本發(fā)明涉及大型工業(yè)與民用建筑工程、水利工程、近海及海洋工程結(jié)構(gòu)腐蝕防護技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)及其保護方法。

背景技術(shù)：

對于混凝土、鹽堿地土壤以及海水環(huán)境中的鋼筋腐蝕，外加電流陰極保護技術(shù)是最有效的防護措施之一。常規(guī)外加電流對鋼筋混凝土實施陰極保護技術(shù)在歐美發(fā)達國家和國內(nèi)工程中已得到應(yīng)用。鋼筋混凝土外加電流陰極保護技術(shù)最關(guān)鍵的問題是保護系統(tǒng)的搭建。而在陰極保護系統(tǒng)中陽極的選材、制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。對于遭受氯鹽污染的鋼筋混凝土體系，要想提高陰極保護效率，均布于整個混凝土表面的性能優(yōu)異的陽極需具備以下基本要求：(1)電子導(dǎo)電、電阻率低，以提供所需的保護電流，且保護電流能均勻分布于受保護鋼筋表面；(2)具備電化學(xué)惰性，即低的陽極極化率，以保證有較長的使用壽命；(3)具有一定的力學(xué)性能，尤其與基底混凝土始終能有高的附著強度；(4)施工工藝簡單，安置、固定和維護方便，對被保護構(gòu)件的外觀、尺寸、質(zhì)量影響不大；(5)成本經(jīng)濟合理。

目前國內(nèi)外研制成功并應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)陰極保護工程的陽極各具優(yōu)缺點。熱瀝青和焦炭屑的混合物陽極由于焦炭屑較脆弱，導(dǎo)致陽極鋪覆層強度較低、耐磨性差；石墨粉導(dǎo)電聚合物膠泥陽極彌補熱瀝青焦炭屑的混合物陽極不足，但由于陽極絲發(fā)生的酸化反應(yīng)會造成膠泥和混凝土層的腐蝕；導(dǎo)電塑料電線網(wǎng)陽極使用壽命長，而陽極材料在陽極極化電流密度下具有較大的極化率，導(dǎo)致最大額定電流密度較低；鈦基陽極電極強化壽命長，但工程成本過高。導(dǎo)電涂層陽極在干濕交替、冷熱循環(huán)、紫外線暴露以及氯鹽腐蝕嚴(yán)重或電流密度過大時會發(fā)生破損現(xiàn)象。因此，開發(fā)一種導(dǎo)電性能優(yōu)異、電化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長、力學(xué)與耐久性好且經(jīng)濟的新型陽極對于提高鋼筋混凝土陰極保護效率意義非常重大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的各種陽極優(yōu)缺點的現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)及其保護方法，提高鋼筋混凝土腐蝕防護效率，提升工程結(jié)構(gòu)安全性和耐久性。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)，包括鋼筋、混凝土、鈦網(wǎng)、石墨烯/碳纖維水泥基材料及電源，其中，所述鋼筋連接所述電源的負(fù)極作為陰極；所述混凝土的孔溶液作為電解質(zhì)；所述鈦網(wǎng)連接所述電源的正極作為主陽極；所述石墨烯/碳纖維水泥基材料作為輔助陽極；所述鋼筋、所述混凝土、所述鈦網(wǎng)、所述石墨烯/碳纖維水泥基材料及所述電源形成所述陰極保護系統(tǒng)的回路。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)中，所述鋼筋通過電導(dǎo)線與所述電源的負(fù)極連接。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料鋪覆在所述鋼筋混凝土表面。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)中，作為主陽極的所述鈦網(wǎng)埋入作為輔助陽極的所述石墨烯/碳纖維水泥基材料內(nèi)組成復(fù)合陽極系統(tǒng)。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料是以水泥為膠凝材料，硅灰為礦物摻合料，石墨烯為納觀尺度導(dǎo)電增強相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強相，并添加相關(guān)導(dǎo)電填料分散劑復(fù)合而成的水泥基功能復(fù)合材料。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纖維、碳纖維分散劑、消泡劑和水，各成分的重量配合比為：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纖維0.1～0.6g、碳纖維分散劑0.1～0.6g、消泡劑0.05～0.15g、水30～45g。

