专利名称：混凝土中的钢的腐蚀防护的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用牺牲阳极电化学防护钢筋混凝土结构物中的钢，且特别地涉及离散分布的牺牲阳极组件在阻止暴露于空气的腐蚀损坏的混凝土构件内的钢腐蚀中的用途。
背景技术：
地面上的钢筋混凝土结构经受主要由于混凝土的碳酸化或氯化物污染导致的腐蚀诱发的损坏。当钢筋腐蚀时，其产生的副产物比由钢产生的产物占据更大的体积。因而，在加固钢棒周围产生膨胀。这导致钢的混凝土护面开裂和分层。通常的修复包括从混凝土结构中移除这块腐蚀损坏的混凝土。良好的措施是暴露损坏区域处腐蚀的钢并且移除腐蚀的钢后面的混凝土。然后用可相容的胶结修复混凝土或砂浆恢复混凝土轮廓。于是，混凝土由“原始(parent)”混凝土(即，剩余的初始混凝土)和“新”补片修复材料组成。
邻近修复区域的原始混凝土通常有可能经历导致腐蚀损坏的一些相同的氯化物污染或碳酸化。在原始混凝土中仍存在钢腐蚀风险。混凝土中的腐蚀是电化学过程，且电化学处理已用于处理这种腐蚀风险。在W094029496、US 632269UUS 6258236和US 6685822中描述了实例。确认的的电化学处理包括阴极保护、除氯和再碱化。这些电化学处理被分为永久处理或临时处理。永久处理基于在施加处理时仅预期持续的防护效果。永久处理的实例是阴极保护。当施加处理时，仅可实现接受的性能标准(BS EN 12696:2000)。除氯和再碱化是临时处理的实例(CEN/TS14038-1 :2004)。临时处理依赖于处理结束后持续的防护效果。在实际中，这意味着，施用者处理结构物，并且在处理合同结束时待处理的结构物交还给客户或消费者。电化学处理还可被分为外加电流处理或伽伐尼(牺牲)处理。在外加电流电化学处理中，阳极连接到DC电源的正极端子，而钢连接到DC电源的负极端子。外加电流阳极通常将是惰性电极。阳极是支持实质上氧化反应的电极，且在外加电流处理中，电极通过施加的电压转变成阳极。在伽伐尼电化学处理中，由直接连接到钢的一个或多个牺牲阳极提供保护电流。牺牲阳极是包括比钢惰性弱的(比钢更负的)金属的电极，且主要的阳极反应为牺牲金属元素的溶解。当牺牲阳极连接到钢时，牺牲阳极和钢之间的自然电势差驱动保护电流。保护电流以离子形式从牺牲阳极流到原始混凝土中到达钢，并且以电子形式通过钢和导体返回至牺牲阳极。在本说明书中，采用以正电荷的运动方向来表示电流流动方向的常规表述。用于混凝土结构的牺牲阳极可分为离散阳极(di screte anode)或连续阳极(US5292411)。离散阳极是接触大体上小于混凝土的覆盖受防护的钢的表面积的混凝土表面积的单独不同的元件。阳极元件通常通过不意图是牺牲阳极的导体彼此连接，并且通常嵌入到混凝土中的腔室内(ACI Repair Application Procedure 8-Installationof Embedded Galvanic Anodes (ACI修复应用程序8_嵌入的伽伐尼阳极的安装)(www.concrete, org/general/RAP-8, pdf)。离散牺牲阳极系统包括阳极、支持电解质和回填填料(backfill)。通常包括活化剂以维持牺牲阳极活性。回填填料提供空间，以接纳阳极溶解产物并且防止周围的硬化混凝土碎裂。离散牺牲阳极具有以下优势通过将阳极嵌入到在混凝土中形成的腔室内，相对容易地实现阳极和混凝土结构之间持久的附接。使用嵌入的离散阳极对混凝土中的钢进行伽伐尼保护不同于对土壤和水中的钢进行的牺牲阴极保护(BS EN 12954:2001)。嵌入到混凝土内的阳极组件必须是尺寸上稳定的，因为混凝土是不容忍嵌入的膨胀组件的刚性材料。阳极活化剂对混凝土是唯一的或需要以将使邻近的钢不存在腐蚀风险的方式被布置(W0 94029496，GB 2431167)。阳极被定位成相对靠近混凝土中的钢，并且当与在其他环境中的阳极相比时，嵌入的阳极小(离散阳极组件的直径通常小于50_)。用于气压所致暴露的混凝土的伽伐尼保护标准不同于用于土壤和水中的钢的阴极保护的标准。钢在未被污染的碱性混凝土中通常是钝化的。在气压所致暴露的混凝土中，通常通过恢复钢筋上的钝化膜来实现防护。这有效地极化钢上的阳极反应。在土壤和水中，钢上的钝化膜通常是不稳定的，且保护目的是极化阴极反应(通常是氧的还原)以阻止钢腐蚀。在伽伐尼处理中使用牺牲阳极的一个问题是用于阻止混凝土中的钢上的活性腐蚀过程的功率受牺牲阳极和钢之间的电压差的限制。该问题对于离散牺牲阳极系统是最大的，在离散牺牲阳极系统中，从相对小的阳极需要大的电流来防护钢的相对大的表面。密实的离散阳极通常将电流传递到原始混凝土的邻近阳极的区域中，该区域为期望被防护的钢面积的十分之一至十五分之一。多种方法最近已建议采用外加电流的形式来提高混凝土中的牺牲阳极的功率(W005106076，US 7264708,GB2426008)。一些早期的教导还依靠提高应用到土壤和盐水中的钢 的牺牲阴极保护应用中的牺牲阳极的功率，在应用到土壤和盐水中时，采用不同的防护标准(US 4861449)。