CN115304323B - 一种导电砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导电砂浆及其制备方法和应用，涉及钢筋混凝土结构物腐蚀与防护技术领域。该导电砂浆包括水泥、石英砂、水、牺牲阳极活化剂和膨胀剂；石英砂和水泥的重量份比为(2.5～4)：1，水泥和水的重量份比为1：(0.50～0.70)；水泥与石英砂的重量份数总和，与牺牲阳极活化剂的重量份数之比为100：(2～5)，水泥与膨胀剂的重量份比为100：(8～15)。该导电砂浆内部粘结力较强，易成型，电阻率较小，促进内部离子传输，孔隙率较小，抗离子渗透性能较高，进而使其制备得到的牺牲阳极砂浆具有较好的电化学活性，无需在金属表面焊接导线，即可实现金属与牺牲阳极的电连接，能够实现对金属表面长期的阴极保护效果。

Description

一种导电砂浆及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土结构物腐蚀与防护技术领域，特别是涉及一种导电砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
作为一种新型的耐蚀钢筋，环氧涂层钢筋由于优良的抗氯离子性能在国内外重大跨海工程应用广泛。但根据长期跟踪检测结果显示，环氧涂层钢筋在施工过程中由于现场搬运、加工、绑扎及振捣作用，涂层表面极易出现微孔、破损、划痕等微观缺陷，导致在钢筋服役过程中提前出现了腐蚀，而无法达到环氧涂层钢筋的理论设计使用寿命。
因此，如何对混凝土中破损处腐蚀的环氧钢筋进行修复，保障结构服役期内使用寿命至关重要。然而现有技术中的牺牲阳极导电砂浆制备方法，在使用过程中存在以下缺陷及不便之处：
(1)均需要通过在钢筋表面焊接或绑扎导线，实现牺牲阳极与混凝土电连接，此方法在现场使用过程中操作较为麻烦、耗时耗力；
(2)均需要在施工现场配置砂浆后，再人工对混凝土结构进行填补，此操作较为不便，且效率较低；
(3)均未考虑到由于牺牲阳极在使用过程中会逐渐溶解，导致牺牲阳极砂浆在使用过程中内部结构松散，导致砂浆内部电阻增加，甚至无法发挥作用；
(4)均未考虑既有混凝土结构与修补砂浆间存在一定的收缩膨胀差，两者间的粘结力差，可能导致修补砂浆失效脱落；
(5)同时，将此砂浆作用于普通钢筋时，由于钢筋间的电阻小，牺牲阳极的所提供的阴极保护效果容易受周围的其他钢筋杂散电流的影响，因此容易导致牺牲阳极实际保护寿命达不到理论设计年限要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种导电砂浆，该导电砂浆包括以下原料：水泥、石英砂、水、牺牲阳极活化剂和膨胀剂；
所述石英砂和所述水泥的重量份比为(2.5～4)：1，所述水泥和所述水的重量份比为1：(0.50～0.70)；
所述水泥与石英砂的重量份数总和，与所述牺牲阳极活化剂的重量份数之比为100：(2～5)，所述水泥与所述膨胀剂的重量份比为100：(8～15)。
采用上述比例的石英砂、水泥、水，制备得到的导电砂浆内部粘结力较强，易成型，电阻率较小，促进内部离子传输，孔隙率较小，抗离子渗透性能较高，进而使其制备得到的牺牲阳极砂浆具有较好的电化学活性。
在其中一个实施例中，所述导电砂浆包括以下重量份比的原料：
Figure BDA0003757737580000021
在其中一个实施例中，所述导电砂浆包括以下重量份比的原料：
Figure BDA0003757737580000022
因灰砂比过低或过高都会导致砂浆内部粘结力差，不易成型，因此，本发明的导电砂浆中，灰砂比(即指水泥和沙子的重量份比)为0.25～0.40；而水灰比(即指水和水泥的重量份比)偏低会导致砂浆的电阻率偏大，影响内部离子传输，从而影响牺牲阳极砂浆的电化学活性，并且，水灰比偏高会导致导电砂浆的孔隙率过大，使导电砂浆的抗离子渗透性能低，因此，本发明的导电砂浆中，水灰比为0.50～0.70。而若牺牲阳极活化剂的掺量太低，会导致导电砂浆的电阻率偏高，掺量太高，溴离子容易渗透到金属表面，对金属腐蚀起到促进作用，产生不利影响；同时，因膨胀剂含量过低起不到膨胀效果，含量过高会导致导电砂浆内部的应力过大，进而导致导电砂浆出现裂纹。
在其中一个实施例中，所述牺牲阳极活化剂包括以下原料中的至少1种：溴化锂、氯化锂或硝酸锂；
