钢筋混凝土结构强制电流阴极腐蚀控制系统-建筑与土木工程专业论文.docxVIP

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 万方数据 万方数据 摘 要 钢筋腐蚀是降低钢筋混凝土结构耐久性的主要原因，阴极保护（Cathodic Protection,CP）是迄今能够直接阻止钢混结构腐蚀的唯一有效途径。确保强制 电流阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection，ICCP）系统精确可靠的 核心问题在于高效耐久阳极材料的研制和 ICCP 系统电场投放精确的模拟。本 文采用理论研究、数值模拟与试验验证相结合，制备了多尺度碳/水泥复合阳 极材料，并对 ICCP 的电场投放进行了系统研究。 首先，分析了单掺碳纤维、纳米碳黑、碳纳米管水泥复合材料的导电性能， 根据其导电机理，结合经济性和可施工性，进而制备了多尺度碳/水泥复合阳 极材料。通过加速极化试验对多尺度碳/水泥复合阳极材料的抗极化性进行研 究，并采用 SEM、EDS 等对阳极材料的极化机理进行了分析。结果表明，阳 极材料的极化过程包括三个阶段，前两个阶段分别由于水泥基体含水率的升高、 阳极材料内部反电场的形成致使阳极材料的极化电位缓慢上升，第三阶段则由 于碳纤维被氧化导致试件极化电位骤升，前两个阶段的稳定期为阳极材料的有 效服役期。此外，在极化过程中多尺度碳/水泥复合阳极材料对侵蚀离子 Cl-具 有抗干扰性。结合极化性能，确定多尺度碳/水泥复合阳极材料的理想配比为 CF03CNT15CB2，该掺量的阳极材料在 1200mA/m2 极化电流和 PH 值为 13.5 的极端环境下，其稳定期可达 200h 以上。 其次，通过对 ICCP 系统投放电场 Laplace 方程和 COMSOL 的腐蚀模块二 次电流接口原理的分析，建立了 ICCP 系统电场投放的 COMSOL 数值模拟方 法。将实测的阳极极化曲线和复杂腐蚀状态下的阴极极化曲线加载在电极反应 界面，采用自由四面体剖分网格，利用 COMSOL 稳态求解器，建立了 ICCP 电场投放的数值计算模型。运用 COMSOL 后处理程序，对钢筋表面电位和电 流密度、混凝土的电场分布进行了分析。结果表明，临近阴阳极的混凝土区域 的电场最强，而钢混界面的电流密度最大。ICCP 系统通过临近钢筋表面局部 区域所铺设阳极材料实现对钢筋的有效保护。 最后，根据所建立的 ICCP 腐蚀控制系统电场投放的 COMSOL 数值模型， 结合所制备多尺度碳/水泥复合阳极材料，搭建了 T 型梁和空心圆柱 ICCP 腐 蚀控制原型系统，并对钢筋表面电位进行了数值模拟和试验结果对比。结果表 明除了 T 型梁上个别测点外相对误差均在 20%以内，试验验证了 ICCP 腐蚀控 制系统 COMSOL 数值模型的可靠性。此外，根据欧美阴极保护标准中的保护 I - 电位准则和 100mV 极化衰减准则，通过测量钢筋表面的半电池电位和 20h 的 极化衰减值，对所搭建的 ICCP 系统钢筋腐效果进行了评价。结果表明，通过 ICCP 腐蚀控制电场投放的优化设计，可实现对 T 型梁和空心圆柱等典型构件 腐蚀的合理保护,所制备的多尺度碳/水泥复合阳极材料可用于工程实践。 关键词：钢混结构；强制电流阴极腐蚀控制；电场投放数值模拟；多尺度碳/ 水泥复合阳极材料 II - Abstract Corrosion of the reinforcing steel is the major factor which deteriorates the durability of reinforced concrete (RC) structures. Currently, cathodic protection (CP) methods have been verified as the only effective approach to directly prevent the corrosion of steel RC structures. The key metrics to guarantee the accuracy and reliability of the impressed current cathodic protection (ICCP) system are the high- performace anodic matierlas and the numerical simulation of the electric field distribution. Based on the combination of the theoretical research, the numerical simulation and the experimental verification, th