摘要
钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构破坏失效的主要原因。传统表面局部修复与加固技术虽可即时提升劣化结构的力学性能，但无法抑制混凝土中钢筋的继续锈蚀。电化学修复技术虽能有效抑制钢筋的锈蚀行为，但难以恢复结构承载力，二者均具有一定局限性。因此，开发出一种兼具表面修复加固与钢筋锈蚀行为控制效果的技术具有重要工程应用价值。外加电流阴极保护（ICCP）是一种能够有效控制钢筋锈蚀行为的结构修复技术，通过对该技术系统中的外部阳极组分进行电学与力学性能的综合优化改性是同时实现修复加固以及钢筋锈蚀行为控制的可行技术路线。本文以ICCP技术为基础，针对外部阳极材料电学与力学性能综合调配以及不同形式碳纤维复合化的局限性，提出短切/连续碳纤维耦合改性水泥基外部阳极的思路，深入研究了短切碳纤维与石英砂骨料对外部阳极导电性、力学性能以及耐酸化能力的影响，在此基础上进一步探究了短切/连续碳纤维协同作用对外部阳极电流分布均匀性、ICCP系统综合服役性能以及阳极层抗拉伸与抗弯性能的影响，实现了对外部阳极电化学性能与力学性能的同步优化。主要研究内容与结果如下： （1）建立了碳纤维体积掺量和长度与不同水胶比水泥净浆电阻率和力学性能间的关系，量化了不同骨料参数下碳纤维在浆体中的分布情况并探究了其对砂浆基本性能的影响。结果表明，在水胶比为0.3~0.5，碳纤维体积掺量为0.4~0.8Vol.%，长度为5~15mm的范围内，水胶比提高以及纤维长度减小均有利于净浆导电性能的提升，碳纤维掺量增加有利于净浆韧性与抗拉强度的提高，但对抗压强度具有负面影响。20Vol.%石英砂骨料的掺入提高了碳纤维的分散均匀性，碳纤维复合砂浆兼具较好的导电性能与力学性能。当骨料掺量为40Vol.%时，碳纤维分布均匀性降低导致其对水泥砂浆导电性能与弯曲韧性的增益效果随之减小。骨料粒径减小有利于碳纤维在砂浆中的均匀分布，但影响程度小于其体积掺量。 （2）通过不同模式加速极化试验结合微观测试探究了石英砂骨料与碳纤维对水泥基外部阳极材料综合电化学性能与酸化劣化行为的影响及其机理。碳纤维通过提高外部阳极砂浆的导电性能使主阳极服役性能与电催化活性提升，并减缓由阳极酸化所导致的砂浆基体导电性能与电极反应活性下降，降低外部阳极砂浆脱钙腐蚀劣化程度。阳极极化过程中的酸化扩散行为与砂浆基体的离子迁移有关。骨料体积分数的提高及其粒径减小使得离子传输路径长度与曲折度增加，有利于减小阳极酸化扩散范围，阳极导电性能的提升对限制酸化扩散同样有正面影响。 （3）结合数值仿真模拟与ICCP测试单元探究了碳纤维网格布对外部阳极电流分布与服役性能的影响以及对ICCP系统的综合优化效应。碳纤维网格布的引入及其网格尺寸的减小使得系统中的阳极/阴极面积比增大，提高了不同位置钢筋接收保护电流的均匀性以及外部阳极抵抗外界环境变化的能力。同时，碳纤维网格布的引入使得系统运行周期内的槽电压减小，主阳极极化电势平均增速降低，有利于长期维持较好的阳极服役性能。采用了碳纤维网格布的测试单元中钢筋受到更好的修复效果，阳极层的拉伸与弯曲韧性有较大幅度提升，证明连续碳纤维作为阳极辅助导电组分对ICCP系统具有电学与力学性能上的综合优化效应。
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