在WO 05106076中，通过将电池或电池组的正极连接到牺牲阳极来形成牺牲阳极组件。在一种布置中，牺牲阳极形成电池的壳体，其中电池的正极邻近电解电池壳体。碱性电池通常具有这种性能。然后将电池的负极连接到钢。这种布置的问题是牺牲阳极不直接连接到钢，且电池的电荷容量大体上小于相似尺寸的牺牲阳极的电荷容量。因为阳极未直接连接到钢，所以在电池的电荷容量已经耗尽之后，阳极不能继续传递防护电流。在US 7264708中，提供了在将电流从牺牲阳极驱动到钢的电源或电池耗尽之后用于将牺牲阳极连接到钢的自动化装置。在该公开内容的实例中，二极管用于提供牺牲阳极至钢的连接。这种布置的问题是需要功率来实现这种连接，并且这降低防护效果的功率。通常的二极管(基于掺杂的硅半导体的二极管)将使用O. 6V的电压，以变成导体，且在典型的牺牲阳极系统内没有足够的电压来驱动大量的电流通过这种二极管。这种布置的另一个问题是电源被定位成远离阳极并且用电缆连接到阳极，该电缆必须被维持并且免受环境影响和免受到破坏。GB 2426008 (US申请号11/908858)公开了依赖于酸化-凹坑再碱化(pitrealkalisation)机理的混凝土中的腐蚀开始和阻止的新的理论。临时的电化学处理用于在将阳极手动地连接到钢之前从牺牲阳极传递凹坑再碱化过程。凹坑再碱化过程通过恢复在腐蚀位处高的PH来阻止活性腐蚀。以临时外加电流处理形式应用的凹坑再碱化过程通常持续不到3周。然后维持无腐蚀条件，在钢处具有低水平的伽伐尼产生的氢氧化物。手动地实现外加电流和伽伐尼处理之间的转换，并且这通过临时外加电流处理的有限的持续时间被促进。用于临时外加电流处理的电源和电缆从现场移除。该公开内容的问题是临时外加电流处理需要熟练操作者。离散牺牲阳极系统的另一个问题是电流分布。对于被结合以暴露在混凝土修复区域处的混凝土内形成的腔室中的钢的阳极，该问题是最大的。多种解决方案已建议改进结合到钢的阳极的电流分布(GB2451725，W005121760，W0 04057056)。然而，这些解决方案都基于通过提高流到最近的钢的电流的阻力来将电流流动限制到最近的钢。本发明解决的问题是增大从牺牲阳极组件可得的功率，用以阻止活性腐蚀过程，同时将牺牲阳极连接到混凝土中的钢，并且用以通过将增大的电流引导成远离最近的钢来改进来自连接到钢的牺牲阳极的电流分布。概述本发明公开了一种控制电流输出离开比钢惰性弱的离散牺牲阳极的方法，所述方 法使用另外的阳极-阴极组件以调节阳极附近的环境中的电场，同时用电子导电的导体将牺牲阳极连接到钢。在一种布置中，具有空气阴极的电场调节器(modifier)用于维持高的电流输出离开嵌入到混凝土中的牺牲阳极。使用调节器中的空气阴极需要与诸如暴露于空气的混凝土的环境组合，因为在这种环境中，阴极保护是通过改变钢处的环境来诱发钢钝化或阳极极化而实现的(GB2426008)，且阴极反应动力学被弱极化。在阴极保护是通过阴极极化钢而实现的诸如土壤和水的环境中，空气阴极不大可能发挥作用，因为待防护的钢代表空气阴极，该空气阴极相对于可能被组装在阳极组件内的空气阴极具有非常大的表面积，且阳极组件中的空气阴极将不具有支持用于极化待防护的钢上的空气阴极所需的防护电流的能力。在另一种可选择的布置中，电场调节器被置于邻近牺牲阳极的环境中，以向牺牲阳极电流输出提供初始提高来阻止腐蚀过程，并且在调节器中的电荷已耗尽之后牺牲阳极继续起作用，因为牺牲阳极通过电子导电导体连接到钢，且由牺牲阳极经电解质至被防护的钢形成了离子导电路径。离子导电路径至少在调节器中的电荷已耗尽且调节器不再起作用之后形成。在这种情况下，牺牲阳极的电荷容量比在阳极组件中的调节器的电荷容量大得多。在另一种可选择的布置中，电场调节器被布置成相对于更靠近阳极流向钢的电流，来提高从牺牲阳极更远离阳极流向钢的电流。在这种情况下，牺牲阳极优选地被结合到钢棒部分，并且调节器被布置成提高从牺牲阳极远离该钢棒部分流动的电流。电场调节器包含通过电子导电连接件电子地连接到至少一个阴极电极的至少一个阳极电极，且阳极和阴极彼此背向。阳极上的氧化反应(阳极反应)和阴极上的还原反应(阴极反应)可在无任何外部驱动势下发生。一种类型的电场调节器是包括具有与支持还原反应的阴极侧或面电子接触的支持氧化反应的阳极侧或面的元件，其中阳极和阴极彼此背向(即，阳极和阴极大体上面向不同的方向)。自然电势差是通过分别在阳极和阴极上的氧化和还原反应产生的，该自然电势差试图驱动电流通过调节器。如果电解质将调节器的阳极连接到其阴极，通过电化学反应激发的离子电流将从阳极流到阴极。电化学反应消耗分别在阳极和阴极处的还原剂和氧化剂(即，分别在阳极和阴极处，还原剂被氧化而氧化剂被还原)。优选地，这些反应应当在使用之前被抑制，以提高调节器的保存期。这可通过将调节器保持在干的环境中以限制阳极和阴极处的电解质的量，和/或通过阻止阳极处的电解质与阴极处的电解质接触来实现。调节器位于牺牲阳极和钢之间的电场中。当调节器的阴极面向牺牲阳极而调节器的阳极背向牺牲阳极时，调节器增大了流过与调节器相交的路径的电流。因此，调节器还增大由牺牲阳极传递的总电流。调节器有效地起到泵送电流通过调节器的电流泵的作用。附图简述现在将参考附图，以示例方式来进一步描述本发明，其中图I阐述了电场调节器对牺牲阳极和钢之间的电流流动的影响。
