶液、Pb (NO3) 2水溶液或TiNO3水溶液，以及其他能在微膠囊破裂時流出，且和氯離子發生反應生成沉澱的鹽溶液等。優選的，所述修復劑選自飽和的AgNO3水溶液、AgF水溶液、Hg2 (N03) 2水溶液、Pb (NO3) 2水溶液或TiNO3水溶液。優選的，所述修復劑為AgNO3水溶液，配置濃度為219g/100mL，其與氯離子發生反應，生成AgCl沉澱,反應式如下AgNO, — Cl = A,(r( 'I i +NO,
優選的，所述混凝土基體內化學微膠囊的體積摻量為混凝土總體積的5%_15%。優選的，所述化學微膠囊為球形，所述化學微膠囊的直徑為5-1000微米。優選地，所述微膠囊壁材料選自動物明膠、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸樹脂、聚氨酯橡膠、聚脲、聚脲甲醛、合成蠟、乙酸丁酸纖維素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛樹脂類或玻璃等。優選的，所述微膠囊壁厚為0. 1-5微米。優選的，所述微膠囊壁材料為聚脲甲醛，壁厚為0.5微米，化學微膠囊的半徑為 200微米。優選的，所述化學微膠囊在混凝土基體內均勻分布。所述化學微膠囊將修復劑微膠囊化，使用時，將化學微膠囊按照既定比例與混凝土一起攪拌，使微膠囊在混凝土基體裡均勻分布。本發明第二方面提供一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統在混凝土抗氯鹽腐蝕領域的應用。具體的，其應用領域包含隧道、地鐵、樁基、地下室、共同溝等埋置於巖土體中的地下混凝土結構、處於含氯鹽水環境中的海工混凝土結構以及其他可能遭受氯鹽腐蝕的混凝土結構等。當含氯離子的地下水侵入混凝土時，混凝土基體上裂縫擴展使微膠囊壁破裂，微膠囊中的修復劑流出，與氯離子反應消耗氯離子，吸收混凝土中的氯離子，減小混凝土中氯離子濃度，從而減小氯鹽擴散程度。同時生成沉澱，填充混凝土孔隙和裂縫，阻塞氯鹽進一步腐蝕的通道，進一步提高混凝土抗氯鹽腐蝕的能力。本發明所提供的化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統為混凝土基體氯鹽侵蝕的修復和有效延緩潛在的危害提供了一種新的方法，一個自修復系統將免去有效的監測和外部修復所需的高額費用，避免了人工修復帶來的地下工程(如軌道交通線路)停運等問題，大大提高地下結構的安全性和耐久性，地下結構(例如地鐵)的使用壽命也將延長。本化學抗氯鹽腐蝕系統與現有的抗氯鹽侵蝕方法相比，有如下幾個方面的優點I)可以實現混凝土智能控制氯鹽濃度，降低氯鹽腐蝕程度；2)可以在減小氯離子濃度的同時產生沉澱，阻塞氯鹽腐蝕的通道；3)微膠囊可以保護內部修復劑免受外界環境的影響，使修復劑抗氯鹽腐蝕能力長時間有效；4)相比採用防腐塗層，本抗氯鹽腐蝕系統因為化學微膠囊大量均勻分布在混凝土基體中，能實現大範圍、多次的修復。
圖1顯示為氯鹽腐蝕鋼筋混凝土示意圖。圖2顯示為本發明化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統示意；(a)化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統示意圖；(b)微膠囊示意圖。圖3顯示為本發明化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統工作原理圖；(a)修復前；
(b)修復後。標號說明
權利要求
1.一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，包括混凝土基體，所述混凝土基體內設有化學微膠囊，所述化學微膠囊內包覆有修復劑，所述修復劑選自可與氯離子發生反應,並生成沉澱的溶液。
2.如權利要求1所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述修復劑選自可與氯離子發生反應並生成沉澱的鹽的水溶液。
3.如權利要求2所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述修復劑選自AgNO3水溶液、AgF水溶液、Hg2 (N03) 2水溶液、Pb (NO3) 2水溶液或TiNO3 水溶液。
4.如權利要求1-3任一權利要求所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述修復劑選自飽和的AgNO3水溶液、AgF水溶液、Hg2 (N03)2水溶液、 Pb (NO3) 2水溶液或TiNO3水溶液。
5.如權利要求1所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，混凝土基體內化學微膠囊的體積摻量為混凝土總體的5%-15%。
6.如權利要求5所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述化學微膠囊為球形，所述化學微膠囊的直徑為5-1000微米。
7.如權利要求1所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述微膠囊壁材料選自動物明膠、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸樹脂、聚氨酯橡膠、聚脲、聚脲甲醛、合成蠟、乙酸丁酸纖維素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛樹脂類或玻璃。
8.如權利要求7所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，其特徵在於，所述微膠囊壁厚為O. 1-5微米。
9.如權利要求1-8任一權利要求所述的一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統在混凝土抗氯鹽腐蝕領域的應用。
全文摘要
本發明涉及混凝土工程領域，特別是涉及一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統。本發明提供一種地下結構混凝土化學微膠囊抗氯鹽腐蝕系統，包括混凝土基體，所述混凝土基體內設有化學微膠囊，所述化學微膠囊內包覆有修復劑，所述修復劑選自可與氯離子發生反應，並生成沉澱的溶液。本化學抗氯鹽腐蝕系統與現有的抗氯鹽侵蝕方法相比，具有如下優點可實現混凝土智能控制氯鹽濃度，降低氯鹽腐蝕程度；可在減小氯離子濃度的同時產生沉澱，阻塞氯鹽腐蝕的通道；微膠囊可以保護內部修復劑免受外界環境的影響，使修復劑抗氯鹽腐蝕能力長時間有效；相比採用防腐塗層，本抗氯鹽腐蝕系統因為化學微膠囊大量均勻分布在混凝土基體中，能實現大範圍、多次的修復。
文檔編號C04B103/61GK102992673SQ20121053254
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者閆治國, 周帥, 朱合華, 陳慶 申請人:同濟大學