一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置及方法

技术领域

本发明涉及滨海侵蚀混凝土结构加固技术领域，特别是涉及一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置及方法。

背景技术

目前，我国滨海地区的混凝土结构侵蚀劣化问题极其严重，甚至对我国经济造成巨大的损失。因此，如何科学合理的进行修复与加固滨海地区钢筋混凝土结构已成为国内发展进程中一个迫切需要解决的问题。

对于滨海侵蚀地区混凝土桥梁的侵蚀劣化问题，主要存在如下三个核心问题：一是桥梁结构的腐蚀与耐久性问题，例如桥梁结构的混凝土材料本身无法有效抵抗海水及介质的侵蚀；桥梁结构长期带裂缝工作与混凝土材料本身抗渗性较差的特性，导致海水和氯离子大量的侵入结构内部，侵入混凝土内部的氯离子导致钢筋严重锈蚀；二是桥梁结构力学性能的损伤退化问题，例如桥梁结构的承载能力和刚度显著的降低；三是无法有效监测及掌控桥梁结构的侵蚀劣化状况。

然而现有的桥梁结构加固技术或加固方法并不适合滨海侵蚀地区劣化桥梁结构的修复与加固，例如外贴FRP加固方法、预应力FRP加固方法、FRP网格(或格栅)/水泥基复合材料(或聚合物砂浆)加固方法、以及基于阴极保护的FRP加固方法等，均无法同时解决上述三个核心问题，仅能部分解决上述问题，所以亟需开展针对滨海侵蚀地区桥梁结构加固方法的研究。

因此，为同时解决上述三个核心问题，本发明提出了一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置及方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本方案采用的第一技术方案是，一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置，包括：

加固机构、信号测定仪、锚固机构和外部直流电源机构；

所述加固机构包括CFRP网格和导电层，所述导电层包裹于所述CFRP网格；

所述信号测定仪与所述导电层电性连接形成闭合电回路，所述信号测定仪用于测定导电层的电阻值；

所述锚固机构设置于导电层的两端，所述锚固机构用于锚固CFRP网格，并对CFRP网格提供预应力；

所述外部直流电源机构设有两个电性连接端，一个所述电性连接端与CFRP网格电性连接，另一个所述电性连接端与所述待加固混凝土电性连接，以形成闭合电回路。

在其中一个实施例中，所述CFRP网格厚度为4-6mm，所述CFRP网格纵横向网格纤维间距大于25mm。

在其中一个实施例中，所述导电层为导电UHTCC层，所述导电UHTCC层包括普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、PE纤维、短切碳纤维、碳纳米管、镍粉和石墨烯。

在其中一个实施例中，所述锚固机构包括锚具和夹具，所述锚具与所述夹具固定连接；

所述锚具通过螺栓与所述待加固混凝土固定连接，所述锚具用于张拉所述CFRP网格并提供预应力；

所述夹具设有贯穿孔、螺孔、螺杆和螺母，所述螺孔垂直布置于所述贯穿孔两侧，所述螺孔两两相对布置，所述CFRP网格通过所述贯穿孔与所述锚具连接，所述螺杆通过所述螺孔夹住所述CFRP网格，所述螺杆通过所述螺母固定，所述夹具夹持固定所述CFRP网格。

本方案采用的第二技术方案是，一种滨海混凝土的加固和监测一体化方法，包括以下步骤：

S100、对待加固混凝土的表面或露钢筋处进行清理，凿去加固区域疏松的混凝土，并打磨平整；

S200、在待加固混凝土受拉侧表面两端安装用于CFRP网格张拉的锚固机构，然后将CFRP网格的两端分别紧固在安装好的锚固机构中，喷射或现浇导电层使得加固机构与待加固混凝土接触连接；

S300、将信号测定仪通过导线与导电层电性连接，形成闭合电回路；

S400、将外部直流电源机构的正极与CFRP网格相连接，负极与待加固混凝土的钢筋相连接，钢筋和CFRP网格通过待加固混凝土和导电层相连，并与外部直流电源机构形成闭合电回路。

