一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法与流程

本发明涉及钢筋混凝土结构领域，尤其涉及一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法。

背景技术：

近十几年来，我国重大基础设施以前所未有的规模高速发展。然而，许多地区面临着基础资源匮乏的难题，天然河砂资源短缺，无法满足我国建筑规模扩大所需建筑用砂的要求。海砂作为我国一种相对丰富的资源,应该合理、科学地考虑海水和海沙的资源化利用。自20世纪90年代中后期开始大量出现，随着沿海经济的快速发展和城市化建设的不断推进，建设用海砂量急剧推升。然而海砂中含有高浓度氯离子，会导致钢筋腐蚀，结构劣化等一系列问题，影响基础设施建设的发展和人民人身财产的安全，成为沿海地区热点社会问题之一。

由于阴极保护可以减低钢筋表面氯离子浓度，因此如在结构体系中及时引入阴极保护，不仅可以保证结构力学和耐久性能，同时还可考虑放宽对混凝土原材料氯离子含量的要求。显然，该方法对于内部含有高浓度氯离子的混凝土结构（如海砂混凝土）具有独特的优势，不仅提高了混凝土结构的安全性和耐久性，同时降低了对建筑原材料（海砂）净化处理的要求和材料成本。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法，所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，自带阴极保护功能，提高了混凝土结构的安全性和耐久性，同时降低了对建筑原材料净化处理的要求和材料成本。

本发明的技术方案如下：

一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，包括：由免拆模板组成的模板结构，浇筑在模板结构内的混凝土，埋置在混凝土内的多根钢筋，及用于对钢筋施加恒定大小的电流的外部电源；

所述免拆模板由多层间隔设置的纤维材料层和具有导电功能的胶凝材料层构成；其中，至少一层所述纤维材料层由碳纤维增强复合材料构成；所述免拆模板的上下两端为所述胶凝材料层，每层所述纤维材料层均包裹在相邻的两层所述胶凝材料层之间；

所述多根钢筋之间电性连接；所述钢筋、混凝土、免拆模板、外部电源依次电性连接。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，其中，所述胶凝材料层由胶凝材料构成，所述胶凝材料按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，其中，所述纤维材料层为纤维布、纤维网格布或纤维板中的其中一种。

一种如上所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，包括步骤：

A、制备免拆模板；

B、以免拆模板形成模板结构；

C、在模板结构内扎好钢筋，将钢筋之间进行电性连接，然后浇筑混凝土；

D、连接外部电源，使钢筋、混凝土、免拆模板、外部电源依次电性连接，得到所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤A具体包括：

A1、配制具有导电功能的胶凝材料；

A2、在清洁后的免拆模板的模具底部浇筑胶凝材料，形成第一层胶凝材料层；在第一层胶凝材料层之上铺设纤维材料，形成第一层纤维材料层；在第一层纤维材料层上浇筑胶凝材料，形成第二层胶凝材料层；在第二层胶凝材料层上铺设纤维材料，形成第二层纤维材料层；依次类推，在最后一层纤维材料层上浇筑胶凝材料，形成最后一层胶凝材料层，然后沿模刮平，形成板胚；其中，至少一层所述纤维材料层由碳纤维增强复合材料构成；

A3、在板胚上盖上模具顶板，进行预压成型，形成板材；对板材进行固化养护，使板材固化为模板；

A4、脱模，取出模板，然后继续常温养护一段时间后，制得免拆模板。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤A1中，所述胶凝材料层由胶凝材料构成，所述胶凝材料按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤A3中，进行预压成型的预压压力为4~10KN，预压时间为1~3h。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤A3中，对板材进行固化养护的温度为20~25℃，养护时间为46~50h。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤A4中，常温养护的时间为5~10天。

所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，其中，所述步骤C还包括：在浇筑混凝土之前，检测并确保模板结构内钢筋的电连接良好；在浇筑混凝土之后，对浇筑后的混凝土进行养护。

有益效果：本发明提供了一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法，所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，在建造阶段就直接浇筑成一个整体，自身具有阴极保护功能，省去了阴极保护体系安装的劳动，提高了混凝土结构的安全性和耐久性，能应用在混凝土材料内部富含腐蚀介质或外部环境恶劣的情况，降低了对建筑原材料净化处理的要求和材料成本。

附图说明

图1是本发明纤维复合材料多功能免拆模板较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构示意图。

图3是本发明所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法流程图。

图4是本发明纤维复合材料多功能免拆模板的制备方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法，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。

