一种辅助阳极复合材料及其制备方法技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其涉及的是一种辅助阳极复合材料及其制备方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，其安全性与国民经济健康发展
紧密相关。然而，随着使用年限的增加和使用环境的变化，钢筋混凝土结构的劣化和功能失
效较为普遍和严重，引起了科研学者对混凝土结构耐久性问题的关注。简而言之，钢筋混凝
土结构的耐久性是指混凝土在实际使用中的各种破坏条件下，长期保持强度和外观完整性
的能力。
从材料学的角度来看，钢筋混凝土结构耐久性劣化的最主要原因是内部钢筋的锈
蚀；钢筋在混凝土内部的锈蚀机理研究得较为成熟，正常情况下，钢筋在pH值约为13的混凝
土内部孔溶液中会形成钝化膜，这层膜在完好无损的条件下能够给钢筋提供足够的保护使
其免受腐蚀；但当外部腐蚀性介质穿过多孔的混凝土进入到钢筋表面时，钝化膜遭到破坏
而失去对钢筋的保护，从而引起钢筋的腐蚀。
目前，混凝土自身携带或外部侵入的氯离子被认为是造成钢筋腐蚀问题的最主要
原因。抑制钢筋锈蚀的手段很多，例如涂敷防腐层和缓蚀剂等，其中外加电流阴极保护技术
已被证明是最有效的方法之一，在某些情况下甚至是唯一的解决方法。外加电流阴极保护
技术是基于pH-电位图原理提出来的，通过向钢筋施加阴极电流而使钢筋电位落在免蚀区，
进而达到保护钢筋的目的。辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分，目前最常
用的是混合金属氧化物钛阳极，但其昂贵的价格大大限制了其推广和应用。
从结构设计的角度来看，混凝土结构耐久性劣化具体表现为构件力学性能的劣
化。因此各国学者进行了广泛的研究，利用钢板和纤维增强聚合物(Fiber Reinforced
Polymer，简称FRP)等结构增强和加固材料，提出了增大截面和外部粘贴等多种结构加固技
术，并已应用到工程实践。结构加固材料通常通过胶凝材料(如环氧树脂)与混凝土结构共
同承担荷载作用，可视为混凝土结构的附加保护层，并在一定程度隔绝外部环境介质对内
部结构的侵蚀。但是施工工艺的缺陷和误差、结构服役过程中加固材料的劣化和损耗都会
破坏这个保护层，导致混凝土结构的二次腐蚀。更重要的是，结构加固技术无法解决混凝土
内部有害元素(如海沙混凝土中的氯化物和硫酸盐等)对钢筋的继续侵蚀；实际工程中已有
很多结构不止一次地进行加固，经常出现屡修屡坏的情况。
因此，在工程实践中往往需要同时进行结构加固与阴极保护，以达到标本兼治的
结构修复和加固效果。然而，结构和阴极保护分属不同的技术领域，各自拥有独立的设计理
论和实施方法。大多数工程进行修复时需要独自考虑对结构分别进行加固和阴极保护，这
势必给业主造成高昂的经济负担。截至目前为止，现有技术还找不到一种合适的工程材料，
并采用同一种工艺去同时实现对混凝土结构的加固和阴极保护。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种辅助阳极复合材料及其制
备方法，旨在解决现有技术无法实现通过一种工程材料并采用一种工艺同时实现混凝土的
结构加固和阴极保护的问题。
本发明的技术方案如下：
一种辅助阳极复合材料，其中，包括至少一层CFRP片材和碱激发胶凝材料，所述
CFRP片材夹杂在所述碱激发胶凝材料中，所述碱激发胶凝材料由工业废渣和碱性激发剂混
合而成。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，按重量百分比计，所述碱激发胶凝材料
包括：矿粉50～100份、水玻璃12份、水40份、粉煤灰0～50份以及氧化镁0～3份。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，按质量百分比计，所述粉煤灰包括：
49.9％的SiO2、27.0％的Al2O3、14.0％的Fe2O3以及2.7％的CaO。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，所述水玻璃由钾水玻璃和NaOH调配制