在其中一个实施例中，在S100中还包括步骤S110，

S110、对露出的受拉钢筋进行除锈，除锈后在露出的受拉钢筋外涂刷钢筋防锈剂。

在其中一个实施例中，在S200中还包括步骤S210、S220和S230，S210、在待加固混凝土的受拉侧喷射或现浇一层导电层；

S220、通过锚固机构，将CFRP网格固定在待加固混凝土的受拉侧，同时对CFRP网格施加预应力，使得CFRP网格的一面与导电层完全接触连接；

S230、将CFRP网格的另一面喷射或现浇一层导电层，形成加固机构。

在其中一个实施例中，所述导电层为导电UHTCC层，所述导电UHTCC层由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、PE纤维、短切碳纤维、碳纳米管、镍粉和石墨烯制备而成。

在其中一个实施例中，所述信号测定仪用于测定所述导电层的电阻值，所述测定值公式为：R＝α·ρ·(l/bh)；

所述α为所述导电层的材料属性修正系数，所述ρ为所述导电层的电阻率，所述l为所述导电层电阻测试部分的长度，所述b为所述导电层电阻测试部分的宽度，所述h为所述导电层电阻测试部分的厚度。

在其中一个实施例中，所述导电层的侵蚀劣化程度与所述测定值的关系模型为：D(n)＝(R

所述R

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置，通过CFRP网格和导电层共同作为外加电流阴极保护技术的辅助阳极和加固材料，将装置加固和阴极保护整合成一个结构体系，明显降低了结构修复成本和增强了保护装置的稳固性。此外，由于预应力的引入，使得CFRP网格的高强特性得到充分发挥，显著提高CFRP网格强度的利用率，减少其材料的用量，再次降低结构的修复成本。

2、本发明提供的一种滨海混凝土的加固和监测一体化方法，通过所述的外加电流阴极保护可以阻止已侵入混凝土内部氯离子导致的钢筋锈蚀；再通过信号测定仪可以进行自我监测，当导电层发生侵蚀劣化或损伤时，其电导性将发生不可逆的降低，即其电阻值将变大，利用这一现象对导电层的侵蚀劣化进行监测，即导电层具备自感知功能。

综上所述，该结构简单，方法新颖，应用于实际工程中，切实解决了滨海地区混凝土结构侵蚀劣化的三个核心问题，本发明对提高滨海侵蚀地区劣化桥梁结构的耐久性、延长其服役寿命具有重大的科学意义与指导价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置结构示意图；

图2为本发明提供的夹具结构示意图。

附图标记如下：

10、加固机构；11、CFRP网格；12、导电UHTCC层；

20、信号测定仪；

30、锚固机构；31、锚具；311、螺栓；32、夹具；321、贯穿孔；322、螺孔；323、螺杆；324、螺母；

40、外部直流电源机构；

50、待加固钢筋混凝土梁。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提供的一种滨海混凝土的加固和监测一体化装置，其实施例如图1所示，包括加固机构10、信号测定仪20、锚固机构30和外部直流电源机构40；加固机构10包括CFRP网格11和导电UHTCC层12，导电UHTCC层12包裹于CFRP网格11；信号测定仪20与导电UHTCC层12电性连接形成闭合电回路，信号测定仪20用于测定导电UHTCC层12的电阻值；锚固机构30设置于导电UHTCC层12的两端，锚固机构30用于锚固CFRP网格11，并对CFRP网格11提供预应力；外部直流电源机构40设有两个电性连接端，一个电性连接端与CFRP网格11电性连接，另一个电性连接端与待加固钢筋混凝土梁50电性连接，以形成闭合电回路。

需要指出，本发明提供的实施例是以待加固钢筋混凝土梁50为例，待加固钢筋混凝土梁50为待加固混凝土形成的一种结构，还包含有由混凝土改变形状的其它结构，导电层以导电UHTCC层12为例。

