专利名称：自动阴极防护的cfrp-钢筋混凝土组合结构及方法
技术领域：
本发明涉及钢筋混凝土的组合结构领域，尤其涉及一种自动阴极防护的新型CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法。
背景技术：
近年来，FRP-混凝土组合结构越来越多地吸引了学者的关注。这是由于FRP-混凝土组合结构可以改善结构的受力情况、施工过程采用FRP作为模板无需额外模板及相应的拆模工序和良好的耐久性。该组合结构良好的耐久性主要是由于采用了耐久性能好的FRP材料，以及FRP对其全包裹的构件具有阻止外部有害物质侵入的能力。上述的结构耐久性对材料要求、施工过程及工作环境是比较敏感的。当存在有施工不当，FRP材料自身的缺陷以及结构内部含有足够的有害物质等，结构的耐久性就不再具有组合结构的优势了。而且当使用富含氯化物、硫酸盐等有害物质的混凝土材料时，如典型的海砂混凝土，由于具备了加速钢筋腐蚀的各个条件，结构内部的钢筋发生腐蚀的时间大大提前，破坏结构的耐久性，进而需要对其提早的维修和保养。作为结构加固和组合结构领域比较常见的碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有轻质高强、模量大、耐腐蚀性好等优点实际上，CFRP除了人们熟知的力学性能外，由于其含有的主要成分之一一碳纤维具有良好的电化学特性，即良好的导电性及接近贵金属的电极电位，CFRP同样具有良好的电化学特性。因此，申请人利用CFRP的电化学特性形成一种新型的辅助阳极应用到钢筋混凝土结构的外加电流阴极保护方法。进一步地，可利用CFRP的力学性能和电化学特性，形成一种同时具有钢筋保护和阴极防护的新型组合结构体系。这意味着作为结构的组成材料之一的CFRP不仅仅发挥了其在组合结构中的优 势，同时将起到外加电流阴极防护系统中的辅助阳极。当对结构自建成起就施加微弱的阴极电流，通过阴极防护装置中的检测和控制系统使结构内钢筋长期处于阴极极化状态，从而达到保护的效果。因此，即使结构内部固有的或自外部侵入的氯离子等腐蚀介质，这种新型组合结构拥有很强的抵抗钢筋腐蚀的能力，明显提高结构的耐久性。然而，常规的钢筋混凝土结构外加电流阴极防护系统主要由钢筋，辅助阳极，直流电源，检测系统和控制系统组成。其中，系统的成本主要分布在辅助阳极和控制系统上，因此要想控制阴极防护的成本，可以开发合适的辅助阳极或改进系统的配置上入手。其中，合适的辅助阳极可通过研发含有CFRP的辅助阳极来实现。当对新建结构施加外加电流阴极防护后，按照传统的思路需对钢筋的腐蚀状态进行检测，测量钢筋的电化学参数，如极化电位、腐蚀电流密度等，并反馈给控制系统。当反应钢筋腐蚀状态的电化学参数不满足要求时，控制系统会调节直流电源的电压或电流输出，直至确保结构中钢筋都受到足够的保护。这决定了传统的外加电流阴极防护需要昂贵的成本，以及日常的维护和操作费用。有鉴于此，现有技术还有待于改进和提高。
发明内容
鉴于上述组合结构耐久性的不足，本发明的目的在于提供自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法，即利用了 CFRP作为组合结构材料和辅助阳极的双重功能，并采用了无检测系统和控制系统的阴极防护装置，旨在解决内部固有或自外部入侵的富含腐蚀介质的钢筋混凝土结构的腐蚀防护中采用的阴极防护成本昂贵的问题，提供自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法，省去了常规的检测和控制系统，简化了阴极防护装置，提高了结构的性价比。本发明的技术方案如下:
一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构的加工方法，其中，包括步骤:
将钢筋混凝土装置本体与CFRP型材整体浇筑，CFRP型材设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构的加工方法，其中，所述CFRP型材为混杂不同纤维或基体材料的复合材料。一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，其包括设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面的CFRP型材；
并且，钢筋混凝土装置本体与CFRP型材整体浇筑，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，所述钢筋混凝土装置本体中设置有多根钢筋，并且，多根钢筋之间电性连接。