成，所述钾水玻璃的模数为2.72。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，所述水玻璃的模数为1。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，所述氧化镁为固体粉末状，所述氧化镁
的质量分数≥96.0％。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，所述CFRP片材为网格布状。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料，其中，所述CFRP片材的厚度为0.1～0.2mm。
一种辅助阳极复合材料的制备方法，其中，包括步骤：
A、将预先配制好的碱激发胶凝材料倒入槽型容器中；
B、将CFRP片材浸润在所述碱激发胶凝材料中，并用滚筒杵捣所述CFRP片材预定时
间；
C、将所述CFPR片材取出并贴附在已打磨的混凝土表面，室温养护后即制得表面具
有辅助阳极复合材料的混凝土结构。
较佳地，所述的辅助阳极复合材料的制备方法，其中，所述预定时间为5～15min。
有益效果：本发明公开了一种以CFRP为主体，碱激发胶凝材料为粘结剂制作而成
的辅助阳极复合材料，将所述辅助阳极复合材料应用于混凝土钢筋结构中不仅能够起到加
固混凝土结构的作用，还能够对混凝土内部钢筋的腐蚀起到明显的防护作用，并且本发明
的辅助阳极还具有安装简便、覆盖面积大、电流分布均匀的优点。
附图说明
图1为本发明一种辅助阳极复合材料的制备方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种辅助阳极复合材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案
及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施
例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种辅助阳极复合材料，其中，包括至少一层CFRP片材和碱激发胶凝
材料，所述CFRP片材夹杂在所述碱激发胶凝材料中，所述碱激发胶凝材料由工业废渣和碱
性激发剂混合而成。
具体来说，本发明采用碳纤维增强复合材料(CFRP)作为辅助阳极，用碱激发胶凝
材料作为粘结剂与混凝土钢筋结构外表面固定起来，能够大面积覆盖所述混凝土钢筋结
构；与现有技术常用的辅助阳极相比，本发明提供的辅助阳极复合材料具有安装方便、覆盖
面积大、电流分布均匀的优点；并且将本发明的辅助阳极复合材料应用于混凝土钢筋结构
中不仅能够起到加固混凝土钢筋结构的作用，还能够对混凝土内部钢筋的腐蚀起到明显的
防护作用。
基于现有技术存在的问题，本发明致力于研发一种合适的工程材料，采用同一种
工艺争取能同时实现混凝土钢筋结构的加固和阴极保护，力求降低成本、劳动力和时间。基
于上述的思路，本发明结合结构加固体系和外加电流阴极保护系统的组成，发现两者间可
能存在的交叉部分为结构加固体系的加固材料和外加电流阴极保护系统的辅助阳极。这意
味着，一旦研发出了一种能够满足力学性能良好，又符合辅助阳极要求的材料，就有可能同
时实现混凝土钢筋结构的加固和阴极保护。
基于材料的力学性能和电化学特性的考虑，本发明分析和比较了各种加固材料和
辅助阳极材料，最终发现碳纤维增强复合材料(CFRP材料)不仅具备良好的力学性能，而且
作为主要成分的碳纤维导电性良好，电极电位接近贵金属的电化学特性。
然而要想使CFRP材料能成为连接结构加固和阴极保护两大领域的纽带，必须先解
决CFRP材料作为辅助阳极的可行性问题。
为解决CFRP材料作为辅助阳极的可行性问题，本发明将CFRP片材层夹杂在碱激发
胶凝材料中即可制得CFRP-碱激发胶凝复合材料，将所述CFRP-碱激发胶凝复合材料黏贴在
混凝土的表面上，作为辅助阳极。
其中，所述CFRP片材可以为一层或多层，优选所述CFRP片材为网格布状，且所述
CFRP片材的厚度为0.1～0.2mm(优选0.167mm)；
具体地，本发明所使用的CFRP片材的主要力学指标如表1所示：
单位面积质量
g/m2
300
名义厚度
mm
0.167
抗拉强度标准值
MPa
3389
弹性模量