图2基于安装组件的目的示出了阐述使用位于在混凝土中形成的腔室内的牺牲阳极/调节器组件的布置。图3示出了阐述在将组件安装在混凝土补片修复区域中时使用牺牲阳极/调节器组件的布置。图4示出了用于测试实施例I和2的理论的沙箱布置。图5示出了当将电场调节器插入到实施例I中的沙箱并且从实施例I中的沙箱移除时伽伐尼电流输出的变化。图6示出在实施例2中的对照试验和涉及两个不同调节器的两个试验的初始伽伐尼电流输出。图7示出在实施例2中的对照试验和涉及两个不同调节器的试验的中期伽伐尼电流输出。图8示出在实施例3中使用的实验布置，以测试调节器对传递到水泥砂浆中的钢的防护电流的影响。图9示出在实施例3中使用的钢阴极的截面。
图10示出在实施例3中的对照试验和涉及调节器的试验的初始伽伐尼电流输出。图11示出在实施例3中的对照试验和涉及调节器的试验的第6天至第21天的伽伐尼电流输出。图12示出在实施例3中的对照试验和涉及调节器的试验的第15天至第60天的伽伐尼电流输出。详述图I阐述了电场调节器对电流流动的影响。在该实例中，调节器[I]位于在电解质[4]中的牺牲阳极[2]和被防护的钢[3]之间。牺牲阳极[2]通过连接件[5]连接到钢[3]。从牺牲阳极[2]流过电解质[4]到钢[3]的伽伐尼防护电流经由连接件[5]返回到牺牲阳极[2]。调节器[I]具有充当阴极的面向牺牲阳极[2]的表面和充当阳极的面向钢的表面，且阳极和阴极之间的自然电势差激发阳极和阴极上的反应。调节器[I]的阳极电极和阴极电极通过电子导电连接件背靠背地连接且面向相反的方向。还涵盖调节器的其他电极布置。在图I中，电解质[4]中的带箭头的线表示正离子电流流过电解质[4]的方向。借助于调节器[I]的阳极和阴极之间的电压，电流从牺牲阳极[2]流过调节器[I]到钢[3]。当在调节器[I]上的阳极和阴极反应增大与调节器[I]相交的路径上流动的电流时，从牺牲阳极[2]流到钢[3]的总电流被增大。此外，绕过调节器[I]的电流被减少或被转向。因此，牺牲阳极[2]的电流输出可被指引通过电解质的特定区域，同时总电流增大。调节器[I]像电流泵那样起作用。在调节器电极表面上的电化学反应将其内侧上的电子(电流)从其阴极电极驱动到其阳极电极。这可用于改变在调节器外侧的电解质中的离子电流。应领会，调节器[I]可用于增强外部电流的流动，改变外部电流的方向或甚至使外部电流的方向反向。电场调节器优选地是被成形为管或中空容器的板的形式。其内表面优选地是阴极，且外表面优选地是阳极。牺牲阳极优选地位于构成管或中空容器的调节器内。为了增大牺牲阳极的电流输出，调节器的阴极面向牺牲阳极，且调节器的阳极背向牺牲阳极。调节器可包括单个元件或在其间具有间隙的若干离散元件，或调节器可以被贯穿有间隙或空隙的单个元件。若干调节器可彼此串联或并联使用。调节器的阳极是支持氧化反应的电极，而调节器的阴极是支持还原反应的电极。
用于调节器的阳极的合适的可氧化材料(还称为还原剂或还原物)包括锌、铝、镁或其合金。用于混凝土中时，锌或锌合金阳极是优选的。由锌阳极支持的氧化反应是锌的溶解。调节器的阴极包括电子导电表面以及可还原材料，在该电子导电表面上可发生还原。用于阴极的合适的可还原材料(还称为氧化剂或氧化物)包括氧和二氧化锰。电子导电表面和可还原材料形成比调节器的阳极的惰性更强的电极(即，为了调节器有效，阴极的电势比阳极的电势更正)。在其上可发生还原的合适的电子导电表面是碳、银和镍。该表面优选地抗氧化。用于调节器的可能的阳极和阴极材料的其他实例可见于电池技术领域中。阴极材料通常是来自空气的氧或可以为多孔的固体。固体阴极材料包括金属氧化物例如二氧化猛。调节器不同于电池或电池组，因为调节器的阳极在使用之前通过连接件连接到背向调节器的阳极的调节器的阴极，该连接件允许电子在其阳极和其阴极之间流动。在使用时通过引入电解质使回路完整。相比之下，电池或电池组的阳极和阴极在使用之前通过电解质连接，且当使用电池或电池组时，通常通过电子导电部件使回路完整。在使用时，电解质将调节器的阳极连接到混凝土中的被防护的钢，且电解质将牺牲阳极连接到调节器的阴极。调节器的阳极和阴极之间的电解质连接件对于调节器发挥作用来说不是必须的，且优选地在使用之前被省略，以保存调节器的保存期。牺牲阳极和调节器的阴极之间的电解质连接件可在使用牺牲阳极/调节器组件之前被形成，且可以是该组件的一部分。可选择地，牺牲阳极和调节器的阴极之间的电解质连接件可在安装组件时形成。当调节器操作时，其可氧化材料和可还原材料被消耗。因此，调节器具有有限的使用寿命，这取决于这些材料的电荷容量。当可利用的可氧化材料或可还原材料被耗尽时，调节器的寿命将结束。与诸如二氧化锰的阴极材料相比，诸如锌的阳极材料往往具有相对高的电荷密度，且占据小的体积。然而，如果来自空气的氧用作主要的可还原材料，则阴极体积且因此调节器可最小。然后，阴极可包括有助于来自空气的氧发生还原的薄的碳涂层或银涂层。