電鍍陽(yáng)極和防腐蝕的方法
【專利摘要】提供了一種犧牲電鍍陽(yáng)極、一種包括所述犧牲陽(yáng)極的陽(yáng)極組件，以及一種陰極保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋免遭腐蝕的方法。所述犧牲電鍍陽(yáng)極包含至少一個(gè)犧牲金屬螺旋線圈。所述電鍍陽(yáng)極易于制造，且占據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的最小化的體積，同時(shí)為犧牲腐蝕提供最大化的表面積。
【專利說(shuō)明】電鍍陽(yáng)極和防腐蝕的方法
【背景技術(shù)】
[0001]腐蝕是自然發(fā)生的現(xiàn)象，通常被定義為由于與環(huán)境反應(yīng)造成的物質(zhì)(通常為金屬)或物質(zhì)的性能的劣化。與其他自然災(zāi)害(如地震或惡劣天氣干擾)一樣，腐蝕會(huì)對(duì)從車輛和家用電器至廢水系統(tǒng)、管道、橋梁、道路和公共建筑的任何事物造成危險(xiǎn)且昂貴的損壞。然而，不同于與天氣有關(guān)的災(zāi)害，存在預(yù)防和控制腐蝕的久經(jīng)考驗(yàn)的方法，所述方法能夠降低或排除其對(duì)公共安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響。
[0002]2001年美國(guó)聯(lián)邦公路管理局資助的腐蝕的成本研宄，“美國(guó)的腐蝕成本和預(yù)防性戰(zhàn)略”，確定了腐蝕的年直接成本為令人吃驚的2760億美元。此項(xiàng)研宄涵蓋了大量的經(jīng)濟(jì)行業(yè)，包括運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、電力工業(yè)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存。
[0003]腐蝕的間接成本保守地估計(jì)等于直接成本，直接成本和間接成本共計(jì)超過(guò)6000億美元或GDP的6%。該成本被認(rèn)為是保守的估計(jì)，因?yàn)樵诖搜绣持袃H使用了被文件記載的成本。除對(duì)公共安全造成嚴(yán)重?fù)p害和威脅之外，腐蝕擾亂作業(yè)并需要對(duì)故障器材進(jìn)行大量的維修和更換。
[0004]美國(guó)聯(lián)邦公路管理局估算在美國(guó)幾乎200，000座橋梁或三分之一的橋梁是結(jié)構(gòu)有缺陷的或功能過(guò)時(shí)的。此外，全部橋梁中超過(guò)四分之一的橋梁超過(guò)50年(橋梁的平均設(shè)計(jì)壽命)。
[0005]在美國(guó)，道路和橋梁基礎(chǔ)設(shè)施塌落，數(shù)以千計(jì)的橋梁被評(píng)為不安全的并需要更換或大修。這些情況中的許多，腐蝕在破壞安全性方面起著重要作用。防腐措施有助于阻止進(jìn)一步的問(wèn)題。正在采取措施處理美國(guó)的老化的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，在尋求聯(lián)邦基金以建造新橋梁或改造現(xiàn)有橋梁時(shí)，2009年3月出臺(tái)的眾議院法案1682號(hào)決議，“橋梁壽命延長(zhǎng)法案2009 (Bridge Life Extens1n Act 2009) ”要求國(guó)家提交一份用于阻止和減輕由腐蝕造成的損失的計(jì)劃。
[0006]許多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)受了過(guò)早的老化?；炷燎度氲匿摻钔ㄟ^(guò)在其表面形成穩(wěn)定的氧化膜進(jìn)行最初的防腐蝕。這種膜或鈍化層通過(guò)高堿性混凝土孔隙水與鋼之間的化學(xué)反應(yīng)形成。氯化物的存在會(huì)破壞由堿性條件提供的鈍化。氯離子使金屬局部去鈍化并促進(jìn)活性金屬溶解。鋼的腐蝕通常是可以忽略的，直到氯離子達(dá)到引發(fā)腐蝕的閾值。閾值濃度取決于許多因素，包括，例如，鋼微環(huán)境、孔隙溶液PH、來(lái)自孔隙溶液中的其他離子的干擾、鋼筋的電勢(shì)、氧濃度和離子迀移率。氯化物充當(dāng)催化劑，這是因?yàn)樗诟g反應(yīng)中不被消耗，并保持活性以再次參與腐蝕反應(yīng)。
[0007]對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損害主要由氯離子穿透混凝土到達(dá)鋼筋周圍的區(qū)域引起。氯化物的來(lái)源有許多，包括混凝土混合物的添加物，例如含氯的速凝劑。氯化物還可存在于所述結(jié)構(gòu)的環(huán)境中，如海洋環(huán)境或除冰鹽。氯化物的存在對(duì)混凝土自身沒(méi)有直接的副作用，但是會(huì)促進(jìn)鋼筋的腐蝕。在鋼筋上形成的腐蝕產(chǎn)物占據(jù)了比鋼筋更大的空間，造成壓力從內(nèi)部施加于混凝土上。這種內(nèi)部壓力隨著時(shí)間的推移而累積，并最終導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂和剝落。鋼筋的腐蝕還降低鋼筋的強(qiáng)度并減小混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。
