專利名稱：Cp陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種CP陽極功能與應(yīng)力感知一體化智能復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
世界腐蝕組織(WCO)的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球由于腐蝕造成的經(jīng)濟損失超過
2.2萬億美元/年。隨著全球氣候與環(huán)境的惡化，腐蝕問題勢必呈現(xiàn)出日益加劇的態(tài)勢，其中鋼混結(jié)構(gòu)腐蝕問題正引起全世界密切關(guān)注。鋼混結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今及以后相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將 采用的主要結(jié)構(gòu)型式之一，鋼筋腐蝕是引起鋼混結(jié)構(gòu)耐久性降低的最主要原因。美國國家材料顧問委員會調(diào)查表明，近253000座混凝土橋面板出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象；日本約有21. 4%的鋼混結(jié)構(gòu)損壞是由鋼筋腐蝕引起的；我國2002年底僅公路危橋就達(dá)9597座，而耗資4000萬元的山東煙臺汽車站，更是在建成5年后的2009年即成危樓，其中鋼筋腐蝕是引起結(jié)構(gòu)服役性能嚴(yán)重劣化的主要原因之一。近期，我國再次投入數(shù)以萬億計的資金發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，占據(jù)相當(dāng)比例的鋼混結(jié)構(gòu)的耐久性問題，勢必成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定的戰(zhàn)略性課題。鑒于腐蝕問題的嚴(yán)重性，全世界范圍內(nèi)，正在投入大量人力、物力與財力探索腐蝕控制方法。美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)、美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)、歐洲腐蝕聯(lián)合會(EFC)及澳大利亞腐蝕協(xié)會(ACA)等，對美國、加拿大、丹麥、挪威、瑞士、意大利、荷蘭、澳大利亞、印度、日本及韓國等8600余座橋梁、1500余條隧道、160余處核廢料儲箱等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的200余份調(diào)查報告表明，采用主動強制電流陰極保護(ICCP)系統(tǒng)與被動犧牲陽極陰極保護(SACP)系統(tǒng)，是能夠顯著緩解鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕，進而延長結(jié)構(gòu)服役壽命的最有效途徑。上述200余份調(diào)查報告也同時表明，12000余套CP系統(tǒng)中存在的共性問題是有效服役壽命較短(平均為10±5年)，從而使得CP系統(tǒng)的回報與投入比較低。造成CP失效的最主要原因包括兩方面(I)缺乏對CP作用效果進行評估的專家系統(tǒng)，從而導(dǎo)致CP系統(tǒng)在運營過程中未能根據(jù)結(jié)構(gòu)實時服役狀態(tài)進行有效調(diào)整，進而導(dǎo)致CP系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)保護不足或過度；(2)CP系統(tǒng)處于持續(xù)工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致陽極材料發(fā)生老化、失效，進而嚴(yán)重影響CP系統(tǒng)的陰極電流投放效率。NACE在其最新頒布的SP0290-2007標(biāo)準(zhǔn)中也指出，安裝CP系統(tǒng)的服役結(jié)構(gòu)所處自然環(huán)境、混凝土材料、陽極材料、鋼筋腐蝕狀態(tài)都具有時變特性，從而決定了 CP系統(tǒng)要根據(jù)實際服役條件進行適時調(diào)整，以確保系統(tǒng)的有效性和可靠性。綜上，在吸取大量CP陽極系統(tǒng)失效的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的先進理念與技術(shù)，本專利旨在提供CP陽極功能與應(yīng)力感知一體化智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)，為提高CP腐蝕控制系統(tǒng)的服役壽命提供高性能陽極材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種重大鋼混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等陰極保護(Cathodic Protection,CP)系統(tǒng)用的陽極復(fù)合材料。本發(fā)明的目的在于提供用于重大鋼混結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)腐蝕CP控制與應(yīng)力感知一體化高性能陽極結(jié)構(gòu)。通過具有高導(dǎo)電與高韌性噴射水泥基納米材料復(fù)合Ti條板、Ti網(wǎng)與碳纖維布，實現(xiàn)CP陽極的功能。