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(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)及其保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

對(duì)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(hù)技術(shù)是最有效的防護(hù)措施之一。常規(guī)外加電流對(duì)鋼筋混凝土實(shí)施陰極保護(hù)技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)內(nèi)工程中已得到應(yīng)用。鋼筋混凝土外加電流陰極保護(hù)技術(shù)最關(guān)鍵的問(wèn)題是保護(hù)系統(tǒng)的搭建。而在陰極保護(hù)系統(tǒng)中陽(yáng)極的選材、制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。對(duì)于遭受氯鹽污染的鋼筋混凝土體系，要想提高陰極保護(hù)效率，均布于整個(gè)混凝土表面的性能優(yōu)異的陽(yáng)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(hù)電流，且保護(hù)電流能均勻分布于受保護(hù)鋼筋表面；(2)具備電化學(xué)惰性，即低的陽(yáng)極極化率，以保證有較長(zhǎng)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(qiáng)度；(4)施工工藝簡(jiǎn)單，安置、固定和維護(hù)方便，對(duì)被保護(hù)構(gòu)件的外觀、尺寸、質(zhì)量影響不大；(5)成本經(jīng)濟(jì)合理。

目前國(guó)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(hù)工程的陽(yáng)極各具優(yōu)缺點(diǎn)。熱瀝青和焦炭屑的混合物陽(yáng)極由于焦炭屑較脆弱，導(dǎo)致陽(yáng)極鋪覆層強(qiáng)度較低、耐磨性差；石墨粉導(dǎo)電聚合物膠泥陽(yáng)極彌補(bǔ)熱瀝青焦炭屑的混合物陽(yáng)極不足，但由于陽(yáng)極絲發(fā)生的酸化反應(yīng)會(huì)造成膠泥和混凝土層的腐蝕；導(dǎo)電塑料電線(xiàn)網(wǎng)陽(yáng)極使用壽命長(zhǎng)，而陽(yáng)極材料在陽(yáng)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(yáng)極電極強(qiáng)化壽命長(zhǎng)，但工程成本過(guò)高。導(dǎo)電涂層陽(yáng)極在干濕交替、冷熱循環(huán)、紫外線(xiàn)暴露以及氯鹽腐蝕嚴(yán)重或電流密度過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生破損現(xiàn)象。因此，開(kāi)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(zhǎng)、力學(xué)與耐久性好且經(jīng)濟(jì)的新型陽(yáng)極對(duì)于提高鋼筋混凝土陰極保護(hù)效率意義非常重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有的各種陽(yáng)極優(yōu)缺點(diǎn)的現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)及其保護(hù)方法，提高鋼筋混凝土腐蝕防護(hù)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(hù)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(yáng)極；所述石墨烯/碳纖維水泥基材料作為輔助陽(yáng)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(hù)系統(tǒng)的回路。

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

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護(hù)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(qiáng)相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強(qiáng)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(hù)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(kāi)了一種鋼筋混凝土陰極保護(hù)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(yáng)極的步驟；

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

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

優(yōu)選的，在上述的鋼筋混凝土陰極保護(hù)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(qiáng)相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強(qiáng)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(hù)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(hù)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(jìn)行預(yù)分散，并通過(guò)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(yáng)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(hù)電流，增大電流在鋼筋混凝土構(gòu)件表面保護(hù)范圍，同時(shí)能降低保護(hù)所需外界驅(qū)動(dòng)電壓，提升陰極保護(hù)系統(tǒng)功能性；基于輔助陽(yáng)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(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)一體化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)的低成本、低能耗以及經(jīng)久耐用，對(duì)現(xiàn)有陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)行改善和優(yōu)化，為國(guó)內(nèi)量大面廣氯鹽腐蝕工程提供經(jīng)濟(jì)有效的腐蝕防護(hù)技術(shù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)示意圖；

圖2-a為石墨烯/碳纖維水泥基材料輔助陽(yáng)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(xiàn)、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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的鋼筋混凝土陰極保護(hù)系統(tǒng)及其保護(hù)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)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(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)施例公開(kāi)了一種鋼筋混凝土陰極保護(hù)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(guò)導(dǎo)線(xiàn)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(yáng)極；所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4作為輔助陽(yáng)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(hù)系統(tǒng)的回路。

本實(shí)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(méi)有石頭，甚至沒(méi)有沙子。通過(guò)對(duì)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(yáng)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(shí)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(jì)，所述石墨烯/碳纖維的水泥基材料4既作為鋼筋保護(hù)層，又作為輔助陽(yáng)極，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。輔助陽(yáng)極是基于導(dǎo)電填料滲流理論和纖維分散理論模型，通過(guò)優(yōu)化石墨烯和碳纖維含量和制備工藝制備而得各項(xiàng)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(shí)水泥基體結(jié)構(gòu)，碳纖維摻量達(dá)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(guò)隧道效應(yīng)躍遷到碳纖維上，并通過(guò)連通的碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，彌補(bǔ)了單一碳纖維導(dǎo)電增強(qiáng)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(guò)隧道電流效應(yīng)傳輸載流子，如圖2-c；或通過(guò)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(shí)施例中，作為主陽(yáng)極的所述鈦網(wǎng)3埋入作為輔助陽(yáng)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(yáng)極系統(tǒng)。

可選的，在上述實(shí)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(jí))導(dǎo)電增強(qiáng)相，碳纖維為微觀尺度(即微米級(jí))導(dǎo)電增強(qiáng)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(shí)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(jì)，所述電源1電流通過(guò)所述導(dǎo)線(xiàn)2傳遞至所述鈦網(wǎng)3，進(jìn)入到作為輔助陽(yáng)極的所述石墨烯/碳纖維水泥基材料4，并通過(guò)輔助陽(yáng)極中石墨烯、碳纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳導(dǎo)。在導(dǎo)電填料石墨烯、碳纖維表面發(fā)生陽(yáng)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(hù)層，到達(dá)所述鋼筋5在陰極反應(yīng)發(fā)生表面。一方面它滿(mǎn)足傳統(tǒng)輔助陽(yáng)極系統(tǒng)要求：空穴導(dǎo)電(等效為電子沿反向流動(dòng))且導(dǎo)電性能良好；能較均勻地鋪覆于被保護(hù)混凝土構(gòu)件內(nèi)所有的鋼筋上；在被保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的任何表面上都便于安裝、固定、維護(hù)，與基底混凝土表面始終具有高的附著強(qiáng)度；對(duì)被保護(hù)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(yáng)極既能均化保護(hù)電流，增大電流在鋼筋混凝土構(gòu)件表面保護(hù)范圍，同時(shí)能降低保護(hù)所需外界驅(qū)動(dòng)電壓，發(fā)揮其功能增強(qiáng)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(qiáng)材料，其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度得到整體提升，作為鋼筋保護(hù)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(qiáng)效應(yīng)。

本實(shí)施例還公開(kāi)了一種鋼筋混凝土陰極保護(hù)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(guò)電導(dǎo)線(xiàn)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(yáng)極的步驟；

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

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

需說(shuō)明的是，上述步驟s5與s6并無(wú)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(shí)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(qiáng)相，碳纖維為微觀尺度導(dǎo)電增強(qiáng)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(shí)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(shí)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(jìn)行預(yù)分散，并通過(guò)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(yáng)極。同時(shí)在輔助陽(yáng)極材料內(nèi)埋入一片活化鈦網(wǎng)作為主陽(yáng)極。

上述描述僅是對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對(duì)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(shū)的保護(hù)范圍。