这样的阴极称为空气阴极且有效地具有无限的寿命。因此调节器的寿命由其阳极决定。需要氧和水两者来支持空气阴极，但在所有环境中无法利用氧来支持相对高的阴极还原反应速率。来自空气的氧在暴露于空气且被定期进行干燥的混凝土结构物中是易于得到的。在空气干燥的混凝土(其将不是完全干燥的)中，可发生等同于大于200mA/m2的电流密度的阴极氧还原速率。这在大于混凝土中的典型阴极保护电流密度的数量级之上，且在这些条件下，空气阴极工作良好，因为它可促进和支持高的电流密度。具有空气阴极的调节器适用于在空气中被干燥的混凝土中。在其他环境中，例如海水和土壤中，阴极保护电流密度趋于具有与等于氧还原的最大速率的限制电流相同量级的量级，且在这些环境中，调节器中的空气阴极不是有效的，因为氧进入随后限制了阴极电流输出。具有空气阴极的调节器然后将阻挡牺牲阳极的电流输出。因此具有空气阴极的调节器通常不适用于土壤中和海水中。图I还表明电解质[4]中的绕过调节器[I]的电流方向可被反向。电流从调节器 的阳极流过电解质[4]到调节器的阴极。在许多情况下，电解质[4]中的绕过调节器[I]的反向电流方向表示调节器中的电荷的无效使用，因为该电荷不形成流到钢的电流的部分。一种最小化反向的电流的量级的方法是使用在其阳极和其阴极之间具有更小电势差的调节器。锌-空气调节器在其阳极和阴极之间将具有与牺牲阳极和钝化钢之间的电势差相似的电势差，且因此将趋于使其电荷比具有更高的电势差的阳极阴极组合的调节器更有效。电极的使用寿命取决于储存在可氧化材料或可还原材料中的电荷和该电荷的使用效率。在一些情况下，牺牲阳极的使用寿命(即，牺牲阳极具有用于将电化防护电流传递到钢的能力的时间周期)可大体上大于调节器的使用寿命(即，调节器具有用于增大在贯穿调节器的路径上流动的电流的能力的时间周期)。例如，牺牲阳极的使用寿命可以是调节器的使用寿命的两倍或三倍或十倍。当仅在开始伽伐尼处理需要高的电流来阻止混凝土中的腐蚀过程时，这是优选的，因为它导致牺牲阳极中的电荷的更有效的使用。在这种情况下，需要在牺牲阳极和被防护的钢之间的离子导电路径，以在调节器的使用寿命耗尽之后继续传递伽伐尼电流。这可通过在填充含有电解质的多孔材料的调节器内留有间隙或空隙，或通过使用当电解质耗尽时被转变成含有电解质的多孔材料的调节器，或通过组合这些特征来实现。锌-空气调节器可通过锌的腐蚀和空气阴极的电子导电表面的破坏被转变成多孔固体。当它是薄的锌表面处理或直接附接到支持氧还原的锌表面的涂层时，电子导电表面可通过锌的腐蚀而被破坏。当阴极的电子导电表面是通过阳极的消耗而被破坏时，具有包括导电表面和多孔的可还原材料的阴极的其他调节器还可被转变。如果牺牲阳极的电流输出响应环境的侵蚀性本性时，牺牲阳极的电荷还可被更有效地消耗。对于防护电流，优选地是积极地响应影响钢腐蚀风险的因素，以改进牺牲阳极中的电荷的有效使用。因此，在干的或冷的环境中的牺牲阳极电流输出优选地低于其在热的或湿的环境中的电流输出。使用调节器允许牺牲阳极的电流输出提高，而不限制湿/干或热/冷循环对牺牲阳极的电流输出的影响。在一些情况下，优选的是指引电流离开牺牲阳极，以改进电流分布。当将牺牲阳极直接结合到腐蚀损坏的混凝土修复区域处的未污染的修复材料中的钢部分时，这是相关的。在这种情况下，电流需要流到与修复材料中的钢相对的邻近的原始混凝土中的钢。为了提高该电流，调节器可定位到牺牲阳极的背向钢的最近部分的侧。调节器的阴极面向牺牲阳极。在图2中给出阐述牺牲阳极/调节器组件的用途的一种布置。这种布置适于将组件嵌入到在混凝土中形成的腔室内，用于安装组件的目的。腔室[8]可被钻或挖到混凝土中的孔洞中，且直径将通常不大于50mm。腔室[8]优选地按尺寸制作以接纳组件。牺牲阳极[10]为位于腔室[8]的中心中的棒的形式，且长度将通常不大于200mm且可围绕导体被铸造。通过导体[12](通常为电缆或电线)将牺牲阳极[10]连接到的钢。优选的导体大体上包括钛，因为这还将允许牺牲阳极与外加电流(驱动高的电流离开阳极的电源)一起使用，这可用于临时处理中，以阻止将来的腐蚀并且为管理将来的腐蚀风险提供便利。在两端开口的管或中空的圆柱体形式的包括阳极[14]和阴极[15]的调节器[13] 基本上包围牺牲阳极[10]。阴极可以是空气阴极，且来自空气的氧可通过调节器的任一开口(图2中的顶部或底部)扩散到管中。在调节器的使用寿命结束时，这些开口还提供牺牲阳极和钢之间的离子导电路径。填料[16]提供电解质，电解质是将牺牲阳极连接到调节器的阴极的离子导体。填料将优选地为多孔固体或含电解质的油灰的形式。回填填料[17]提供用于将调节器的阳极连接到原始混凝土的电解质。回填填料和填料可设想地是相同的材料或不同的材料，且可在相同的时间或不同的时间安装。填料可通过多孔层与回填填料分开，在多孔层中，孔与疏水性材料对准。这提供透气的疏水层，该疏水层允许氧移动到空气阴极，但限制通过调节器的阳极和阴极之间的电解质形成路径，且因此增强调节器的有效使用。可通过用基于硅烷的憎水剂处理诸如水化水泥浆的多孔材料来制备疏水性多孔材料。透气的疏水性材料可从组件的外部延伸到空气阴极的任何部分，以促进氧进入到空气阴极。