一种热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系的制作方法

本实用新型涉及一种热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系，属于阴极保护及传感检测技术领域。

背景技术：

随着我国工业2.0、3.0、4.0并联式迅猛发展，各地热电结构诸如热电烟囱、冷却塔、蓄水池等的数量和容量呈几何倍数增长。然而，相应热电结构所处喷淋湿热交替及盐雾侵蚀环境会使其腐蚀劣化比普通结构都严重得多，其防护表层亦易劣化剥离。耐候钢或树脂钢筋法、掺阻锈剂法、涂覆涂层法、牺牲阳极法等传统结构防腐蚀方法均难以从根本上解决其结构钢筋腐蚀，更别提对相应防护层结垢劣化、开裂剥落进行有效而及时的预警。

阴极保护法是一种向被腐蚀钢筋表面施加一个外加电流，钢筋成为阴极，从而使得钢筋腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱钢筋腐蚀反应的方法。阴极保护法主要有两种：牺牲阳极法、外加电流阴极保护法。中国专利号“ZL201210241970.1”组合Ti条板主阳极、Ti网辅阳极、水泥基纳米复合材料及碳纤维布，形成阴极保护阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，这种阳极及自感知一体化智能砂浆一方面能显著延长阳极材料的服役寿命，一方面具有较高的电导率，提升阴极保护电流效率，再一方面还能实时监测钢混结构关键区域的应力分布状态。然而这仍属于牺牲阳极法，无法克服保护电流小、阳极材料寿命较短、施工难度大等缺陷。而外加电流阴极保护法在实际构造、运用和维护过程中也面临以下主要问题：难以为热电结构提供稳定的电源(尤其是偏远地区的热电结构)，系统构造复杂，通电会增大结构不安全因素等，显然需要进一步发展自带电源的阴极保护技术。

水泥基砂浆由于与混凝土基热电结构主体具有天然相容性、低成本以及长效耐腐蚀性能而得到持续关注。若能进一步将热电组分引入热电结构防护砂浆层体系，利用热能激发热电砂浆内部载流子的定向运动效应，而将其两侧的温差热能转化为电能，形成自带电源的结构阴极保护体系将具有重要意义。为此，中国专利公开号“CN106082858A”、“CN106082730A”、“CN107188485A”、“CN107188485A”分别公开了一种氧化锰复合水泥基热电材料及其制备方法、一种氧化锌复合水泥基热电材料及其制备方法、一种氧化亚铜复合水泥基热电材料及其制备方法，尝试发展一种具有高热电系数(热电系数最高达1500μv/℃)的热电砂浆，并尝试搭建了一种基于热电砂浆温差发电的海洋结构腐蚀自免疫系统。中国专利号200810034933、201110461097分别提供了一种微波液相加热法、共沉淀还原法制备纳米碲化铋(Bi2Te3)热电材料的方法。中国专利号200910272447、公开号CN1594623A分别报道了用高能球磨法结合放电等离子烧结制备纳米方钴矿化合物热电材料的方法。

然而，一方面，由于上述热电组分二氧化锰、氧化锌、氧化亚铜、碲化铋、方钴矿化合物虽然热电系数高，但其内阻高，在热电结构内外侧持续温度差作用下产生的温差电流有限，常难以满足热电结构腐蚀自免疫阴极保护电源的要求，需要同步引入导电组分降低其电阻率；一方面，上述热电组分具有较高的氧化能力，会妨碍砂浆水泥水化，对砂浆最终硬化强度有一定影响，需要更换胶凝材料、掺加纤维或超细掺合料来增韧补强，进而保障热电砂浆对热电结构的本征防护功能；再一方面，无法对相应防护层结垢劣化、开裂剥落进行有效而及时的预警。

技术实现要素：

本实用新型专利为克服上述缺陷，提供一种热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系，将热电砂浆喷涂于热电结构表面充当防护层，利用热电结构内外层存在温差实现发电，进而构建自带电源钢筋阴极保护体系；同时利用热电砂浆层的力-电智能感知特性构建自身劣化自监测及自预警体系。

本实用新型采用如下技术方案：

一种热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系，包括依次设置的热电结构、网状底电极、钛网阳极和碳纤维布顶电极，所述网状底电极铺设于热电结构混凝土基面表层，网状底电极和钛网阳极之间以及钛网阳极和碳纤维布顶电极之间分别夹设有热电砂浆层，所述碳纤维布顶电极表层依次设有防水面涂层和信号标志涂层。

进一步地，所述热电砂浆层中局部凹凸部位用水泥基渗透结晶材料修补抹平。

进一步地，所述网状底电极为40-180目、厚度2-5mm的网状不锈钢底电极。

进一步地，所述网状底电极和钛网阳极之间的热电砂浆层的厚度为5-10mm。

进一步地，所述钛网阳极为40-200目、厚度1-2mm的编织集流网型钛网阳电极。

进一步地，所述钛网阳极和碳纤维布顶电极之间的热电砂浆层的厚度为15-50mm。

进一步地，所述碳纤维布顶电极的厚度为0.111或0.167。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优异技术效果：