GPa
269
断裂生长率
％
1.8
弯曲强度
MPa
712
层间剪切强度
MPa
48
与混凝土正拉粘结强度
MPa
2.6
其中，所述碱激发胶凝材料由工业废渣和碱性激发剂混合而成，具体地，所述碱激
发胶凝材料包括：矿粉50～100份、水玻璃12份、水40份、粉煤灰0～50份以及氧化镁0～3份；
如表2所示，表2为不同组分配比制备的碱激发胶凝材料：
![]()
进一步，在所述碱激发胶凝材料中，所述粉煤灰按质量百分比计包括：49.9％的
SiO2、27.0％的Al2O3、14.0％的Fe2O3以及2.7％的CaO，属于低钙型粉煤灰；所述氧化镁为固
体粉末状，所述氧化镁的质量分数≥96.0％。
进一步，本发明中所使用的水玻璃由钾水玻璃和NaOH调配制成，所述钾水玻璃的
模数为2.72，所用NaOH(分析纯)的质量分数≥96.0％，均由西陇化工提供；调制后的水玻璃
模数为1，水玻璃模数是水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子比(或摩尔比)；水玻璃模
数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间，水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n
为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解，n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶
解，水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大；为了
使本发明中的水玻璃易于溶解，优选所述水玻璃的模数为1。
本发明辅助阳极复合材料所使用的碱激发胶凝材料具有良好的粘结强度和耐高
温能力，由其粘结的CFRP增强材料在一起共同作用，能有效提高制品的抗折强度和冲击韧
性。
基于上述辅助阳极复合材料，本发明还提供一种辅助阳极复合材料的制备方法，
其中，如图1所示，包括步骤：
S1、将预先配制好的碱激发胶凝材料倒入槽型容器中；
S2、将CFRP片材浸润在所述碱激发胶凝材料中，并用滚筒杵捣所述CFRP片材预定
时间；
S3、将所述CFPR片材取出并贴附在已打磨的混凝土表面，室温养护后即制得表面
具有辅助阳极复合材料的混凝土结构。
进一步，所述预定时间为5～15min，优选为10min，通过用滚筒来回杵捣CFRP片材
10mim，可有效降低胶黏剂与碳纤维布之间的过渡区孔隙率，使过渡区更加致密，填满整个
纤维网格布。
本发明采用CFRP-碱激发胶凝复合材料对混凝土钢筋结构进行修复时，CFRP材料
一方面用作加固材料与结构工程共同受力，提高混凝土钢筋结构的力学性能；另一方面作
为辅助阳极对结构施以外加电流阴极保护从而保护结构。
具体地，将所述CFRP-碱激发胶凝复合材料粘贴在混凝土钢筋结构表面对其进行
修复的实验步骤如下所示：
(1)将混凝土表面打磨凿毛，去除表层灰尘等杂质；然后在混凝土表面洒少量水，
用湿抹布擦去杂质，并保持混凝土表面湿润，此做法避免了干燥的混凝土表面吸取碱激发
胶凝材料内部水分，可使混凝土与碱激发胶凝材料有较好的粘结；
(2)按照规格裁剪CFRP网格布；
(3)在混凝土表面画出所需的粘结区域100mm×100mm，以便准确的将CFRP网格布
粘贴在指定区域；
(4)将搅拌好的碱激发胶凝材料倒入槽型容器中，在碱激发胶凝材料中浸润碳纤
维网格布(CFRP网格布)，并用滚筒来回杵捣CFRP网格布10分钟，通过用碱激发胶凝材料对
碳纤维网格布进行浸润和杵捣处理，降低胶粘剂与碳纤维布之间的过渡区孔隙率，使过渡
区更致密，填满整个纤维网格布；
(5)在混凝土表面刷涂2mm厚碱激发胶凝材料底胶，将CFRP网格布一面朝下粘贴在
混凝土表面；并用塑料刮板挤出气泡，刷涂2mm厚面胶，待胶层终凝后，用潮湿的海绵和塑料
薄膜覆盖于加固部位表面，以保证加固部位湿润，碳纤维网格布的其他拉拔区域则涂上有
机胶环氧树脂，并在夹持区域上下放两块碳纤维布用有机胶固化；
(6)碱激发胶凝材料养7d后，从模具中搬出来，进行室内常温养护。
本发明CFRP-碱激发胶凝复合材料所使用的碱激发粘剂具有良好粘强度和的耐高