混凝土中的腔室可部分地填充有回填填料，且牺牲阳极和调节器安装在腔室中，使得回填填料填充牺牲阳极、调节器和原始混凝土之间的空间。这可通过首先安装回填填料然后将牺牲阳极和调节器压到回填填料中来实现。在这种布置中，回填填料充当填料和回填填料两者。牺牲阳极和调节器可作为单独的单元被预安装，使调节器附接到牺牲阳极并且与牺牲阳极间隔开。牺牲阳极不必须用电子导电附接件附接到调节器。然后可用胶结修复砂浆或混凝土 [18]覆盖腔室中的组件，如在图2中图示。适合于维持牺牲阳极活性的活化剂可以以涂层形式应用到牺牲阳极，或它可被包括在填料内或牺牲阳极的主体内。调节器的阳极还可被活化剂覆盖，或混凝土中的侵蚀性离子可通过邻近的混凝土中诱发的离子电流被引到调节器的阳极，以维持阳极的活性。在图3中给出阐述使用牺牲阳极/调节器组件的方法的另一种布置。这种布置适于将组件附接到暴露在混凝土补片修复区域的钢棒部分。通过电子导电带[23]将牺牲阳极[21]附接到钢棒[22]。牺牲阳极可通过间隔物[24]与钢棒间隔开，以改进电流分布。牺牲阳极基本上被具有“U”形截面调节器[25]包围。调节器包括面向牺牲阳极的阴极[26]和背向牺牲阳极的阳极[27]。调节器[25]被定位成指引电流远离钢部分。通过填料[28]中的电解质将调节器的阴极连接到牺牲阳极。填料优选地为多孔固体或油灰的形式。填料的孔可部分地填充有空气，以促进空气阴极的功能，且可包括透气的疏水性材料。电解质还应存在于填料的孔中，以有助于离子导电和电化学反应(牺牲阳极上的氧化和调节器的阴极上的还原)。可通过胶结混凝土修复材料[30]将调节器[25]的阳极[27]连接到混凝土。适合于维持牺牲阳极活性的活化剂可以以涂层形式应用到牺牲阳极，或它可被包括在填料内或牺牲阳极的主体内。调节器的阳极还可被覆盖活化剂或在其主体内包含活化齐U。调节器的阴极可以是空气阴极，且“U”型截面调节器的端部可以是打开的，以有助于来自空气的氧通过修复材料和填料至调节器的阴极的扩散。当调节器中的电荷耗尽时，这些开口还提供牺牲阳极和混凝土中的钢之间的绕过调节器的离子导电路径，以有助于牺牲阳极继续起作用。在图3的布置中，优选地是形成包括牺牲阳极[21]、调节器[25]和填料[28]的组件作为执行单元或组件。执行单元或组件还优选地包括间隔物[24]、连接器[23]或接点和适合于维持牺牲阳极活性的活化剂。被提供以有助于氧从空气传递或运动到阴极的调节器内的开口可通过透气的疏水性(憎水剂)处理被处理，以改进氧从空气至填料材料的扩散。
在一个方面，本发明提供了一种使用离子导电填料和包括牺牲阳极和电场调节器的组件防护暴露于空气的硬化钢筋混凝土中的钢的方法，该方法包括以下步骤通过电子导电导体将牺牲阳极连接到钢，以及通过电解质将调节器连接到混凝土，其中牺牲阳极是比钢较小惰性的金属，且牺牲阳极基本上被调节器包围，且调节器包括这样的元件，其支持还原反应的阴极侧与支持氧化反应的阳极侧电子接触，且调节器的阴极面向牺牲阳极，并且通过填料与牺牲阳极分离，且填料是含有电解质的多孔材料，该电解质将牺牲阳极连接到调节器的阴极，且调节器的阳极背向牺牲阳极。在另一个方面，本发明提供了一种防护在暴露于空气的硬化钢筋混凝土构件中的钢的组件，该组件包括牺牲阳极和电场调节器，其中牺牲阳极是比钢较小惰性的金属，且牺牲阳极包括连接器，用于将牺牲阳极电子地连接到被防护的钢，且牺牲阳极基本上被调节器包围，且调节器包括这样的元件，其支持还原反应的阴极侧与支持氧化反应的阳极侧电子接触，且调节器的阴极面向牺牲阳极，并且通过填料与牺牲阳极分离，且调节器的阳极背向牺牲阳极。调节器的阴极可包括具有还原反应的空气阴极，该还原反应大体上包括来自空气的氧的还原。透气的疏水性材料可包括在牺牲阳极/调节器组件中。牺牲阳极的使用寿命可大体上大于调节器的使用寿命，且至少在调节器的使用寿命结束之后，可提供在牺牲阳极和混凝土之间的离子导体路径。牺牲阳极可连接到混凝土补片修复区域中的钢部分，且调节器可相对于牺牲阳极被定位，以增强电流在远离钢部分的方向上的流动。组件可包括结合到混凝土补片修复区域内的钢部分的面，且调节器可相对于牺牲阳极被定位，以增强从远离组件的被结合到钢的面的方向上流动的电流。按尺寸制作以接纳组件的腔室可形成在硬化混凝土中，且组件可被安装在腔室内。组件可被安装在腔室中的回填填料内，其中回填填料含有将调节器的阳极连接到混凝土的电解质。组件可包括尤其适合用于混凝土中的活化剂，以活化牺牲阳极。调节器的阳极和牺牲阳极可包括锌或铝或镁或其合金。实施例I使用标准氯化锌D尺寸电池(还成为通过国际电工委员会分类R20的锌-碳电池)的锌壳体(zinc casing)来构造电场调节器。从壳体切割锌板，并且弄平且砂磨，以清洁任何沉积的锌。锌板测量为约55X 100mm。锌板的一面被用于在电路板上形成电连接的 2层电子导电的银漆类型的涂层覆盖。然后，在240°C下烘焙板15分钟，以除去涂层溶剂。然后将石墨棒形式的碳涂在银表面上，以产生稀疏的薄的灰色涂层。使用220号砂纸除去锌板的相反面上的任何涂层，以留下明亮的锌表面。