本申请将热电砂浆层“三位一体”充当热电结构热电模块层、韧性防护层及力电智能感知层，同步解决采用外加电流阴极保护技术保护大体积、高耸弧形热电结构时所存在的难以安装电源，通电会增大结构不安全因素技术，砂浆本征增韧补强技术以及自身所受应力/应变、裂缝损伤无法及时感知技术等综合难题；最终发展结构钢筋腐蚀自免疫与防护层劣化自诊断体系，全面提升热电结构服役寿命。

附图说明

图1为本实用新型结构的剖面示意图；

图中所示附图标记为：1、热电结构混凝土基面；2、网状底电极；3、钛网阳极；4、热电砂浆层；5、碳纤维布顶电极；6、防水面涂层；7、信号标志涂层；8、水泥基渗透结晶材料。

具体实施方式

实施例

如图1所示，一种热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系，包括依次设置的热电结构、网状底电极2、钛网阳极3和碳纤维布顶电极5，所述网状底电极2铺设于热电结构混凝土基面1表层，网状底电极2和钛网阳极3之间以及钛网阳极3和碳纤维布顶电极5之间分别夹设有纳米改性热电砂浆层4，所述碳纤维布顶电极5表层依次设有防水面涂层6和信号标志涂层7。所述纳米改性热电砂浆层4中局部凹凸部位用水泥基渗透结晶材料8修补抹平。

所述纳米改性热电砂浆层4用作热电模块电源时，将与热电结构混凝土基面1中钢筋网、钛网阳极3及碳纤维布顶电极5相连，所述纳米改性热电砂浆层4用作劣化自监测传感层时，与网状底电极2及碳纤维布顶电极5相连，并用航空插头接入分布式监测节点(若有必要接入无线数据传输通信设备)，所述水泥基渗透结晶材料8、防水面涂层6、信号标志涂层7可用本领域专业技术人员所熟知的技术配制，并进行专业修补或涂覆。

所述热电结构用智能阴极防护与劣化自监测体系构建步骤如下：

首先称取水用量的30％，将甲基纤维素分散于其中，同时用玻璃棒搅拌，溶液静置20min左右后，将碳纤维加入溶液中并不断搅拌，将剩下的70％的水加入搅拌锅中，再依次加入硅灰、水泥和标准砂，然后将分散有碳纤维的溶液加入并搅拌，搅拌3min左右，即得热电砂浆浆料。

当需要进行热电结构阴极保护和防护层损伤自监测时，预先在热电结构表层放置40-180目、厚度2-5mm的网状底不锈钢底电极，浇筑5-10mm厚的搅匀的热电砂浆浆料，压入40-200目、厚度1-2mm的编织集流网型钛网阳电极，再浇筑15-50mm厚的热电砂浆浆料，压实成型；对局部凹凸部位用本领域技术人员所熟知的水泥基渗透结晶材料层进行修补抹平，终凝之前再铺设厚度为0.111mm或0.167mm的PAN基碳纤维布顶电极；压实成型之后还包括以下步骤：覆盖塑料薄膜，并在室温、密封环境中放置7小时后脱模，并养护固化至7d龄期。

对于用作热电模块电源的热电砂浆层，直接连接热电结构钢筋网、钛网阳极及碳纤维布顶电极，结合结构内外温差下热电系数、电动势等热电参数高低评价其温差发电效率，并通过电化学工作站对结构钢筋腐蚀自免疫运行机理及运行效率进行评估。

对于局部区域，需要发展其力电传感效应的热电砂浆层，用航空插头将纳米改性热电砂浆层的网状底电极及碳纤维布顶电极分别接入涵盖微处理器、总线接口、通信接口、数据采集板的分布式监测节点，通过不同外力/应变下砂浆层电学性能参数变化规律评价其灵敏度及稳定度；并在碳纤布顶电极面用导电银浆粘贴天线基片及平面天线，然后接入涵盖矢量分析仪、模数转换器及解调器的无线数据传输通信设备，实现无线数据的通信传输；之后在热电砂浆层四周依次涂覆防水面层及信号标志层，共同形成密实封装层。

结合恒温水槽温差体系，将热电砂浆串联成热电模块，并将最终的正负极采用航空插头分别连接含3.5％NaCl混凝土腐蚀液的钢筋工作电极及钛网阳极，用电化学工作站测试并计算去极化电位的衰减值、极化电阻稳定值、腐蚀电流密度分别为512mV、159.8kΩ·cm、0.63μA/cm²；基于该热电模块温差发电系统能引起钢筋电位产生较大的负移、极化电阻较大，腐蚀电流较低，均表明能够对钢筋阴极起到很好的保护效果。

在液压伺服实验机下，采用航空插头连接的分布式监测节点，并结合本领域技术人员所熟知噪声信号剔除技术，获得该热电砂浆传感层在结构频遇循环荷载范围内(0-30MPa)该传感层的10kHz频率下交流阻抗、交流电容变化率分别为35.3％、17.6％，相应传感层对应力/应变感知线性度分别为2.71％、3.08％；显然可通过传感层自身劣化开裂时其电学参数突变而实现在线感知与预警。