[0008]除氯離子濃度之外，影響鋼的腐蝕速率的其他因素包括pH、氧可獲得性、鋼的電勢(shì)，以及周圍的混凝土的電阻率。這些因素相互作用，以致對(duì)一個(gè)因素的限制未必阻止腐蝕，并且，接近一個(gè)因素的閾值水平的水平將與另一個(gè)因素協(xié)同作用，從而使腐蝕發(fā)生。例如，即使具有高的氯化物水平，如果沒(méi)有足夠的氧可用，腐蝕將不會(huì)發(fā)生。隨著PH降低，腐蝕的氯化物閾值變小。在非常高的電阻率的混凝土中，由于離子流動(dòng)的困難增大，不僅碳化作用和氯化物侵蝕減慢，腐蝕反應(yīng)也降低。正如其他化學(xué)反應(yīng)，溫度也與腐蝕活性有關(guān)。
[0009]混凝土中的鋼筋的陰極保護(hù)是為金屬提供腐蝕保護(hù)的一種公認(rèn)的方法，特別是當(dāng)氯離子以顯著的濃度存在于混凝土中時(shí)。陰極保護(hù)涉及電路的形成，其中鋼筋充當(dāng)與陽(yáng)極電連接的陰極。當(dāng)存在足夠大的電勢(shì)差時(shí)，陰極的腐蝕被降低或被阻止。
[0010]已知可通過(guò)外加電流陰極保護(hù)的方法和通過(guò)原電池的方法在陽(yáng)極和陰極之間建立電勢(shì)差。外加電流陰極保護(hù)涉及陽(yáng)極、采用外部DC電源或AC電源施加的電流、以及整流器的使用。電源在可靠性和與持續(xù)電力消耗、監(jiān)控和維修需求有關(guān)的成本的方面存在挑戰(zhàn)。
[0011]對(duì)于外加電流陰極保護(hù)體系是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。所供應(yīng)的能量(不論是恒定電流或電壓ICCP)的量隨著溫度、水含量、氯化物暴露和pH變化而變化，且必須被調(diào)整為通過(guò)不同的區(qū)域以防止過(guò)保護(hù)(氫脆、酸形成等)或欠保護(hù)(腐蝕)。
[0012]還可通過(guò)原電池的方法提供陰極保護(hù)，其中，由于不同的材料形成犧牲陽(yáng)極和陰極而產(chǎn)生電勢(shì)。當(dāng)金屬連接至更活潑的或更陽(yáng)極的金屬時(shí)，發(fā)生犧牲陰極保護(hù)。陽(yáng)極由不使用電源即能提供保護(hù)電流的犧牲金屬組成，這是由于在它們的使用期間所反生的反應(yīng)是熱力學(xué)有利的。犧牲陽(yáng)極體系的缺點(diǎn)包括有限的可用保護(hù)電流和有限的壽命。犧牲陽(yáng)極經(jīng)歷持續(xù)的腐蝕或電鍍金屬(galvanic metal)的消耗，并且根據(jù)腐蝕的程度，通常需要在某一時(shí)刻進(jìn)行更換。
[0013]由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕對(duì)于人類生活存在危害且維修成本高，因此需要用于滿足實(shí)現(xiàn)新的防腐技術(shù)和用于后代的保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的需要的改進(jìn)的體系和方法。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為犧牲陰極保護(hù)體系的一個(gè)示例性實(shí)施方案的橫截面視圖。
[0015]圖2示出了其中嵌入犧牲陽(yáng)極的一個(gè)示例性實(shí)施方案的鋼筋混凝土制品中的一個(gè)維修位點(diǎn)。
[0016]圖3A為犧牲陽(yáng)極的一個(gè)示例性實(shí)施方案的透視圖。
[0017]圖3B為犧牲陽(yáng)極的一個(gè)示例性實(shí)施方案的分解圖。
[0018]圖4A為犧牲陽(yáng)極的一個(gè)示例性實(shí)施方案的透視圖。
[0019]圖4B為犧牲陽(yáng)極的一個(gè)示例性實(shí)施方案的透視圖。
[0020]圖5為描述合并鋅-無(wú)屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的連接電勢(shì)與即時(shí)斷開(kāi)測(cè)量之間的差異的圖表。
[0021]圖6為描述合并鋅-屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的連接電勢(shì)與即時(shí)斷開(kāi)測(cè)量之間的差異的圖表。
[0022]圖7為描述合并混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的連接電勢(shì)與即時(shí)斷開(kāi)之間的差異的圖表。
[0023]圖8為描述合并混合物鋅/鎂-屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的連接電勢(shì)與即時(shí)斷開(kāi)之間的差異的圖表。
[0024]圖9為描述合并鋅-無(wú)屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的非連接與連接陽(yáng)極電勢(shì)之間的差異的圖表。