所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，所述外部电源为直流电源。所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，所述钢筋混凝土装置本体为圆柱形或者矩形结构。所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，所述钢筋混凝土装置本体为圆柱形结构，所述钢筋设置有多根，并环绕设置在钢筋混凝土装置本体的四周，相邻钢筋之间电性连接。所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其中，所述CFRP型材为CFRP管。有益效果:本发明由于施加了阴极保护，通过CFRP材料对混凝土内钢筋施加微小的电流来实现结构阴极保护的目的，从而主动干预了海砂混凝土内的钢筋腐蚀，并且，本发明利用CFRP材料的结构加固和阴极保护的双重功能，将其应用于钢筋混凝土装置当中，即使在混凝土材料内部富含腐蚀介质或外部环境恶劣的情况下，钢筋也能得到足够的保护，并且该装置采用能输出足够大小的恒定直流电源，省去了常规的检测和控制系统，简化了阴极防护装置，提高了结构的性价比。同时，本发明还将CFRP、混凝土与钢筋直接浇筑为一个整体，省去了阴极保护结构本体安装的工序，提高了施工效率。
图1为本发明自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构较佳实施例的结构示意图。
具体实施例方式本发明提供自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，图1为本发明一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括两大结构本体:钢筋混凝土装置本体和阴极保护结构本体。在所述钢筋混凝土装置本体中，其包括混凝土 3、钢筋2、CFRP管1，钢筋2埋置在混凝土 3内部，CFRP管I设置钢筋混凝土装置本体表面，并且通过混凝土 3与钢筋2之间相互电性连接，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋2与CFRP管I之间连接用于对钢筋2施加电流的外部电源5。在本发明中，钢筋混凝土装置本体与CFRP管整体浇筑，这样，阴极保护结构本体可方便地安装在钢筋混凝土装置本体上。CFRP管为混杂不同纤维或基体材料的复合材料等，例如混杂了碳纤维和玻璃纤维等的纤维增强复合材料。CFRP管可按组合结构理论计算得到。本实施例充分利用了 CFRP材料的力学性能和电化学特性，使得CFRP材料在本发明的结构体系中充当了加固材料和辅助阳极的双重角色，这样将组合结构和阴极防护两种功能有效地整合在一个体系中，即使在富含腐蚀介质的混凝土例如海沙中，也能使钢筋得到保护。钢筋2—混凝土 3 — CFRP管I (通过导线6连接)形成完整的电通路能够顺利地传递阴极保护电流，本发明中在阴极保护结构本体中采用只能输出恒大电流或电压的电源施加微小的电流，来实现阴极防护，通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，进而达到保护钢筋的目的，所以，所述的外部电源为可提供恒定大小电流或电压的直流电源。本发明中的钢筋混凝 土装置本体可以是圆柱形结构或作矩形梁结构，例如图1所示的圆柱形结构，在图1所示的实施例中，多根钢筋2环绕设置在混凝土 3的周围，并且相邻的钢筋2之间电连接，将电连接的钢筋2、混凝土 3、CFRP管I整体浇筑，就可以省去阴极保护结构本体的安装工序，直接将阴极保护结构本体的外部电源连接上钢筋混凝土装置本体上即可，例如将任意一根钢筋2连接上外部电源5的负极，将CFRP管I连接外部电源5的正极，即可形成所述的阴极保护结构本体。在本发明中，应分别考虑体系的力学性能和阴极防护效果，各自的设计原理和计算方法可参照有关文献或规范。所述的CFRP管I起到了加固材料和辅助阳极的作用，其在长期荷载、环境因素和保护电流共同作用下须具有可靠的力学性能、电化学特性和耐久性等性能，以便同时发挥组合结构和阴极防护的功能。进一步，所述混凝土内的钢筋数量至少为I个，当钢筋数大于I时，钢筋之间进行电连接(通过导线4连接)，并检测钢筋之间的电连接性，钢筋数量的个数不受限制，例如3根、4根、5根或者其他个数。本发明中，碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有轻质高强、模量大、耐腐蚀性好等优点实际上，CFRP除了人们熟知的力学性能外，由于其含有的主要成分之一一碳纤维具有良好的电化学特性，即良好的导电性及接近贵金属的电极电位，CFRP同样具有良好的电化学特性。因此，本发明利用CFRP的电化学特性形成一种新型的辅助阳极应用到钢筋混凝土结构的外加电流阴极保护领域中。