CFRP加固钢筋混凝土柱的阴极保护机制研究

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) used for strengthening RC column is also used as an anode of cathodic protection because of their excellent electrically conductive. The aim of this design can achieve strengthening as well as protection of steel rebar. The CFRP bonded onto the RC column used conductive adhesive is used as anode. The reinforcing steel rebar is used as cathode. An external DC power is used to impress the constant required for the cathodic protection. The CFRP wrapped RC column can improve both load capacity and seismic performance. Graphite nanoPlatelets (GNPs)/epoxy adhesive composite is prepared by liquid mixing method. The electrical conductivity, mechanical properties and durability performance of GNPs/epoxy adhesive composite are investigated with a series of tests, the effect of GNPs content on electrical conductivity, mechanical properties and durability are analyzed, and optimal design is determined. Polarization resistance, charge transfer resistance and the half-cell potential of steel are reported as metrics of performance of the samples. X-ray diffraction (XRD) combined with scanning electron microscopy (SEM) is applied for microstructural analysis of corrosion products and steel/concrete interface. Mechanism of cathodic protection for CFRP wrapped around RC column is explored.

由于CFRP具有良好的导电性能和耐腐蚀性，将CFRP用于加固混凝土柱同时兼作阴极保护的阳极材料，实现补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的。其思路是采用导电性胶把CFRP粘贴到混凝土柱表面，CFRP作为阳极，钢筋作为阴极，通过外部直流电源设备给钢筋持续施加一定密度的电流从而使得在钢筋上的阳极反应降低到最小程度，抑制钢筋的锈蚀；同时，CFRP约束作用能显著提高柱承载力和抗震性能，充分发挥CFRP的优点。本项目采用溶液共混法将纳米石墨片添加到聚合物基体中制备导电胶粘剂，系统研究不同纳米石墨片掺量对导电胶导电性能、力学性能、粘接性能和耐久性能的影响规律；确定能满足加固和阴极保护用导电胶的合理配比。在此基础上，研究采用导电胶粘贴CFRP加固混凝土柱的阴极保护特性，分析极化电阻、电荷转移电阻等参数的变化规律，钢筋表面锈蚀产物的物相组成和钢筋/混凝土界面形貌，揭示CFRP加固混凝土柱的阴极保护机制。

由于CFRP具有良好的导电性能和耐腐蚀性，将CFRP用于加固混凝土柱同时兼作阴极保护的阳极材料，实现补强加固和阻止钢筋锈蚀的双重目的。其思路是采用导电性胶把CFRP粘贴到混凝土柱表面，CFRP作为阳极，钢筋作为阴极，通过外部直流电源设备给钢筋持续施加一定密度的电流从而使得在钢筋上的阳极反应降低到最小程度，抑制钢筋的锈蚀；同时，CFRP约束作用能显著提高柱承载力和抗震性能，充分发挥CFRP的优点。.本项目采用原位聚合法将超导电炭黑添加到环氧树脂基体中制备兼具高强度和优异导电性能的导电胶粘剂，系统地研究了不同超导电炭黑掺量对导电胶粘剂的导电性能、力学性能、粘接性能和耐久性能的影响规律。结果表明炭黑/环氧树脂的渗流阈值为4%，考虑到长期阴极保护作用下对导电胶的影响，最终确定炭黑掺量为7%，体积电阻率达到4.90×102Ω·m，炭黑/环氧树脂/碳纤维布复合材料的抗拉强度达到3147MPa。确定能同时满足工程加固和阴极保护用导电胶的合理配比。在此基础上，研究采用导电胶粘贴CFRP加固混凝土柱的阴极保护特性，通过分析其半电池电位、腐蚀电流密度、噪声电阻、电荷转移电阻等电化学参数的变化规律、钢筋表面锈蚀产物的物相组成和钢筋/混凝土界面形貌，结果表明本项目的提出的阴极保护法能够显著降低钢筋的腐蚀速率，降低幅度可以达到51.8%，其腐蚀电流能量密度图和微观损伤分析显示该阴极保护法对钢筋表面的均匀腐蚀和孔蚀现象均有显著改善，揭示CFRP加固混凝土柱的阴极保护机制。.本项目首次将工程结构加固和阴极保护技术相结合，不仅发挥了现有的碳纤维布加固混凝土技术优点，实现混凝土结构的补强加固；同时充分利用了碳纤维布导电性好、电极电位高的电化学特性，在不需要额外阳极材料的情况下，有效防止钢筋锈蚀，节约成本，简化施工。