其中，CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic，碳纤维复合材料)，CFRP网格11是将碳纤维浸渍于耐腐蚀性良好的树脂中形成的整体网格；这种材料具有密度低、抗拉强度高、耐腐蚀、耐疲劳等特点，可作为外加电流阴极保护技术的辅助阳极使用。

UHTCC(Ultra High Toughness Cementitious Composite，超高韧性水泥基复合材料)，UHTCC使用纤维掺量不超过复合材料总体积2.5％的短纤维增强，采用常规的搅拌工艺浇筑，硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，可将宏观有害裂缝分散为微细无害裂缝，极限应变所对应的裂缝宽度可有效地控制在0.1mm内，在某种意义上可称为“无缝混凝土”；超强的能量吸收能力；韧性化剪切破坏特征；与钢筋具有良好的变形协调性；卓越的耐久性与抗疲劳性；能有效防护结构开裂，提高结构的抗渗性，有效防止有害离子的侵蚀，极大地提高结构耐久性，最大限度节约工程运行成本和维修费用。

导电UHTCC层12是指UHTCC中添加了短切碳纤维、碳纳米管、镍粉和石墨烯制备而具有导电性的UHTCC层。

外部直流电源机构40是指能够提供直流电的机构；实现提供直流电的方式主要有两种，一种是直流-直流，直接使用提供直流电的机构；另一种是交流-直流，例如使用整流器将交流电转换为直流电。

譬如，本实施例中将外部直流电源机构40设置如图1所示，用导线依次电性连接待加固钢筋混凝土梁50中的钢筋、外部直流电源机构40和CFRP网格11，并且通过导线一直输出足够电流或电压来保护钢筋。

为了使CFRP网格11达到此实施例的效果，将CFRP网格11厚度设置为4-6mm，CFRP网格11纵横向网格纤维间距设置为大于25mm。

其中，CFRP网格11纵横向网格纤维间距大于25mm：指CFRP网格11相邻纵向纤维之间的间距和横向纤维之间的间距均大于25mm。

进一步的，为了更好的夹住CFRP网格11，可以将CFRP网格11幅宽与锚具31宽度设置一致。

为了实现CFRP网格11的固定和张拉，此实施例将锚固机构30设置如图1和图2所示，锚固机构30包括锚具31和夹具32，锚具31与夹具32固定连接；锚具31通过螺栓311与待加固钢筋混凝土梁50固定连接，锚具31用于张拉CFRP网格11并提供预应力；夹具32设有贯穿孔321、螺孔322、螺杆323和螺母324，螺孔322垂直布置于贯穿孔321两侧，螺孔322两两相对布置，CFRP网格11通过贯穿孔321与锚具31连接，螺杆323通过螺孔322夹住CFRP网格11，螺杆323通过螺母324固定，夹具32夹持固定CFRP网格11。

需要指出，锚具31、夹具32、螺杆323和螺母324均为不锈钢材质作为永久部件保留在待加固钢筋混凝土梁50加固处的表面。

在进行应用中，通过调节螺杆323与螺母324的松紧，实现夹具32夹持固定CFRP网格11，CFRP网格11通过贯穿孔321与锚具31连接，锚具31张拉CFRP网格11并提供预应力。

本发明提供的一种滨海混凝土的加固和监测一体化方法，此实施例设置如图1和图2所示，包括以下步骤：

S100、对待加固钢筋混凝土梁50的表面或露钢筋处进行清理，凿去加固区域疏松的混凝土，并打磨平整；

具体的，在S100中还包括步骤S110，

S110、对露出的受拉钢筋进行除锈，除锈后在露出的受拉钢筋外涂刷钢筋防锈剂。

S200、在待加固钢筋混凝土梁50受拉侧表面两端安装用于CFRP网格11张拉的锚固机构30，然后将CFRP网格11的两端分别紧固在安装好的锚固机构30中，喷射或现浇导电UHTCC层12使得加固机构10与待加固钢筋混凝土梁50接触连接；