温能力，由其粘结的CFRP增强材料在一起共同作用，提高了制品的抗折强度和冲击韧性。此
外，传统有机粘结剂如环氧树脂等具有易老化、遇水容易产生有机-无机界面失效等缺点，
而无机材料具有更好的耐久性，遇水后不易与混凝土产生界面失效等优点。
CFRP-碱激发胶凝复合材料作为外加电流阴极保护系统(ICCP-SS系统)的辅助阳
极，除了前期优化无机胶和粘结工艺外，还需要满足在系统中应用的可行性，下面通过实验
验证本发明提供的辅助阳极复合材料的在ICCP-SS系统中的可行性：
1、CFRP-碱激发胶凝复合材料与基体混凝土试块在通电前后需始终保持较好的粘
结效果；粘结效果的判断是通过单剪试验中复合材料与混凝土表层的破坏形式、剥离面积
以及粘结强度来评定的。如表3所示：1-1、1-2、1-3表示通电前的单剪实验效果；2-1、2-2、2-
3表示通电后的单剪实验效果，由实验结果可知，CFRP-碱激发胶凝复合材料作为ICCP-SS系
统的辅助阳极与混凝土的粘贴效果较好，用本发明提出的复合材料对混凝土进行加固是可
行的。
表3通电前后单剪实验效果
![]()
2、CFRP-碱激发胶凝复合材料作为ICCP-SS系统的辅助阳极不仅需要加固混凝土
结构，而且能对内部钢筋的腐蚀起到保护作用；因此，CFRP-碱激发胶凝复合材料能否作为
辅助阳极保护钢筋也是本发明需要满足的要求：
将标准钢筋混凝土试件在Nacl溶液中进行干湿循环处理一个月，模拟钢筋腐蚀状
态，然后利用CFRP-碱激发胶凝复合材料进行加固保护，在养护期间，被保护体钢筋与外置
电源的负极相连，CFRP/碱激发胶凝材料(AAM)阳极与其正极相连；采用数据记录仪(Data
log)对被保护体阴极与CFRP阳极之间进行供电电压监测，以2205型不锈钢为参比电极对被
保护体进行通电时、瞬断时以及4小时去极化后的电位值进行监测。
对于钢筋腐蚀状态的表征，可分别从热力学和动力学的角度来进行分析，即主要
是对钢筋的腐蚀电位和腐蚀电流密度进行评估。本发明采用线性极化测定法测试后，发现
通电前经过干湿循环处理后的钢筋混凝土腐蚀较严重。
除了通过从保护电位的角度来对阴极保护效果做出评估，工程中也采用最小极化
衰减100mV的保护准则来判断；根据极化衰减(发展)准则切断阴极保护电流24小时内，极化
衰减不小于100mV则表明钢筋腐蚀状况良好。经腐蚀后的钢筋混凝土试件在ICCP-SS系统中
养护过程中根据其电位变化情况可看出，钢筋混凝土的腐蚀状况处于安全范围内。
通过上述实验结果表明：采用本发明提供的CFRP-碱激发胶凝复合材料作为辅助
阳极能够起到保护钢筋的目的，证明了CFRP-碱激发胶凝复合材料能发挥其同时作为加固
材料和辅助阳极的双重用途。也就是说，采用CFRP-碱激发胶凝复合材料对结构进行修复
时，CFRP-碱激发胶凝复合材料一方面用作加固材料与结构工程共同受力，提高结构的力学
性能；另一方面作为辅助阳极对结构施以外加电流阴极保护从而保护结构。
这样混凝土钢筋结构修复后就成为了一种结构加固和阴极保护的新型结构体系，
极大地提高了混凝土钢筋结构的安全性和耐久性，有很高的长期效益。将这种CFRP-碱激发
胶凝复合材料的双重用途引入到FRP－混凝土组合结构中去，这样就形成了带阴极防护功
能的新型CFRP-钢筋-混凝土组合结构体系；该新型结构体系具有传统FRP-混凝土组合结构
的优点，如改善力学性能、无需额外的施工模板、耐久性好等，并且由于在结构从一开始就
可以对其通过阴极防护电流，对结构的钢筋腐蚀进行主动干预，使钢筋极化并从混凝土钢
筋表面向外撵走有害的腐蚀介质，如氯离子等，从而达到防护钢筋的目的。
综上所述，本发明提供的辅助阳极复合材料包括至少一层CFRP片材和碱激发胶凝
材料，所述CFRP片材夹杂在所述碱激发胶凝材料中，所述碱激发胶凝材料由工业废渣和碱
性激发剂混合而成。将所述辅助阳极复合材料应用于混凝土钢筋结构中不仅能够起到加固
混凝土结构的作用，还能够对混凝土内部钢筋的腐蚀起到明显的防护作用。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可
以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保
护范围。