本發(fā)明還公開了一種鋼筋混凝土陰極保護方法，包括如下步驟：

將鋼筋連接電源的負(fù)極作為陰極的步驟；

將混凝土的孔溶液作為電解質(zhì)的步驟；

將鈦網(wǎng)連接所述電源的正極作為主陽極的步驟；

將石墨烯/碳纖維水泥基材料作為輔助陽極的步驟形成所述陰極保護系統(tǒng)的回路。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，所述鋼筋通過電導(dǎo)線連接所述電源的負(fù)極作為陰極。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，還包括將所述石墨烯/碳纖維水泥基材料鋪覆在鋼筋混凝土表面的步驟。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，還包括將作為主陽極的所述鈦網(wǎng)埋入作為輔助陽極的所述石墨烯/碳纖維水泥基材料內(nèi)組成復(fù)合陽極系統(tǒng)的步驟。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料是以水泥為膠凝材料，硅灰為礦物摻合料，石墨烯為納觀尺度導(dǎo)電增強相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強相，并添加相關(guān)導(dǎo)電填料分散劑復(fù)合而成的水泥基功能復(fù)合材料。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纖維、碳纖維分散劑、消泡劑和水，各成分的重量配合比為：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纖維0.1～0.6g、碳纖維分散劑0.1～0.6g、消泡劑0.05～0.15g、水30～45g。

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護方法中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料的制備具體包括：首先在部分水中將石墨烯和碳纖維分別進行預(yù)分散，并通過磁力攪拌和超聲波處理得到石墨烯懸浮液和碳纖維懸浮分散液；其次將硅灰、消泡劑、剩余水和兩種分散液攪拌制成拌和料。

本發(fā)明基于輔助陽極石墨烯/碳纖維水泥基材料優(yōu)異的導(dǎo)電性能、穩(wěn)定的電化學(xué)性能，以均化保護電流，增大電流在鋼筋混凝土構(gòu)件表面保護范圍，同時能降低保護所需外界驅(qū)動電壓，提升陰極保護系統(tǒng)功能性；基于輔助陽極優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全性和服役壽命，從而實現(xiàn)陰極保護系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)一體化。本發(fā)明實現(xiàn)鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)的低成本、低能耗以及經(jīng)久耐用，對現(xiàn)有陰極保護技術(shù)進行改善和優(yōu)化，為國內(nèi)量大面廣氯鹽腐蝕工程提供經(jīng)濟有效的腐蝕防護技術(shù)，具有顯著的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)示意圖；

圖2-a為石墨烯/碳纖維水泥基材料輔助陽極的示意圖；

圖2-b為圖2-a中a的放大示意圖；

圖2-c為圖2-b中b的隧道電流放大示意圖；

圖2-d為圖2-b中c的導(dǎo)電通路放大示意圖；

圖中：1-電源、2-導(dǎo)線、3-鈦網(wǎng)、4-石墨烯/碳纖維水泥基材料、5-鋼筋、6-混凝土

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)及其保護方法作進一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

請參閱圖1，本實施例公開了一種鋼筋混凝土陰極保護系統(tǒng)，包括鋼筋5、混凝土6、鈦網(wǎng)3、石墨烯/碳纖維水泥基材料4及電源1，其中，所述鋼筋5通過導(dǎo)線2連接所述電源1的負(fù)極作為陰極；所述混凝土的孔溶液作為電解質(zhì)；所述鈦網(wǎng)3連接所述電源1的正極作為主陽極；所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4作為輔助陽極；所述鋼筋5、所述混凝土6、所述鈦網(wǎng)3、所述石墨烯/碳纖維水泥基材料4及所述電源1形成所述陰極保護系統(tǒng)的回路。

本實施例中下方的混凝土中有石頭和沙子，上方的石墨烯/碳纖維水泥基材料中沒有石頭，甚至沒有沙子。通過對所述混凝土6中所述鋼筋5通負(fù)向電流，引起所述鋼筋5電極電位負(fù)移，降低所述鋼筋5表面電位，阻礙陽極腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生電子，從電化學(xué)反應(yīng)的源頭上遏制鋼筋銹蝕地發(fā)生。

可選的，在上述實施例中，所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4鋪覆在所述鋼筋混凝土表面。

如此設(shè)計，所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4既作為鋼筋保護層，又作為輔助陽極，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。輔助陽極是基于導(dǎo)電填料滲流理論和纖維分散理論模型，通過優(yōu)化石墨烯和碳纖維含量和制備工藝制備而得各項力學(xué)性能優(yōu)異、低電阻率水泥基功能材料。在宏觀尺度上，如圖2-a，石墨烯和碳纖維多尺度混雜分散在水泥基體中，密實水泥基體結(jié)構(gòu)，碳纖維摻量達到滲流閾值，相互搭接成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在細(xì)觀尺度上，如圖2-b，石墨烯在外加電流作用下電子通過隧道效應(yīng)躍遷到碳纖維上，并通過連通的碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，彌補了單一碳纖維導(dǎo)電增強體系的不足，提高了復(fù)合材料導(dǎo)電性能。在微觀尺度上，石墨烯或通過隧道電流效應(yīng)傳輸載流子，如圖2-c；或通過搭接導(dǎo)電通路直接傳輸載流子，如圖2-d。石墨烯豐富了碳纖維間的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，與碳纖維協(xié)同提高水泥基材料導(dǎo)電性能。

可選的，在上述實施例中，作為主陽極的所述鈦網(wǎng)3埋入作為輔助陽極的所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4內(nèi)組成復(fù)合陽極系統(tǒng)。