所述膨胀剂包括以下原料中的至少2种：低活性氧化镁、氧化钙或硫铝酸钙；所述的低活性氧化镁测得的吸碘值为20～40mg/g；
所述水泥包括以下原料中的至少1种：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥的等级为42.5或52.5，所述普通硅酸盐水泥的等级为42.5或52.5。
牺牲阳极活化剂可保证导电砂浆后续制备得到的牺牲阳极砂浆的表面始终处于活化状态，能持续反应溶解且发射电流，同时牺牲阳极活化剂也作为砂浆内部的主要离子导电介质；膨胀剂中的氧化钙或硫铝酸钙作用于砂浆水化早期，可保证砂浆在填充之后数天内与既有混凝土结构之间的粘结力，而低活性氧化镁可长期对砂浆产生作用，其主要作用是弥补在牺牲阳极消耗后的体积损失而导致砂浆内部与牺牲阳极的接触电阻增大的问题；采用上述特定的水泥，可以保证砂浆具有一定的强度。
在其中一个实施例中，所述膨胀剂包括重量份比为(2～4)：1的低活性氧化镁和氧化钙，或包括重量份比为(2～4)：1的低活性氧化镁和硫铝酸钙。
本发明还提供了一种牺牲阳极砂浆，该牺牲阳极砂浆包括：牺牲阳极、凝胶、导电层和所述导电砂浆；所述牺牲阳极插于所述导电砂浆内，所述导电砂浆靠近所述牺牲阳极的一端依次铺设有凝胶和导电层，所述牺牲阳极的铁芯通过导线与所述导电层连接。
采用上述原料制备得到的牺牲阳极砂浆，具有较好的电化学活性；凝胶为高吸水性弹性材料，能保证混凝土内部金属(例如钢筋)与牺牲阳极砂浆间的离子通道。上述牺牲阳极砂浆在使用过程中不需要在金属表面焊接导线，通过凝胶内部碳纤维及底层的导电层，即可实现金属与牺牲阳极砂浆的电连接；且位于牺牲阳极砂浆底部的凝胶和导电层可在外力作用下压缩变形，使上述牺牲阳极砂浆在使用过程中，凝胶与金属破损处能够充分接触。
在其中一个实施例中，所述牺牲阳极砂浆为圆柱形，高度与直径之比≥1；所述牺牲阳极为长方体或圆柱体，当所述牺牲阳极为长方体时，所述牺牲阳极的宽度与所述牺牲阳极砂浆的直径之比为(0.1～0.3)：1，当所述牺牲阳极为圆柱体时，所述牺牲阳极的直径与所述牺牲阳极砂浆的直径之比为(0.1～0.3)：1。
上述高度与直径比例，能够保证牺牲阳极砂浆正常工作。
在其中一个实施例中，所述凝胶铺设的厚度与所述导电砂浆的高度比为(0.1～0.3)：1，所述凝胶包括凝胶基材、碱溶液和电子导电介质；
所述凝胶基材质量与所述碱溶液的体积比为80g/L～120g/L，所述电子导电介质质量与所述碱溶液的体积为10g/L～30g/L；
所述凝胶基材包括以下原料中的至少1种：琼脂、甲基纤维素凝胶或聚丙烯酸凝胶；所述碱溶液包括NaOH溶液、Ca(OH)2溶液或KOH溶液，所述碱溶液的浓度为0.2mol/L～0.5mol/L；所述电子导电介质包括以下原料中的至少1种：碳纤维、石墨烯或碳粉。
采用上述原料能够制备得到高吸水性的凝胶，同时，碱溶液可对混凝土内部的金属活化层起到再钝化作用，电子导电介质可增加牺牲阳极与钢筋之间的电子传输通道。
在其中一个实施例中，所述牺牲阳极包括以下原料中的至少1种：锌合金、镁合金或铝合金；所述导电层为导电碳纤维布、柔性钢丝布或含金属镀层的纤维布。
本发明还提供了所述牺牲阳极砂浆的制备方法，包括以下步骤：将导电砂浆倒入模具，***牺牲阳极，待导电砂浆固化后，加入凝胶，待凝胶固化后，铺设导电层，得到牺牲阳极砂浆。
采用上述制备方法，能使凝胶和导电层依次铺设于牺牲阳极砂浆的底部，有利于后续与金属的破损处进行接触、修补。
本发明还提供了一种防止金属腐蚀的方法，将所述牺牲阳极砂浆铺设于金属表面，使导电层与金属接触，同时使凝胶中碱溶液渗透至金属表层。
采用上述方法，能够使凝胶中的碱溶液渗透至金属表层，进而促进金属再钝化。且上述方法不需现场配制砂浆，只需采用提前配置好的牺牲阳极砂浆对金属进行修补即可。
在其中一个实施例中，所述金属为位于混凝土内的破损金属，所述方法包括以下步骤：将混凝土钻孔至金属表层，对金属除锈，将所述牺牲阳极砂浆填充入孔，按压所述牺牲阳极砂浆，使掉垫层与金属的破损处接触，同时使凝胶渗透至金属的破损处，采用密封胶或玻璃将填补牺牲阳极砂浆与混凝土之间的缝隙。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种导电砂浆及其制备方法和应用，该导电砂浆采用特定比例的石英砂、水泥、水，使导电砂浆内部粘结力较强，易成型，电阻率较小，促进内部离子传输，孔隙率较小，抗离子渗透性能较高。采用该导电砂浆制备得到的牺牲阳极砂浆，具有较好的电化学活性，且该牺牲阳极砂浆在使用过程中，无需在金属表面焊接导线，即可实现金属与牺牲阳极的电连接，且能够实现对金属表面长期的阴极保护效果。