进一步地，可利用CFRP的力学性能和电化学特性，形成一种同时具有钢筋保护和阴极防护的新型组合结构体系。这意味着作为结构的组成材料之一的CFRP不仅仅发挥了其在组合结构中的优势，同时将起到外加电流阴极防护系统中的辅助阳极。本发明可以在一个体系中同时实现对结构的结构加固和阴极防护的功能，由于在整个系统中采用了含有CFRP的辅助阳极，省去了阴极保防护系统中的控制系统和检测系统，显著提高了 CFRP-钢筋混凝土组合结构的性价比。本发明还提供一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构的加工方法，其包括步骤:将钢筋混凝土装置本体与 CFRP型材整体浇筑，CFRP型材设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。进一步，所述CFRP型材为混杂不同纤维或基体材料的复合材料。综上所述，本发明提供的一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法，通过CFRP材料对混凝土内钢筋施加微小的电流来实现结构阴极保护的目的，从而主动干预了海砂混凝土内的钢筋腐蚀，并且，本发明利用CFRP材料的结构加固和阴极保护的双重功能，将其应用于钢筋混凝土装置当中，即使在混凝土材料内部富含腐蚀介质或外部环境恶劣的情况下，钢筋也能得到足够的保护，并且该装置采用能输出足够大小的恒定直流电源，省去了常规的检测和控制系统，简化了阴极防护装置，提高了结构的性价比。同时，本发明还将CFRP、混凝土与钢筋直接浇筑为一个整体，省去了阴极保护结构本体安装的工序，提高了施工效率。应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构的加工方法，其特征在于，包括步骤: 将钢筋混凝土装置本体与CFRP型材整体浇筑，CFRP型材设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。
2.根据权利要求1所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构的加工方法，其特征在于，所述CFRP型材为混杂不同纤维或基体材料的复合材料。
3.一种自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，其包括设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面的CFRP型材； 并且，钢筋混凝土装置本体与CFRP型材整体浇筑，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。
4.根据权利要求3所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，所述钢筋混凝土装置本体中设置有多根钢筋，并且，多根钢筋之间电性连接。
5.根据权利要求3所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，所述外部电源为直流电源。
6.根据权利要求3所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，所述钢筋混凝土装置本体为圆柱形或者矩形结构。
7.根据权利要求6所述的自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，所述钢筋混凝土装置本体为圆柱形结构，所述钢筋设置有多根，并环绕设置在钢筋混凝土装置本体的四周，相邻钢筋之间电性连接。
8.根据权利要求6所述的自动 阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构，其特征在于，所述CFRP型材为CFRP管。
全文摘要
本发明公开自动阴极防护的CFRP-钢筋混凝土组合结构及方法，其中，所述方法包括步骤将钢筋混凝土装置本体与CFRP型材整体浇筑，CFRP型材设置在钢筋混凝土装置本体的加固区域表面，在钢筋混凝土装置本体的至少一根钢筋与CFRP型材之间连接用于对钢筋施加电流的外部电源。本发明中，组合结构本体钢筋混凝土与CFRP型材整体浇筑，在钢筋混凝土体的至少一根钢筋与CFRP型材材通过混凝土之间相连，并且采用了只能输出恒定电流或电压的直流电源，提高了结构的耐久性和性价比。
文档编号C23F13/06GK103205756SQ20131013124
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者朱继华, 邢锋, 韩宁旭, 刘伟, 王卫仑, 朱淼长 申请人:深圳大学