其中，高導(dǎo)電性水泥基納米復(fù)合材料具有感知陽極所在區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變的能力，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力自感知的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料，包括Ti條板主陽極、Ti網(wǎng)輔陽極、水泥基納米復(fù)合材料和碳纖維布；Ti條板主陽極與Ti網(wǎng)輔陽極連接，Ti網(wǎng)輔陽極上覆蓋有水泥基納米復(fù)合材料，水泥基納米復(fù)合材料上鋪設(shè)有碳纖維布；所述的水泥基納米復(fù)合材料制作方法為按質(zhì)量百分含量，由5%聚丙烯酰胺、0. 5%碳纖維或納米碳纖維、15%碳黑顆粒、0. 2%泵送劑、I. 0%納米SiO2和79. 3% P. 0. 42. 5混合均勻，采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)進行施工，水與水泥基納米復(fù)合材料的重量比為0. 4-0. 6。本發(fā)明還具有如下特征I、所述的水泥基納米復(fù)合材料按質(zhì)量百分含量，或為3%聚乙烯醇纖維、1.0%碳納米管、10%石墨烯、0. 2%泵送劑、I. 0%納米TiO2和85. 8% P. 0. 42. 5。2、該智能復(fù)合結(jié)構(gòu)采用嵌入式四電極體系測量鋼混結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。3、一種使用如上所述的CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料的CP陽極系統(tǒng)的布設(shè)方法，如下所述的CP陽極系統(tǒng)包括CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料、鋼筋陰極以及施加電場荷載的整流器，CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料、鋼筋陰極分別與整流器電信號連接；布設(shè)系統(tǒng)之前，需要根據(jù)鋼混結(jié)構(gòu)整體的腐蝕監(jiān)檢測結(jié)果，對鋼混結(jié)構(gòu)整體與局部腐蝕狀態(tài)進行評估，劃定需要腐蝕控制的區(qū)域；然后，針對具體區(qū)域布設(shè)CP陽極系統(tǒng)；首先，對需要布設(shè)CP陽極的區(qū)域進行清理，如移除污染的混凝土表層，甚至替換劣化嚴(yán)重的局部構(gòu)件；其次，對處理后的構(gòu)件重新進行混凝土澆筑;第三，在外表面鋪設(shè)Ti條板主陽極，然后采用采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)噴射水泥基納米復(fù)合材料進行涂覆，厚度達(dá)到0. 5-lcm后，表面壓入Ti網(wǎng)輔陽極，并實現(xiàn)Ti網(wǎng)輔陽極與Ti條板主陽極之間的電信號連接，最后繼續(xù)噴射水泥基納米復(fù)合材料，達(dá)到預(yù)定厚度之前，在預(yù)先優(yōu)化設(shè)計的需要監(jiān)測應(yīng)力的區(qū)域布設(shè)嵌入式四電極系統(tǒng)；最后，待水泥基納米復(fù)合材料硬化后，陽極外層布設(shè)碳纖維布。本發(fā)明的優(yōu)點在于I.在實現(xiàn)高性能CP陽極功能的同時，還具備應(yīng)力自感知的能力，從而能夠在投放CP電場的同時，實時監(jiān)測鋼混結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)；2.采用納米Si02、TiO2等材料，能夠顯著提高CP陽極材料的抗侵蝕粒子性；3.石墨稀、碳納米管材料的加入，使得CP陽極材料具有較聞的電導(dǎo)率,從而確保主陽極施加的CP電場能夠準(zhǔn)確投放到結(jié)構(gòu)表面；4.聚乙烯醇纖維或聚丙烯酰胺的加入，使得CP陽極材料的韌性增強，同時滲透性大大降低，從而能夠顯著延長陽極材料的服役壽命；5. CP陽極復(fù)合材料的可泵送性，確保了施工的便捷性。


圖ICP陽極系統(tǒng)布設(shè)示意圖2CP陽極功能與應(yīng)力感知一體化智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖；其中I、碳纖維布，2、水泥基納米復(fù)合材料，3、Ti網(wǎng)輔陽極，4、Ti條板主陽極；圖3四電極應(yīng)力測試示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述實施例ICP陽極系統(tǒng)的構(gòu)建工程結(jié)構(gòu)中，CP系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖I所示，包括陽極材料、鋼筋陰極以及施加電場荷載的整流器系統(tǒng)。陽極系統(tǒng)布設(shè)之前，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)整體的腐蝕監(jiān)檢測結(jié)果，對結(jié)構(gòu)整體與局部腐蝕狀態(tài)進行評估，劃定需要腐蝕控制的區(qū)域。然后，針對具體區(qū)域布設(shè)陽極系統(tǒng)。首先，對需要布設(shè)陽極的區(qū)域進行清理，如移除污染的混凝土表層，甚至替換劣化嚴(yán)重的局部構(gòu)件；其次，對處理后的構(gòu)件重新進行混凝土澆筑；第三，在修補用混凝土或其它材料外表面鋪設(shè)Ti條板主陽極，然后采用噴射水泥基納米復(fù)合材料進行涂覆，厚度達(dá)到0. 5-lcm后，表面壓入Ti網(wǎng)，并實現(xiàn)Ti網(wǎng)與Ti條板之間的電信號連接，最后繼續(xù)噴射水泥基納米復(fù)合材料，達(dá)到預(yù)定厚度2-3cm之前，在預(yù)先優(yōu)化設(shè)計的需要監(jiān)測應(yīng)力的區(qū)域布設(shè)四電極系統(tǒng)；最后，待水泥基納米復(fù)合材料硬化后，陽極外層可選擇性布設(shè)碳纖維布，起到補強和陽極作用增強的效果。