银表面和碳表面将充当空气电极(阴极)以有助于氧化剂氧的还原，同时锌表面将提供待被氧化(阳极)的还原剂(锌)。当添加电解质时，氧的还原和锌的氧化将提供电场，用于增强从牺牲阳极至锌的电流流动。在图4中示出试验布置。在混凝土或砂浆的地方使用高抵抗力的沙箱[33]，以有助于加速试验理论。使用微小湿度来形成沙箱，以模拟诸如混凝土的高抵抗力的多孔环境，用于试验目的。用水将沙弄湿，但沙不是饱和的，以在抵抗性的多孔环境中提供一些电解质和一些空气。将约Ikg润湿的细沙与一勺食盐混合，以产生含有用于锌阳极的活化剂的环境。将混合物放入测量值100X 150X50mm的塑料容器中来形成沙箱。将同样从D-电池中获得的清洁的锌板插入到容器的一端的沙内，以充当牺牲阳极[34]。将相似尺寸的钢板插入到沙箱的另一端的沙内。通过缆线[36]和安培计[37]将锌连接到钢。在10分钟后，初始伽伐尼电流降至O. 55mA。在该点处，速率变化足够低，以致对于短期试验可认为电流是稳定的。然后将调节器[38]插入到锌牺牲阳极和钢之间的沙内，使其银表面面向锌阳极，且使其锌表面面向钢。当插入调节器时，电流开始上升。在将调节器插入后，电流继续上升并且在5分钟至20分钟之间达到峰值O. 82mA。在20分钟后，电流开始显示下降标志。使伽伐尼电偶连接整夜。在10小时后，再次测得O. 68mA。空气温度为约15°C。将具有调节器的沙箱放入较温暖的环境中。在39小时后，沙箱被加热到约20°C至25°C。再次测量电流。这次，测量为1.26mA。移走调节器，且在30分钟后电流然后稳定在O. 48mA。再次将调节器插入到沙内，但这次旋转调节器，使得银表面面向钢。电流降至-O. 08mA。调节器的电场完全抑制了锌钢电偶的电场，并且使电流流动的方向反向。接下来，在将水添加到沙以更换通过蒸发损失的水后，重复进行上面的实验。使用数据记录仪记录锌牺牲阳极和钢之间的电流。在图5中给出电流-时间行为。在不存在调节器下测量开始时伽伐尼电流。伽伐尼电流在刚刚超过2mA时稳定。然后，将调节器(图5中的零时刻)插入到牺牲阳极和钢之间，使调节器的阴极面向牺牲阳极。在接下来45分钟期间伽伐尼电流增大到3. 3mA。在45分钟后，移走调节器并且伽伐尼电流降回至2mA，持续20分钟。在65分钟后，将调节器再次插入到牺牲阳极和钢之间，但这次使调节器的阳极面向牺牲阳极。伽伐尼电流降至O. 7mA，持续30分钟。在95分钟后，移走调节器，并且伽伐尼电流再次上升到2mA。上述试验已表明调节器可用于大体上增大或减小牺牲阳极的电流输出。实施例2使用如在实施例I中描述的锌板构造约55X50mm尺寸的两个电场调节器。首先用2层银漆涂层覆盖每个锌板的一面，且然后按照在实施例I中的描述烘焙。因此，每个板的一面为锌，且另一面为导电的银涂层。然后用富碳的漆覆盖银涂覆的表面。为制备碳漆，砂磨来自锌-碳电池的中心的碳棒以产生细的碳粉。然后将粉末与一滴澄清的外用清漆混合，且是清漆溶剂稀释剂的约10倍。目标是干的漆膜中的碳与粘合剂比大于10 I。然后进一步烘焙上漆的锌板，以除去溶剂。使用具有2个探针的电阻计检验上漆表面的导电性，电阻计被轻微地压到碳涂覆的表面上。电阻小于I欧姆。这些板中的一个用作锌-空气调节器且在该实施例中称为锌-空气调节器。 二氧化锰-碳混合物被应用到其他锌-碳板的碳涂覆的表面。二氧化锰-碳混合物来源于标准氯化锌D尺寸电池的阴极侧。二氧化锰-碳混合物以层的形式被应用到一个锌-碳板的碳涂覆的表面，且然后被墙纸糊覆盖，然后被薄的吸收纸巾覆盖，且然后在约60kg的重量下被牢固地压在一起。然后将二氧化锰-碳混合物和吸收纸巾修剪到锌板的边缘，以提供在一面上具有2mm厚的二氧化锰-碳层和在另一面上具有未涂覆的锌的锌板。这种调节器称为锌-二氧化锰(MnO2)调节器。按照在实施例I中的描述制备一批含有电解质和空气的潮湿的细沙-盐混合物。混合物用于填充测量值90X65X35mm的3个小的沙箱。测量值约55X50mm的裸露的锌板被部分地插入到每个箱的一端内，且相似尺寸的钢板被部分地插入到另一端内。在每个沙箱中通过100欧姆电阻器将锌连接到钢来形成伽伐尼电池。流过电阻器的伽伐尼电流和产生的电压被测量，以监测伽伐尼电流。总的布置与在图4中示出的相似，但用100欧姆电阻器代替安培计。首先在不使用任何调节器下测量沙箱中的伽伐尼电流。产生最高的伽伐尼电流的沙箱被选择为对照。锌-空气调节器被插入到第二沙箱的锌牺牲阳极和钢之间。调节器的碳表面面向锌牺牲阳极。锌-二氧化锰调节器被插入到第三沙箱的锌牺牲阳极和钢之间。调节器的二氧化锰表面面向锌牺牲阳极。在该过程期间，记录伽伐尼电流(记录在数据记录器上)。在图6和7中示出来自3个沙箱的伽伐尼电流。在这些图中，在零时刻时将电场调节器插入到锌阳极和钢之间的沙内。在调节器刚被插入之后，具有锌-二氧化锰调节器的伽伐尼电池产生最高的伽伐尼电流(图6)。然而，该高的初始电流衰减10小时以上，且然后具有锌-空气调节器的伽伐尼电池产生最高的伽伐尼电流。由于锌和钢之间的沙变干，来自所有三个电池的电流大约以慢的速率衰减。