有电化学萃取氯离子功能的CFRP加固锈蚀钢筋混凝土柱的研究

To fully utilize the strong adhesion, good electrical conductivity, and permeability of magnesium phosphate cement (MPC) and the excellent electrical conductivity and permeability of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP), MPC is used as the binder to replace commercial epoxy resin in the preparation of MPC-CFRP composite. This composite function as both an electrochemical chloride extraction anode and a reinforcing layer, and this CFRP structure also have the dual functions. The electrochemical mechanism and its factors of extracted chloride ions in MPC-CFRP-corroded reinforcing concrete were investigated. The reinforcement mechanism and hysteretic constitutive relation of MPC-CFRP reinforced corroded reinforcing concrete before and after extraction of chloride ions were studied. The seismic resilience model for MPC-CFRP reinforced corroded concrete column after extraction of chloride ions was built.

利用磷酸镁水泥（MPC）的强粘结性、良好导电性及渗透性等优点作为基体胶粘剂、替代传统环氧树脂等材料，粘接导电性和渗透性优异的碳纤维布形成MPC-CFRP复合材料，该复合材料即作为氯离子萃取阳极又作为加固层，形成具有电化学萃取氯离子和补强加固双重功能的MPC-CFRP结构。探明MPC-CFRP萃取锈蚀钢筋混凝土中氯离子的电化学反应机制及其影响因素，研究氯离子萃取前后的MPC-CFRP加固锈蚀混凝土柱的约束机理和滞回本构关系，建立评价氯离子萃取后MPC-CFRP加固锈蚀混凝土柱抗震能力的恢复力模型。

氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀会造成钢筋混凝土结构性能失效。因此，对已被氯盐污染的钢筋混凝土进行电化学除氯和修补加固具有重要的理论价值和实际工程意义。课题对磷酸镁水泥（MPC）材料改性、MPC-CFRP阳极参数设计、MPC-CFRP加固锈蚀钢筋混凝土的结构和抗震性能进行探索研究，研究内容和结果如下：（1）MPC基础性能研究：应用分子动力学方法解释了MPC初始水化过程中MgO吸附水分子的机理。基于XRD、SEM-EDS、纳米压痕和X-CT得到了MPC组分、各物相弹性模量、断裂能和空间分布特征。结合均匀化方法和有限元模型校正得到了MPC改良抗压本构关系。结合MPC梁三维细观结构模型和内聚力模型，得到了MPC梁在三点弯曲下的断裂演化过程，校正了MKP与MgO界面内聚力单元的断裂参数。（2）MPC材料改性研究：基于相变吸热与离子竞争吸附理论，阐明了相变材料对MPC凝结时间的调控机理。提出了采用CNT提升MPC导电性的方法，揭示了CNT与MPC水化产物之间的相互作用机理。研究了改性MPC在碱性环境中性能的变化规律，分析了其耐碱性机理，确定了以MPC-CFRP为阳极材料除氯时电解液的最佳pH值。（3）MPC-CFRP阳极参数设计研究：全面分析电化学除氯对钢筋混凝土微观结构及宏观力学性能的影响，基于功效系数多指标分析法建立了除氯效率、界面粘结强度保持度和轴压强度保持度的综合评判指标，揭示了电化学除氯引起钢筋混凝土柱力学性能的劣化机理。（4）MPC-CFRP加固锈蚀钢筋混凝土的结构性能研究：MPC-CFRP除氯-加固后的混凝土构件的抗弯性能、轴压性能及承载力均得到一定程度的提高。探明了电化学除氯后混凝土中氯离子的分布规律、除氯过程中钢筋腐蚀电流及腐蚀电位的变化规律，表明MPC-CFRP阳极电化学除氯的效果良好。（5）MPC-CFRP加固锈蚀混凝土柱的抗震性能研究：以MPC-CFRP作为萃取阳极，发现可显著降低混凝土中氯离子浓度，得到了不同电流密度和除氯龄期下电化学除氯效果，提出了较优除氯电流密度和除氯龄期。通过拟静力试验，研究了不同除氯龄期和除氯电流密度下钢筋混凝土柱的抗震性能，得到了钢筋混凝土柱的承载力和抗震性能的变化规律，提出了保证钢筋混凝土柱抗震性能较优的除氯条件。. 课题成果为：发表论文38篇，其中SCI收录21篇，EI收录6篇。申请发明专利8项，授权5项；培养研究生7人。