實施例2CP陽極材料構(gòu)成與結(jié)構(gòu)形式CP陽極功能與應(yīng)力感知一體化智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如圖2所示，總體上包括四層結(jié)構(gòu)，第一層為Ti條板主陽極，第二層為嵌入式Ti網(wǎng)，第三層可噴射水泥基納米復(fù)合材料，第四層為碳纖維布。其中，水泥基納米復(fù)合材料主要成分包括聚丙烯酰胺或PVA纖維、碳纖維或碳納米纖維、碳納米管、碳黑顆?；蚴?、P.O.系列水泥、泵送劑。按比例進行混合均勻，采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)進行施工，其中水與水泥基納米復(fù)合材料的重量比為0.4-0. 6。所采用的典型配方如下表一智能復(fù)合材料典型配方
配方I
權(quán)利要求
1.CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料，其特征在于包括Ti條板主陽極、Ti網(wǎng)輔陽極、水泥基納米復(fù)合材料和碳纖維布；Ti條板主陽極與Ti網(wǎng)輔陽極連接，Ti網(wǎng)輔陽極上覆蓋有水泥基納米復(fù)合材料，水泥基納米復(fù)合材料上鋪設(shè)有碳纖維布；所述的水泥基納米復(fù)合材料制作方法為按質(zhì)量百分含量，由5%聚丙烯酰胺、O. 5%碳纖維或納米碳纖維、15%碳黑顆粒、O. 2%泵送劑、I. 0%納米SiO2和79. 3% P. O. 42. 5混合均勻，采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)進行施工，水與水泥基納米復(fù)合材料的重量比為O. 4-0. 6。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料，其特征在于所述的水泥基納米復(fù)合材料按質(zhì)量百分含量，或為3%聚乙烯醇纖維、1.0%碳納米管、10%石墨烯、O. 2%泵送劑、I. 0%納米 TiO2 和 85. 8% P. O. 42. 5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料，其特征在于該智能復(fù)合結(jié)構(gòu)采用嵌入式四電極體系測量鋼混結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。
4.一種使用如權(quán)利要求I或2所述的CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料的CP陽極系統(tǒng)的布設(shè)方法，其特征在于方法如下所述的CP陽極系統(tǒng)包括CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料、鋼筋陰極以及施加電場荷載的整流器，CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料、鋼筋陰極分別與整流器電信號連接；布設(shè)系統(tǒng)之前，需要根據(jù)鋼混結(jié)構(gòu)整體的腐蝕監(jiān)檢測結(jié)果，對鋼混結(jié)構(gòu)整體與局部腐蝕狀態(tài)進行評估，劃定需要腐蝕控制的區(qū)域；然后，針對具體區(qū)域布設(shè)CP陽極系統(tǒng)；首先，對需要布設(shè)CP陽極的區(qū)域進行清理，如移除污染的混凝土表層，甚至替換劣化嚴(yán)重的局部構(gòu)件；其次，對處理后的構(gòu)件重新進行混凝土澆筑；第三，在外表面鋪設(shè)Ti條板主陽極，然后采用采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)噴射水泥基納米復(fù)合材料進行涂覆，厚度達(dá)到O. 5-lcm后，表面壓入Ti網(wǎng)輔陽極，并實現(xiàn)Ti網(wǎng)輔陽極與Ti條板主陽極之間的電信號連接，最后繼續(xù)噴射水泥基納米復(fù)合材料，達(dá)到預(yù)定厚度之前，在預(yù)先優(yōu)化設(shè)計的需要監(jiān)測應(yīng)力的區(qū)域布設(shè)嵌入式四電極系統(tǒng)；最后，待水泥基納米復(fù)合材料硬化后，陽極外層布設(shè)碳纖維布。
全文摘要
CP陽極功能與應(yīng)力自感知一體化智能復(fù)合材料，包括Ti條板主陽極、Ti網(wǎng)輔陽極、水泥基納米復(fù)合材料和碳纖維布；Ti條板主陽極與Ti網(wǎng)輔陽極連接，Ti網(wǎng)輔陽極上覆蓋有水泥基納米復(fù)合材料，水泥基納米復(fù)合材料上鋪設(shè)有碳纖維布；所述的水泥基納米復(fù)合材料制作方法為按質(zhì)量百分含量，由5％聚丙烯酰胺、0.5％碳纖維或納米碳纖維、15％碳黑顆粒、0.2％泵送劑、1.0％納米SiO2和79.3％P.0.42.5混合均勻，采用混凝土傳統(tǒng)的泵送技術(shù)進行施工，水與水泥基納米復(fù)合材料的重量比為0.4-0.6。本發(fā)明施工便捷、能夠顯著延長陽極材料的服役壽命、具有較高的電導(dǎo)率、并能實時監(jiān)測鋼混結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)。
文檔編號E04B1/64GK102797296SQ201210241970
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者喬國富, 肖會剛, 洪毅, 歐進萍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)