本发明提供一种纤维复合材料多功能免拆模板，其中，所述纤维复合材料多功能免拆模板由多层间隔设置的纤维材料层和具有导电功能的胶凝材料层构成；其中，至少一层所述纤维材料层由碳纤维增强复合材料构成；所述纤维复合材料多功能免拆模板的上下两端为所述胶凝材料层，每层所述纤维材料层均包裹在相邻的两层所述胶凝材料层之间。

本发明所述纤维材料层由纤维材料构成，所述纤维材料包括碳纤维材料和玻璃纤维材料。例如，可以为纤维增强复合材料（FRP，Fiber Reinforced Polymer/Plastic）或者碳纤维增强复合材料（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic）。

本发明所述纤维材料的类型为纤维布、纤维网格布或纤维板。也就是说，本发明所述纤维材料层为纤维布、纤维网格布或纤维板中的其中一种。例如FRP布、FRP网格布或FRP板。而本发明所述碳纤维增强复合材料的具体形式也可以为碳纤维布（CFRP布）、碳纤维网格布（CFRP网格布）或碳纤维板（CFRP板）。

本发明所述纤维复合材料多功能免拆模板，也即是是一种采用CFRP材料为主体的、导电胶凝材料为载体的多功能复合免拆模板。其可以同时作为阴极保护体系中的辅助阳极以及结构加固板材，同时满足防止钢筋锈蚀和结构加固两大功效，其作为钢筋混凝土建筑的永久免拆模板，可以为结构提供长期阴极保护，对结构的钢筋腐蚀进行主动干预。

本发明较佳实施例的纤维复合材料多功能免拆模板，如图1所示，所述具有导电功能的胶凝材料层设置有3层，分别为第一层胶凝材料层11、第二层胶凝材料层13、第三层胶凝材料层15，所述纤维材料层设置有2层，分别为第一层纤维材料层12、第二层纤维材料层14；第一层胶凝材料层11和第三层胶凝材料层15设置在纤维复合材料多功能免拆模板的上下两端，第一层纤维材料层12包裹在其相邻的第一层胶凝材料层11和第二层胶凝材料层13之间，第二层纤维材料层14包裹在其相邻的第二层胶凝材料层13和第三层胶凝材料层15之间；其中，第一层纤维材料层12和第二层纤维材料层14均由碳纤维增强复合材料构成，例如均为CFRP布。

进一步的，所述胶凝材料层由胶凝材料构成，所述胶凝材料为水泥基无机胶凝材料，按重量份计，所述胶凝材料包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。

优选的，所述胶凝材料层的厚度为0.5mm~10mm，更优选为2mm~4mm，例如厚度为3mm。

本发明纤维复合材料多功能免拆模板（免拆模板），用于作为钢筋混凝土结构建造过程中的模板，免于拆卸，并能够构成阴极保护系统，保护埋置在混凝土中的钢筋，其是一种结合阴极保护和结构加固双重功效的永久性免拆模板，能在建筑工程施工中，既解决钢筋锈蚀的问题，又可以代替木制临时模板使用，为社会节约资源，保护环境，减少模板成本，加快施工速度。

需要说明的是，以上所述阴极保护也即是外加电流阴极保护技术，其是基于PH-电位图原理提出来的，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。辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分。所述阴极保护的原理为公知常识，此处不再赘述。

本发明纤维复合材料多功能免拆模板，在建造钢筋混凝土结构时，可以替代传统木制或钢制模板，并且不用拆卸，具体使用时，可以利用所述纤维复合材料多功能免拆模板，建造成带阴极防护功能的新型纤维复合材料多功能免拆模板-钢筋-混凝土组合结构体系，由于该结构体系从一开始就可以通入阴极防护电流，对结构的钢筋腐蚀进行主动干预，使钢筋极化并从混凝土钢筋表面向外赶走有害的腐蚀介质，如氯离子等，从而达到防护钢筋的目的。

本发明实施例还提供一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，即带阴极防护功能的新型纤维复合材料多功能免拆模板-钢筋-混凝土组合结构，如图2所示，所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构包括：免拆模板1组成的模板结构，浇筑在模板结构内的混凝土2，埋置在混凝土2内的多根钢筋3，及用于对钢筋3施加恒定大小的电流的外部电源4。其中，所述多根钢筋3之间电性连接；所述钢筋3、混凝土2、免拆模板1、外部电源4依次电性连接。