附图说明
图1为实施例中牺牲阳极砂浆的剖面图，；
图2为实施例中用于环氧钢筋的装配式牺牲阳极砂浆实施方式图；
其中，1为牺牲阳极的铁芯，2为牺牲阳极，3为导电砂浆，4为凝胶，5为导线，6为导电层，7为既有混凝土结构，8为环氧涂层钢筋，9为环氧涂层钢筋破损处。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
定义：
低活性氧化镁：活性氧化镁根据吸碘值可分为高活性、活性、低活性氧化镁，在本发明中，低活性氧化镁的吸碘值为20～40mg/g。
普通硅酸盐水泥：根据《GB175-2007》规定，指由硅酸盐水泥熟料、5％-20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
来源：
本实施例所用试剂、材料、设备如无特殊说明，均为市售来源；试验方法如无特殊说明，均为本领域的常规试验方法。
实施例
一种导电砂浆及其制备得到的牺牲阳极砂浆和应用。
一、一种导电砂浆，该导电砂浆的制备方法如下所示。
1、根据如下配方表称取原料。
表1导电砂浆各原料配合比(1L导电砂浆所需的材料用量)
Figure BDA0003757737580000041
Figure BDA0003757737580000051
注：此砂浆电阻率由四探针法测得。
2、将溴化锂溶于拌合水中，充分溶解完全。
3、将石英砂、水泥、膨胀剂混合搅拌30s～60s后，倒入步骤2得到的溶液搅拌2～3分钟，形成导电砂浆。
二、一种牺牲阳极砂浆，如图1所示，该牺牲阳极砂浆的制备方法如下所示。
1、将步骤一制备得到的导电砂浆倒入圆柱形模具中，在砂浆初凝阶段，***制备好的牺牲阳极，待24h左右，砂浆凝固完全。
2、将10g的甲基纤维素倒入温度为70～95℃、浓度为0.3mol/L的100mL Ca(OH)2溶液中，充分搅拌，并倒入2g碳纤维，得到凝胶。将凝胶趁热倒入插有牺牲阳极的牺牲阳极砂浆上方，凝胶层厚度可根据牺牲阳极砂浆试块的高度比来确定，使凝胶层的厚度与导电砂浆的高度比为(0.1～0.3)：1，在本实施例中，在牺牲阳极砂浆上平铺约2cm的凝胶层。值得注意的是，应将牺牲阳极导线迁出后，再铺设凝胶。
3、待凝胶固化后，在凝胶上方放置一层导电碳纤维布，将纤维布与导线电连接，至此牺牲阳极砂浆制备完成。
为保证牺牲阳极砂浆底部凝胶的保水性和砂浆本身的膨胀特性，此牺牲阳极砂浆应在制备完成后7天内使用。
三、现场安装过程。
由于牺牲阳极砂浆中的牺牲阳极的发射电流和使用寿命有限，采用步骤二制备得到的牺牲阳极砂浆针对浪溅区或大气区局部破损的环氧钢筋进行保护，实施方式图如图2所示。
1、先用钢筋锈蚀仪对混凝土表面进行锈蚀检测，确定混凝土钢筋内部锈蚀情况。
2、对确定内部钢筋锈蚀的外部混凝土进行钻孔，直至钢筋表层。对钢筋表层进行除锈，并用淡水冲洗。
3、将制备好的牺牲阳极砂浆(包括底部凝胶及导电层)填充进入钻好的孔中，并缓慢按压牺牲阳极砂浆的表面，使得砂浆底层的导电层与钢筋破损处充分接触，也使凝胶内部的溶液渗透至钢筋表面破损处，使钢筋表面恢复碱性环境。
4、在装填好的牺牲阳极砂浆表面用密封胶或玻璃胶填补砂浆与混凝土表面的缝隙，防止前期牺牲阳极砂浆因水化过程不彻底，膨胀剂未完全发挥作用，导致钢筋与导电层表面接触不良。填补后，数天内，砂浆内部膨胀剂发挥作用，即可与既有混凝土结构紧密粘接。
对比例
根据如下配方表称取原料。
表2导电砂浆各原料配合比(1L导电砂浆所需的材料用量)
Figure BDA0003757737580000052
Figure BDA0003757737580000061
注：此砂浆电阻率由四探针法测得。
在本对比例中，导电砂浆1、导电砂浆2测得的砂浆电阻率大于1500Ω·cm，不符合GB/T4950-2002中对介质电阻率的要求。
实验例
对采用实施例的牺牲阳极砂浆修复后的钢筋的电位变化进行检测。