在7天后，将沙箱插入到大的塑料袋中，以减慢沙的进一步的干燥速率并且使伽伐尼电流稳定，用以主要减慢将与温度日变化相关的日波动(图7)。随着时间，由具有锌-二氧化锰调节器的电池产生的伽伐尼电流重新恢复到接近锌-空气调节器的电流的值。这些结果再次表明电场调节器能够大体上提高牺牲阳极的短期电流输出。另外，在二氧化锰作为阴极材料被消耗(通过还原被消耗)后，在开始时具有更大功率的二氧化锰阴极的调节器可变为具有空气阴极的调节器。实施例3在图8中示出实施例3的试验布置。使用重量比4 : I : O. 8的潮湿的沙、波兰特水泥和水来铸造270mm长X 175mm宽X IlOmm高的两个水泥砂浆块[41]。砂浆具有相对差的质量，且在铸件的顶部上形成一些流出水。在铸造过程期间，将具有O. 12m2的表面积的钢阴极[42]放置在每个砂浆块的外边缘中。钢阴极由两个300mmX100mm钢板形成，钢板被切割和折叠以形成20mm宽X 90mm长设置的钢条,该钢条被IOmmX 300mm条连接，以在试验过程期间允许钢的两面接受电流。在图9中示出被切割和折叠的钢阴极的节段。电缆[43]连接到钢阴极并延伸超过水泥砂浆，以能够使形成的电连接件至钢阴极。在水泥砂浆块的中心中形成40mm直径X 70mm深度的孔洞[44]，以封装牺牲阳极组件。水泥砂浆块被覆盖并被放置7天以硬化。在除去电池的底部、顶部和内部之后，用来自在实施例I中描述的标准氯化锌D尺 寸电池的锌圆柱体制备电场调节器[45]。锌圆柱体测量为32mm直径X 55mm长度。锌圆柱体被轻度砂磨并用肥皂洗涤以除去任何沉积物。然后用2层银导电漆涂层和一层碳导电漆涂层覆盖锌圆柱体的内侧，并且按照在实施例2中的描述烘焙，以形成调节器的阴极[46]。圆柱体的外表面形成调节器的阳极[47]。将包括基于淀粉的墙纸糊的盐浆和食盐(主要是氯化钠)以等体积混合，并且应用到调节器的外部锌表面。然后，在烘箱中在240°C下再次烘焙15分钟，以干燥盐浆并且在外部锌表面上形成盐的硬层(crusty layer)。盐-淀粉涂层的目的是为锌阳极提供活化剂。该调节器称为锌-空气调节器，因为阳极反应是锌的溶解，且阴极反应是来自空气的氧的还原。通过围绕钛丝铸造15mm直径、35mm长的锌棒来形成两个锌牺牲阳极。锌棒的表面被上述盐浆覆盖且被烘焙，以在锌表面上形成盐的硬层。在水泥砂浆试样已硬化7天后，将每个试样的中心中的40mm直径的孔洞部分地填充有石灰膏[50]，并且将锌牺牲阳极[49]插入到石灰膏中，使得牺牲阳极和膏填充约85%的孔。通过电缆[51]和100欧姆电阻器[52]将牺牲阳极连接到钢阴极，并且按照在实施例2中描述测量并记录伽伐尼电流。将两个试样放置I. 5小时以稳定化，且产生最高的伽伐尼电流的试样被选择作为对照试样，同时第二试样用于测试锌-空气调节器。在I. 5小时后，将水添加到两个试样的石灰膏中，以软化膏。然后围绕一个试样中的牺牲阳极[49]将锌-空气调节器[45]压到膏[50]中，以基本上包围牺牲阳极。记录伽伐尼电流并且示出在图10和11中。在图中，零时刻是调节器被安装的时刻。对照试样不具有调节器。初始地，看不见调节器的积极的作用(图10)。实际上，作用显示为不利的。具有湿膏的对照试样似乎比具有湿膏和调节器的试样递送大体上更大的电流。然而，当膏开始干燥和硬化时，调节器的显著的积极作用变得明显。为了解释这种观察，注意到，对于水泥砂浆中的这种小的牺牲阳极组件，3mA的伽伐尼电流是相对高的电流。它等于在550mA/m2的调节器上的阴极电流密度。假定对于调节器的阴极在非常润湿的膏中难以支持这种高的电流密度，因为来自空气的氧与调节器的阴极上的碳接触来持续阴极还原反应。在这种情况下，调节器的阴极将阻止高的电流密度。当膏干燥时，氧更易于进入调节器的阴极，同时阳极反应(锌的溶解)变得更受限制。因此，当膏干燥并硬化时，调节器趋于持续电流。这种观察表明电解质和空气都需要具有空气阴极的调节器以进行工作。在2. 6天后，每个水泥砂浆试样中的牺牲阳极组件被水泥砂浆覆盖，该水泥砂浆填充剩余部分的孔洞。将两个试样放置到外部并且暴露于UKMidland的天气。天气初始是晴朗且干燥的，在傍晚时使直射阳光落到试样上，且试样被相对快速地干燥。这种天气持续到第11天。日最高空气温度从第3天的17°C提高到第8天和第9天的26°C。在第12天，第一系列的冷锋穿过区域，并且日最高温度降至低于13°C。还具有更多的云和较少的太阳。在第15天，天气开始下雨，使一些显著阵雨润湿试样。间歇阵雨持续至第19天。在第17天，交换对照砂浆块和锌-空气调节器砂浆块的位置，以最小化气候中的任何变化效应。第20天日最高空气温度上升到17°C。在图11中给出第6天至第21天之间的两个试样的伽伐尼电流。数据表明调节器对阳极组件的伽伐尼电流输出具有实质上积极的影响。调节器导致高于从第6天向前的任何24小时时间的平均伽伐尼电流，该平均伽伐尼电流高于对照试样的伽伐尼电流的I. 6倍至5. 6倍之间。空气温度的日变化的影响和第15天的雨还显示在数据中，并且表明在调节 器的存在下，防护电流输出对水泥砂浆的侵蚀性本性的变化的有益的响应行为被维持并且被放大。当通过傍晚时的太阳辐射来直接加热试样时，最显著的日变化发生在第7天至第12天之间。当天气阴沉时，这些显著的日变化消失。具有雨水的润湿试样的影响是在第15天后发生的较慢的过程。在图11中给出第15天至第65天之间的两个试样的伽伐尼电流。数据表明调节器的作用持续直至第45天。在调节器耗尽之后，牺牲阳极以相似的量级继续将电流传递到对照试样。因此，可以产生具有调节器的阳极组件，其中最初提高了调节器传递牺牲阳极电流输出，而对牺牲阳极的长期伽伐尼电流输出无任何实质上不利的影响。