为了达到阴极防护的目的，本发明钢筋3-混凝土2-免拆模板1结构体系应形成完整的电通路而能顺利地传递阴极保护电流。因此，本发明实施例中，所述外部电源4连接于钢筋3和免拆模板1内的纤维材料层之间，使钢筋3、外部电源4、纤维材料层形成回路，构成阴极防护系统。其中，由CFRP材料构成的纤维材料层为阴极防护系统的阳极，钢筋为阴极防护系统的阴极。所述的纤维复合材料多功能免拆模板，在本发明自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构中，起到了组合结构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，具有可靠的力学性能、电化学特性和耐久性等，能支撑新型结构体系同时发挥结构性能增强和阴极防护的功能。

由于利用了纤维复合材料多功能免拆模板的力学性能和电化学特性，使得纤维复合材料多功能免拆模板在新型结构体系中，充当了组合结构材料和辅助阳极的双重角色，这样将结构性能增强和阴极防护两种功能有效地整合在一个体系中。该体系在传统组合结构的基础增加了一个阴极防护系统，这样不仅沿袭了组合结构的优点，同时又获得了结构的阴极防护。

优选的，还可以在图2所示的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构中增加控制装置和检测装置，所述控制装置串联在以上形成的回路中，用于对回路中的电流大小进行控制；而所述检测装置连接在钢筋和混凝土之间，用于对钢筋的腐蚀状况进行检测。

在图2所示的钢筋混凝土结构中，纤维复合材料多功能免拆模板，其内部存在的CFRP布，作为联系结构加固和阴极保护两大体系的纽带，既作为结构加固材料又起到了辅助阳极的作用，而具有导电功能的胶凝材料能够传递保护电流，从而能够使钢筋混凝土主体结构从开始建造就得到较好的保护。

本发明所述CFRP材料不仅具备良好的力学性能，而且作为主要成分的CFRP材料导电性良好，电极电位接近贵金属的电化学特性。在本发明中，CFRP材料一方面用作加固材料与结构工程共同受力，提高结构的力学性能；另一方面作为辅助阳极对结构施以外加电流阴极保护从而保护结构。

本发明纤维复合材料多功能免拆模板，能够在一个体系中实现结构加固和阴极保护的有机结合，达到了标本兼治的效果。相较于传统木制或钢制模板，这种纤维复合板强度高，耐腐蚀，导电性好，耐久性能好。在施工过程中采用该发明中的免拆模板，可以使主体结构从一开始就得到较好的保护，避免后期修复所需要的高额经济成本。

本发明所述的纤维复合材料多功能免拆模板-钢筋-混凝土组合结构体系，将免拆模板1，钢筋2和混凝土3在施工阶段同时浇筑成一个整体。

具体的，本发明实施例提供一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构的建造方法，如图3所示，包括步骤：

S100、制备免拆模板；

S200、以免拆模板（纤维复合材料多功能免拆模板）形成模板结构；

S300、在模板结构内扎好钢筋，将钢筋之间进行电性连接，然后浇筑混凝土；

S400、连接外部电源，使钢筋、混凝土、免拆模板、外部电源依次电性连接，使结构整体通电，以使钢筋和免拆模板之间形成电流回路，即得到所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构。

进一步的，所述步骤S300还包括：在浇筑混凝土之前，检测并确保模板结构内钢筋的电连接良好；在浇筑混凝土之后，对浇筑后的混凝土进行养护。

本发明所述的自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，可以为各种形状结构，不仅仅限于梁式结构，还可为各种有保护需要的钢筋混凝土结构形状，如圆形构件等。

本发明所提供的一种带阴极防护功能的纤维复合材料多功能免拆模板-钢筋-混凝土组合结构体系，基于纤维复合材料多功能免拆模板优异的力学性能、电化学特性和可设计等优点，利用纤维复合材料多功能免拆模板兼作组合结构材料和辅助阳极的双重用途，从而将结构性能增强和阴极防护两种功能整合一个新型组合结构体系。该结构体系不仅沿袭了纤维增强复合材料-混凝土组合结构的优点，而且能通过CFRP材料对混凝土内钢筋施加微小的电流，实现了结构阴极防护的目的。该结构体系能应用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，结构的钢筋仍能得到足够的保护，如具有代表性的海砂混凝土。而且，组合结构中发挥双重用途的免拆模板在施工阶段就与混凝土直接浇筑成一个整体，省去了阴极保护体系安装的劳动。