检测方法：JTS/T 236-2019水运工程混凝土试验检测技术规范。
检测结果如下表所示。
表3采用实施例的牺牲阳极砂浆修复后的钢筋的电位变化
Figure BDA0003757737580000062
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种牺牲阳极砂浆，其特征在于，该牺牲阳极砂浆包括：牺牲阳极、凝胶、导电层和导电砂浆；所述牺牲阳极插于所述导电砂浆内，所述导电砂浆靠近所述牺牲阳极的一端依次铺设有凝胶和导电层，所述牺牲阳极的铁芯通过导线与所述导电层连接；
所述导电砂浆包括以下原料：水泥、石英砂、水、牺牲阳极活化剂和膨胀剂；
所述石英砂和所述水泥的重量份比为（2.5~4）：1，所述水泥和所述水的重量份比为1：（0.50~0.70）；
所述水泥与石英砂的重量份数总和，与所述牺牲阳极活化剂的重量份数之比为100：（2~5），所述水泥与所述膨胀剂的重量份比为100：（8~15）；
所述凝胶包括凝胶基材、碱溶液和电子导电介质；
所述凝胶基材质量与所述碱溶液的体积比为80g/L~120g/L，所述电子导电介质质量与所述碱溶液的体积为10g/L~30g/L；所述凝胶基材包括以下原料中的至少1种：琼脂、甲基纤维素凝胶或聚丙烯酸凝胶；所述电子导电介质包括以下原料中的至少1种：碳纤维、石墨烯或碳粉。
2. 根据权利要求1所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述导电砂浆包括以下重量份比的原料：
石英砂2.5~4份
水泥1份
水0.50~0.70份
牺牲阳极活化剂0.08~0.25份
膨胀剂0.08~0.15份。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述牺牲阳极活化剂包括以下原料中的至少1种：溴化锂、氯化锂或硝酸锂；
所述膨胀剂包括以下原料中的至少2种：低活性氧化镁、氧化钙或硫铝酸钙；所述的低活性氧化镁测得的吸碘值为20~40 mg/g；
所述水泥包括以下原料中的至少1种：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥；所述硅酸盐水泥的等级为42.5或52.5，所述普通硅酸盐水泥的等级为42.5或52.5。
4.根据权利要求3所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述膨胀剂包括重量份比为（2~4）：1的低活性氧化镁和氧化钙，或包括重量份比为（2~4）：1的低活性氧化镁和硫铝酸钙。
5.根据权利要求1所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述牺牲阳极砂浆为圆柱形，高度与直径之比≥1；所述牺牲阳极为长方体或圆柱体，当所述牺牲阳极为长方体时，所述牺牲阳极的宽度与所述牺牲阳极砂浆的直径之比为（0.1~0.3）：1，当所述牺牲阳极为圆柱体时，所述牺牲阳极的直径与所述牺牲阳极砂浆的直径之比为（0.1~0.3）：1。
6.根据权利要求1所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述凝胶铺设的厚度与所述导电砂浆的高度比为（0.1~0.3）：1；
所述碱溶液包括NaOH溶液、Ca(OH)2溶液或KOH溶液，所述碱溶液的浓度为0.2mol/L~0.5mol/L。
7.根据权利要求1所述的牺牲阳极砂浆，其特征在于，所述牺牲阳极包括以下原料中的至少1种：锌合金、镁合金或铝合金；所述导电层为导电碳纤维布、柔性钢丝布或含金属镀层的纤维布。
8.权利要求1-7所述的牺牲阳极砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将导电砂浆倒入模具，***牺牲阳极，待导电砂浆固化后，加入凝胶，待凝胶固化后，铺设导电层，得到牺牲阳极砂浆。
9.一种防止金属腐蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1-7所述的牺牲阳极砂浆铺设于金属表面，使导电层与金属接触，同时使凝胶中碱溶液渗透至金属表层。
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