[0025]圖10為描述合并鋅-屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的非連接與連接陽(yáng)極電勢(shì)測(cè)量值之間的差異的圖表。
[0026]圖11為描述合并混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的非連接與連接陽(yáng)極電勢(shì)測(cè)量之間的差異的圖表。
[0027]圖12為描述合并混合物鋅/鎂-屏蔽的犧牲陽(yáng)極的示例性陰極-陽(yáng)極組件的非連接與連接陽(yáng)極電勢(shì)測(cè)量之間的差異的圖表。
[0028]圖13為描述在短時(shí)間尺度內(nèi)的陽(yáng)極試樣之間的陽(yáng)極電勢(shì)的比較的圖表。
[0029]圖14為描述所評(píng)估的原型(prototype)犧牲陽(yáng)極的腐蝕電流的比較的圖表。
[0030]圖15為描述在短時(shí)間尺度內(nèi)評(píng)估的原型犧牲陽(yáng)極的腐蝕電流的比較的圖表。
[0031]應(yīng)注意的是，圖表中的缺口代表陽(yáng)極和陰極的去極化-斷開(kāi)，以確定極化的量和陽(yáng)極體系在斷開(kāi)一段時(shí)間后是否恢復(fù)功能。
【具體實(shí)施方式】
[0032]提供了犧牲陽(yáng)極、犧牲陽(yáng)極體系和一種用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的陰極保護(hù)的方法。根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，犧牲陽(yáng)極體包含(a)至少一個(gè)包含犧牲金屬的具有縱向軸線的螺旋線圈，以及(b)至少一個(gè)電連接至所述螺旋線圈的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及(C)包圍所述螺旋線圈的至少一部分和所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分的包裝材料，其中，所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分發(fā)出于所述包裝材料。
[0033]根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，犧牲陽(yáng)極體包含(a)至少一個(gè)包含犧牲金屬的具有縱向軸線的螺旋線圈，以及(b)至少一個(gè)電連接至所述螺旋線圈的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及(C)包圍所述螺旋線圈的至少一部分的包裝材料。
[0034]根據(jù)其他實(shí)施方案，犧牲陽(yáng)極體包含(a)包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(b)第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，(C)至少一個(gè)電連接至所述第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及(d)包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分和所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分的包裝材料，其中所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分發(fā)出于包裝材料。
[0035]根據(jù)其他實(shí)施方案，犧牲陽(yáng)極體包含(a)包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(b)第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，(C)至少一個(gè)電連接至第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及(d)包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分的包裝材料。
[0036]根據(jù)其他實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系包含(a)包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈的陽(yáng)極體，所述螺旋線圈包含電化學(xué)活性高于鋼的犧牲金屬，(b)至少部分地被包裝材料覆蓋的至少一個(gè)螺旋線圈，以及(C)至少一個(gè)將陽(yáng)極體電連接至(d)鋼筋元件的電導(dǎo)體。