本发明不仅为建筑工程领域提供一种新型混凝土耐久性保障策略，同时提供一种安全且经济的海砂混凝土应用技术，具有广泛的工程应用前景和重大的社会意义。

本发明实施例还提供一种如以上所述的纤维复合材料多功能免拆模板（免拆模板）的制备方法，如图4所示，包括步骤：

S110、配制具有导电功能的胶凝材料。所述胶凝材料用于粘贴包裹CFRP材料。

其中，所述步骤S110中，所述胶凝材料层由胶凝材料构成，按重量份计，所述胶凝材料包括以下组分：水泥1份、水0.3~0.7份、硅粉0.1~0.3份、高分子聚合物0.1~0.5份、塑化剂0.004~0.01份、减水剂0.002~0.030份和碳纤维丝0.005~0.03份。其中，高分子聚合物可以为可再分散粉或丁苯乳胶。

例如，优选的，所述胶凝材料按重量份计，包括以下组分：水泥1份、水0.5份、硅粉0.1份、可再分散粉0.3份、塑化剂0.008份、减水剂0.005份和碳纤维丝0.015份，其中，碳纤维丝为2mm长的碳纤维丝。将以上组分经过机器混合搅拌后，制备得到的水泥基无机胶凝材料，抗压强度可以达到50MPa，抗折强度可达到8MPa，导电率低于0.1S/m。

S120、在清洁后的免拆模板的模具底部浇筑胶凝材料，形成第一层胶凝材料层；在第一层胶凝材料层之上铺设纤维材料，形成第一层纤维材料层；在第一层纤维材料层上浇筑胶凝材料，形成第二层胶凝材料层；在第二层胶凝材料层上铺设纤维材料，形成第二层纤维材料层；依次类推，在最后一层纤维材料层上浇筑胶凝材料，形成最后一层胶凝材料层，然后沿模刮平，形成板胚；其中，至少一层所述纤维材料层由碳纤维增强复合材料构成。

例如，在制备如图1所述的纤维复合材料多功能免拆模板时，在清洁后的免拆模板的模具底部浇筑胶凝材料，形成第一层胶凝材料层11；在第一层胶凝材料层11之上铺设碳纤维布（CFRP布），形成第一层纤维材料层12；在第一层纤维材料层12上浇筑胶凝材料，形成第二层胶凝材料层13；在第二层胶凝材料层13上铺设碳纤维布，形成第二层纤维材料层14；在第二层纤维材料层14上浇筑胶凝材料，形成第三层胶凝材料层15，然后沿模刮平，形成板胚。

S130、在板胚上盖上模具顶板，进行预压成型，形成板材；对板材进行固化养护（锁膜养护），使板材固化为模板。

其中，所述步骤S130还包括模具的准备：准备免拆模板的模具，清洗模具，保证清洁。

S140、脱模，取出模板，然后继续常温养护一段时间后，得到所述纤维复合材料多功能免拆模板。

进一步的，所述步骤S130中，进行预压成型的预压压力为4~10KN。优选的预压压力为5KN。

进一步的，所述步骤S130中，进行预压成型的预压时间为1~3h。优选的预压时间为2h。

进一步的，所述步骤S130中，对板材进行固化养护的温度为20~25℃。

进一步的，所述步骤S130中，对板材进行固化养护的时间为46~50h，例如48h。

进一步的，所述步骤S140中，常温养护的时间为5~10天。优选的常温养护的时间为7天。

本发明所提供的纤维复合材料多功能免拆模板，由于采用了可以作为辅助阳极材料以及结构加固的CFRP材料作为主体，选用了导电性能良好的胶凝材料作为粘接剂，该永久免拆模板可以为钢筋混凝土结构从建成初期开始进行阴极保护，从根本上避免钢筋腐蚀所导致的结构劣化。

另外，在充分考虑组合结构设计和阴极保护要求的前提下，可根据构件的截面类型及实施部位，工作环境，施工操作等因素，选用不同种类、截面型式的CFRP型材，灵活设计纤维复合材料多功能免拆模板的截面型式，选择导电功能的胶凝材料层和纤维材料层的设置层数，及制作不同厚度的模板，以适用不同类型结构的不同部位使用。

本发明所述的纤维复合材料多功能免拆模板，由多层碳纤维布、水泥基无机胶凝材料组成，达到了建筑模板的要求，其结构简单，工艺简便，质量稳定，实用性强，施用方便，推广应用前景好，并具有显著的经济效益和社会效益。

综上所述，本发明提供了一种自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构及其建造方法，所述自带阴极防护功能的钢筋混凝土结构，在建造阶段就直接浇筑成一个整体，自身具有阴极保护功能，省去了阴极保护体系安装的劳动，提高了混凝土结构的安全性和耐久性，能应用在混凝土材料内部富含腐蚀介质或外部环境恶劣的情况，降低了对建筑原材料净化处理的要求和材料成本。

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。