可選的，在上述實施例中，所述石墨烯和碳纖維水泥基材料4是以水泥為膠凝材料，硅灰為礦物摻合料，石墨烯為納觀尺度(即納米級)導(dǎo)電增強相，碳纖維為微觀尺度(即微米級)導(dǎo)電增強相，并添加相關(guān)導(dǎo)電填料分散劑復(fù)合而成的水泥基功能復(fù)合材料。

可選的，在上述實施例中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纖維、碳纖維分散劑、消泡劑和水，各成分的重量配合比為：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纖維0.1～0.6g、碳纖維分散劑0.1～0.6g、消泡劑0.05～0.15g、水30～45g。

如此設(shè)計，所述電源1電流通過所述導(dǎo)線2傳遞至所述鈦網(wǎng)3，進入到作為輔助陽極的所述石墨烯/碳纖維水泥基材料4，并通過輔助陽極中石墨烯、碳纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進行傳導(dǎo)。在導(dǎo)電填料石墨烯、碳纖維表面發(fā)生陽極反應(yīng)，將空穴導(dǎo)電轉(zhuǎn)換為離子導(dǎo)電再均勻分散流經(jīng)混凝土保護層，到達所述鋼筋5在陰極反應(yīng)發(fā)生表面。一方面它滿足傳統(tǒng)輔助陽極系統(tǒng)要求：空穴導(dǎo)電(等效為電子沿反向流動)且導(dǎo)電性能良好；能較均勻地鋪覆于被保護混凝土構(gòu)件內(nèi)所有的鋼筋上；在被保護混凝土結(jié)構(gòu)的任何表面上都便于安裝、固定、維護，與基底混凝土表面始終具有高的附著強度；對被保護構(gòu)件外觀、尺寸、質(zhì)量影響不大且成本合理。石墨烯/碳纖維水泥基材料輔助陽極既能均化保護電流，增大電流在鋼筋混凝土構(gòu)件表面保護范圍，同時能降低保護所需外界驅(qū)動電壓，發(fā)揮其功能增強效應(yīng)；另一方面，由于石墨烯/碳纖維水泥基材料屬于纖維增強材料，其抗壓強度、抗彎強度得到整體提升，作為鋼筋保護層，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體安全性，發(fā)揮其結(jié)構(gòu)增強效應(yīng)。

本實施例還公開了一種鋼筋混凝土陰極保護方法，包括如下步驟：

s1:將鋼筋連接電源的負(fù)極作為陰極的步驟；具體地，所述鋼筋通過電導(dǎo)線連接所述電源的負(fù)極作為陰極；

s2:將混凝土的孔溶液作為電解質(zhì)的步驟；

s3:將鈦網(wǎng)連接所述電源的正極作為主陽極的步驟；

s4:將石墨烯/碳纖維水泥基材料作為輔助陽極的步驟形成所述陰極保護系統(tǒng)的回路。

可選的，在上述實施例中，還包括步驟s5:將所述石墨烯和碳纖維水泥基材料鋪覆在鋼筋混凝土表面的步驟。

可選的，在上述實施例中，還包括步驟s6:將作為主陽極的所述鈦網(wǎng)埋入作為輔助陽極的所述石墨烯/碳纖維水泥基材料內(nèi)組成復(fù)合陽極系統(tǒng)的步驟。

需說明的是，上述步驟s5與s6并無嚴(yán)格先后順序，可以先執(zhí)行步驟s5，也可以先執(zhí)行步驟s6。

可選的，在上述實施例中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料是以水泥為膠凝材料，硅灰為礦物摻合料，石墨烯為納觀尺度導(dǎo)電增強相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強相，并添加相關(guān)導(dǎo)電填料分散劑復(fù)合而成的水泥基功能復(fù)合材料。

可選的，在上述實施例中，所述石墨烯/碳纖維水泥基材料包括水泥、硅灰、石墨烯、碳纖維、碳纖維分散劑、消泡劑和水，各成分的重量配合比為：水泥80～100g、硅灰1～10g、石墨烯0.1～2.0g、碳纖維0.1～0.6g、碳纖維分散劑0.1～0.6g、消泡劑0.05～0.15g、水30～45g。

可選的，在上述實施例中，石墨烯/碳纖維水泥基材料的制備具體包括：首先在部分水中將石墨烯和碳纖維分別進行預(yù)分散，并通過磁力攪拌和超聲波處理得到石墨烯懸浮液和碳纖維懸浮分散液；其次將硅灰、消泡劑、剩余水和兩種分散液攪拌制成拌和料；然后將拌和料均勻鋪覆澆筑在鋼筋混凝土上表面，作為輔助陽極。同時在輔助陽極材料內(nèi)埋入一片活化鈦網(wǎng)作為主陽極。

上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護范圍。