具体的，S200包括：

S210、在待加固钢筋混凝土梁50的受拉侧喷射或现浇一层导电UHTCC层12；

S220、通过锚固机构30，将CFRP网格11固定在待加固钢筋混凝土梁50的受拉侧，同时对CFRP网格11施加预应力，使得CFRP网格11的一面与导电UHTCC层12完全接触连接；

S230、将CFRP网格11的另一面喷射或现浇一层导电UHTCC层12，形成加固机构10。

需要指出，导电UHTCC层12由普通硅酸盐水泥、石英砂、粉煤灰、水、高效减水剂、分散剂、PE纤维、短切碳纤维、碳纳米管、镍粉和石墨烯制备而成。

其中，PE(Polyethylene，聚乙烯)，PE纤维是指由超高分子量聚乙烯纺制成的合成纤维。

在配制导电UHTCC层12的时候，需注意配比和投料顺序，确保其与待加固钢筋混凝土梁50有可靠粘结以及有良好的导电性能，使其能与待加固钢筋混凝土梁50协调变形。

需要注意的是，在制作加固机构10的过程中：首先，在待加固钢筋混凝土梁50受拉侧表面粘贴一层导电UHTCC层12；其次，将CFRP网格11严密地放置在导电UHTCC层12的顶部，并轻轻压紧以提高其润湿性；最后，用导电UHTCC层12覆盖CFRP网格11，并轻轻按压以去除气泡。

进一步的，在使用喷射或现浇施工过程中，对于有些交叉部位难以充实会有空隙产生，此时可以用镘刀进行填充、压实CFRP网格11部位的空隙。

具体的，实现S200还可以有另一种方式，首先通过锚固机构30张拉CFRP网格11并固定，然后根据待加固钢筋混凝土梁50需加固区域的大小，在CFRP网格11的两面均喷射或现浇一层导电UHTCC层12，使其成为加固机构10，最后将加固机构10与待加固钢筋混凝土梁50粘结在一起。

S300、将信号测定仪20通过导线与导电UHTCC层12电性连接，形成闭合电回路；

在进行应用时，当导电UHTCC层12发生侵蚀劣化或损伤时，其电导性将发生不可逆的降低，即其电阻值将变大，利用这一现象对导电UHTCC层12的侵蚀劣化进行监测。

具体的，信号测定仪20用于测定导电UHTCC层12的电阻值，测定值公式为：R＝α·ρ·(l/bh)；α为导电UHTCC层12的材料属性修正系数，ρ为导电UHTCC层12的电阻率，l为导电UHTCC层12电阻测试部分的长度，b为导电UHTCC层12电阻测试部分的宽度，h为导电UHTCC层12电阻测试部分的厚度。

再进一步的，导电UHTCC层12的侵蚀劣化程度与测定值的关系模型为：D(n)＝(R

另外，测电阻的方法可以采用两极电法或四极电法。

S400、将外部直流电源机构40的正极与CFRP网格11相连接，负极与待加固钢筋混凝土梁50的钢筋相连接，钢筋和CFRP网格11通过待加固钢筋混凝土梁50和导电UHTCC层12相连，并与外部直流电源机构40形成闭合电回路。

其中，CFRP网格11和导电UHTCC层12既用于作为电流辅助阳极材料，又作为加固材料，将加固机构10、待加固钢筋混凝土梁50和外部直流电源机构40整合成一个结构体系，从而达到同时提高待加固钢筋混凝土梁50力学性能、耐久性能和自感知力的三重效果，即CFPR网格11和导电UHTCC层12提高待加固钢筋混凝土梁50的承载力与刚度；外加电流阴极保护阻止钢筋锈蚀；包裹在待加固钢筋混凝土梁50加固区域的导电UHTCC层12，可以有效保护待加固钢筋混凝土梁50原有混凝土免遭海水侵蚀，提高待加固钢筋混凝土梁50的耐久性能；导电UHTCC层12自感知功能，当导电UHTCC层12发生侵蚀劣化或损伤时，其电导性将发生不可逆的降低，即其电阻值将变大，利用这一现象对导电UHTCC层12的侵蚀劣化进行监测，即导电UHTCC层12具备了自感知功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。