[发明专利]CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料。

背景技术

世界腐蚀组织(WCO)的最新统计数据表明，全球由于腐蚀造成的经济损失超过2.2万亿美元/年。随着全球气候与环境的恶化，腐蚀问题势必呈现出日益加剧的态势，其中钢混结构腐蚀问题正引起全世界密切关注。钢混结构是现今及以后相当长的时间内仍将采用的主要结构型式之一，钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。美国国家材料顾问委员会调查表明，近253000座混凝土桥面板出现严重腐蚀现象；日本约有21.4％的钢混结构损坏是由钢筋腐蚀引起的；我国2002年底仅公路危桥就达9597座，而耗资4000万元的山东烟台汽车站，更是在建成5年后的2009年即成危楼，其中钢筋腐蚀是引起结构服役性能严重劣化的主要原因之一。近期，我国再次投入数以万亿计的资金发展基础设施建设，占据相当比例的钢混结构的耐久性问题，势必成为影响国民经济发展和社会和谐稳定的战略性课题。

鉴于腐蚀问题的严重性，全世界范围内，正在投入大量人力、物力与财力探索腐蚀控制方法。美国联邦公路管理局(FHWA)、美国腐蚀工程师协会(NACE)、欧洲腐蚀联合会(EFC)及澳大利亚腐蚀协会(ACA)等，对美国、加拿大、丹麦、挪威、瑞士、意大利、荷兰、澳大利亚、印度、日本及韩国等8600余座桥梁、1500余条隧道、160余处核废料储箱等基础结构的200余份调查报告表明，采用主动强制电流阴极保护(ICCP)系统与被动牺牲阳极阴极保护(SACP)系统，是能够显著缓解钢混结构钢筋腐蚀，进而延长结构服役寿命的最有效途径。

上述200余份调查报告也同时表明，12000余套CP系统中存在的共性问题是有效服役寿命较短(平均为10±5年)，从而使得CP系统的回报与投入比较低。造成CP失效的最主要原因包括两方面：(1)缺乏对CP作用效果进行评估的专家系统，从而导致CP系统在运营过程中未能根据结构实时服役状态进行有效调整，进而导致CP系统对结构保护不足或过度；(2)CP系统处于持续工作状态，从而导致阳极材料发生老化、失效，进而严重影响CP系统的阴极电流投放效率。NACE在其最新颁布的SP0290-2007标准中也指出，安装CP系统的服役结构所处自然环境、混凝土材料、阳极材料、钢筋腐蚀状态都具有时变特性，从而决定了CP系统要根据实际服役条件进行适时调整，以确保系统的有效性和可靠性。

综上，在吸取大量CP阳极系统失效的经验基础上，结合结构健康监测的先进理念与技术，本专利旨在提供CP阳极功能与应力感知一体化智能复合材料与结构，为提高CP腐蚀控制系统的服役寿命提供高性能阳极材料。

发明内容

本发明是一种重大钢混结构、钢结构等阴极保护(Cathodic Protection，CP)系统用的阳极复合材料。本发明的目的在于提供用于重大钢混结构与钢结构腐蚀CP控制与应力感知一体化高性能阳极结构。通过具有高导电与高韧性喷射水泥基纳米材料复合Ti条板、Ti网与碳纤维布，实现CP阳极的功能。其中，高导电性水泥基纳米复合材料具有感知阳极所在区域内结构的应变的能力，从而实现结构应力自感知的目的。

本发明的目的是这样实现的：

CP阳极功能与应力自感知一体化智能复合材料，包括Ti条板主阳极、Ti网辅阳极、水泥基纳米复合材料和碳纤维布；Ti条板主阳极与Ti网辅阳极连接，Ti网辅阳极上覆盖有水泥基纳米复合材料，水泥基纳米复合材料上铺设有碳纤维布；所述的水泥基纳米复合材料制作方法为：按质量百分含量，由5％聚丙烯酰胺、0.5％碳纤维或纳米碳纤维、15％碳黑颗粒、0.2％泵送剂、1.0％纳米SiO₂和79.3％P.O.42.5混合均匀，采用混凝土传统的泵送技术进行施工，水与水泥基纳米复合材料的重量比为0.4-0.6。

本发明还具有如下特征：

1、所述的水泥基纳米复合材料按质量百分含量，或为3％聚乙烯醇纤维、1.0％碳纳米管、10％石墨烯、0.2％泵送剂、1.0％纳米TiO₂和85.8％P.O.42.5。

2、该智能复合结构采用嵌入式四电极体系测量钢混结构应力状态。