权利要求
1.一种防护暴露于空气的硬化钢筋混凝土构件中的钢的方法，所述方法采用离子导电填料和包括牺牲阳极和电场调节器的组件，所述方法包括以下步骤 通过电子导电导体将所述牺牲阳极连接到所述钢，以及 通过电解质将所述调节器连接到所述混凝土， 其中 所述牺牲阳极是惰性不如钢的金属，且 所述牺牲阳极基本上被所述调节器包围，且 所述调节器包括元件，所述元件的支持还原反应的阴极侧与支持氧化反应的阳极侧电子接触，且 所述调节器的阴极面向所述牺牲阳极，并且通过所述填料与所述牺牲阳极分开，且 所述填料是含有电解质的多孔材料，所述电解质将所述牺牲阳极连接到所述调节器的阴极，且 所述调节器的阳极背向所述牺牲阳极。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述调节器的所述阴极包括空气阴极，所述空气阴极具有大体上包括来自空气的氧的还原的还原反应。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述组件包括透气的疏水性材料。
4.如权利要求I至3中任一项所述的方法，其中所述牺牲阳极的使用寿命大体上大于所述调节器的使用寿命，且至少在所述调节器的使用寿命结束之后，在所述牺牲阳极和所述混凝土之间提供离子导电路径。
5.如权利要求I至4中任一项所述的方法，其中所述牺牲阳极连接到混凝土补片修复区域中的钢部分，且所述调节器相对于所述牺牲阳极被定位以增强电流在远离钢部分的方向上的流动。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述组件包括被结合到混凝土补片修复区域内的钢部分的面，且所述调节器相对于所述牺牲阳极被定位以增强在远离被结合到钢的所述组件的所述面的方向上流动的电流。
7.如权利要求I至4中任一项所述的方法，其中在所述混凝土中形成按尺寸制作以接纳所述组件的腔室，且所述组件被安装在所述腔室内。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述组件被安装在所述腔室中的回填填料中，且所述回填填料含有用于将所述调节器的阳极连接到所述混凝土的电解质。
9.如权利要求I至8中任一项所述的方法，其中所述组件包括尤其适用于混凝土中的活化剂，用以活化所述牺牲阳极。
10.如权利要求I至9中任一项所述的方法，其中所述牺牲阳极大体上包括选自由以下组成的组的材料锌、铝、镁、锌合金、铝合金和镁合金。
11.一种适合于在权利要求I至10中的任一项中使用的组件，所述组件包括牺牲阳极和电场调节器，其中 所述牺牲阳极是惰性不如钢的金属，且 所述牺牲阳极包括连接器，用于将所述牺牲阳极电子地连接到混凝土中的钢，且 所述牺牲阳极基本上被所述调节器包围，且 所述调节器包括元件，所述元件的支持还原反应的阴极侧与支持氧化反应的阳极侧电子接触，且 所述调节器的阴极面向所述牺牲阳极，并且与所述牺牲阳极分开，且 所述调节器的阳极背向所述牺牲阳极。
12.如权利要求11所述的组件，其中离子导电填料将所述牺牲阳极连接到所述调节器的阴极。
13.一种权利要求11或12中任一项所述的组件和含有电解质的回填填料的组合件。
14.一种大体上如本文在上面描述和在附图中图示的使用电场调节器和牺牲阳极来防护暴露于空气的混凝土结构中的钢的方法。
15.一种大体上如本文在上面描述和在附图中图示的包括电场调节器和牺牲阳极的用于防护暴露于空气的混凝土结构中的钢的组件。
全文摘要
公开了电场调节器用于提高离散牺牲阳极的电流输出以增强其防护作用以及用于将电流输出指引到优选的方向中以改进在暴露于空气的硬化钢筋混凝土构件中的阴极保护的钢中的电流分布的用途。在一种方法中，将包括牺牲阳极(21)和电场调节器(25)和离子导电填料(28)的组合件嵌入到在混凝土构件中形成的腔室中，且将牺牲阳极直接连接到钢(22)。调节器包括这样的元件，其支持还原反应的阴极(26)侧与支持氧化反应的阳极(27)侧电子接触。调节器的阴极面向牺牲阳极且通过填料(28)与牺牲阳极分开。填料含有将牺牲阳极连接到调节器的阴极的电解质。调节器的阳极背向牺牲阳极。调节器的阴极上的还原反应可大体上包括来自空气的氧的还原。
文档编号C23F13/06GK102803563SQ201080036265
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月15日
发明者格瑞斯·格拉斯, 安德瑞恩·罗伯特, 尼格尔·大卫森 申请人:格瑞斯·格拉斯, 安德瑞恩·罗伯特, 尼格尔·大卫森