功能性碳纤维水泥基材料铺覆层对钢筋混凝土阴极保护的机理研究

阴极保护法是理想的钢筋防腐蚀方法。但牺牲阳极或外加电流的阴极保护因其成本高、寿命短、施工困难和难以维护等原因制约了在钢筋混凝土结构工程中的推广应用。本课题提出以具有高热电势率的功能性碳纤维水泥基复合材料（CFRC）作为钢筋混凝土的铺覆层，利用CFRC材料独特的热电效应，对钢筋实施温差电动势阴极保护。在阴极保护电路中合理设置电流方向开关，可以不间断地由CFRC材料温差电动势负极向钢筋输送电子，使钢筋处于热力学稳态区。该方法无需牺牲阳极、无需消耗外部电能、且经久耐用。通过对温差电动势阴极保护电路系统、保护电流分布规律以及温差电动势阴极保护状态下钢筋混凝土电化学过程的研究，揭示温差电动势阴极保护的深层机理，优化CFRC材料的组成，提高材料的热电势率和阴极保护效果。研究成果对钢筋混凝土结构的低成本防护、延长结构寿命和耐久性具有重要现实意义。

阴极保护法是理想的钢筋防腐蚀方法。但牺牲阳极或外加电流的阴极保护因其成本高、寿命短、施工困难和难以维护等原因制约了在钢筋混凝土结构工程中的推广应用。本课题提出以具有高热电势率的功能性碳纤维水泥基复合材料（CFRC）作为钢筋混凝土的铺覆层，利用CFRC材料独特的热电效应，对钢筋实施温差电动势阴极保护。为此，研制出碳纳米-碳纤维/水泥基材料作为热电材料，当碳纳米管掺量占水泥质量百分比为0.5%时，不仅能有效改善水泥基体性能，密实基体结构，而且能有效提高和改善复合材料热电性能，水泥基材料热电势率提高了260%。与此同时，碳纳米管掺入能增强热电效应中温差电动势与温差关系的线性规律和可逆性规律。通过不间断地由CFRC材料温差电动势负极向钢筋输送电子，使钢筋处于热力学稳态区。该方法无需牺牲阳极、无需消耗外部电能、且经久耐用。通过对温差电势阴极保护的层次机理分析表明，阴极保护有利于钝化膜的稳定，而未处理的试样更多地生成了主要的腐蚀产物Fe3O4，并且在氯离子大量存在的情况下，还进一步生成了Fe3+(O,OH,Cl)腐蚀产物；阴极保护有助于钢筋/混凝土界面处Ca(OH)2晶体的存在，从而保持界面处的高碱性，而且阴极电流能够使得离子被迁移而远离钢筋，使得钢筋受到有效的保护。本课题的研究成果对钢筋混凝土结构的低成本防护、延长结构寿命和耐久性具有重要现实意义。