[0037]根據(jù)其他實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系包含(a)包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈的陽(yáng)極體，所述螺旋線圈包含電化學(xué)活性高于鋼的犧牲金屬，(13)至少一個(gè)電連接至陽(yáng)極體的電導(dǎo)體，(￠3)至少部分地被包裝材料覆蓋的至少一個(gè)螺旋線圈和至少一個(gè)電導(dǎo)體，以及((1)將至少一個(gè)螺旋線圈電連接至位于混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋元件的至少一個(gè)電導(dǎo)體。
[0038]根據(jù)其他實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系包含(幻包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(幻第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中，所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，(0)至少一個(gè)電連接至第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及⑷包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分的包裝材料。
[0039]根據(jù)其他實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系包含(幻包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(幻第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，(0)至少一個(gè)電連接至第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及⑷包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分和所述至少一個(gè)電導(dǎo)體的至少一部分的包裝材料。
[0040]根據(jù)其他示例性實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法包括:將包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈(所述螺旋線圈包含犧牲金屬)的犧牲陽(yáng)極體電連接至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，其中所述陽(yáng)極體至少部分地被包裝材料覆蓋。
[0041]根據(jù)其他示例性實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法包括:電連接犧牲陽(yáng)極體，所述犧牲陽(yáng)極體包含仏)包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(幻第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，化)至少一個(gè)電連接至第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及((1)包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分的包裝材料。
[0042]根據(jù)其他示例性實(shí)施方案，用于減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法包括:電連接犧牲陽(yáng)極體，所述犧牲陽(yáng)極體包含仏)包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈，以及(幻第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼，化)至少一個(gè)電連接至第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體，以及(山包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分和所述至少一個(gè)電導(dǎo)體的至少一部分的包裝材料。
[0043]根據(jù)某些實(shí)施方案，陽(yáng)極體包括第一犧牲金屬和第二犧牲金屬，其中，第一和第二犧牲金屬的電化學(xué)活性均高于嵌在混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋。與第二犧牲金屬相比，第一犧牲金屬的電化學(xué)活性更高。從電化學(xué)活性較高的第一金屬積累的氧化產(chǎn)物(如果不是被吸收或可溶解的)可通過(guò)以類似于絕緣層或絕緣墊的方式進(jìn)一步將第二金屬的直接導(dǎo)電通道與鋼離子通道絕緣來(lái)進(jìn)一步提高電化學(xué)活性較低的第二金屬的腐蝕的電荷分布。因此，鎂氧化產(chǎn)物傾向于增加絕緣墊的整體效力。來(lái)自鎂氧化物的膨脹產(chǎn)物還可在鋼筋和陽(yáng)極之間被釋放到絕緣墊的可壓縮的粘合劑中，而不產(chǎn)生可導(dǎo)致周圍修復(fù)砂漿或混凝土結(jié)構(gòu)的破裂的膨脹力。
[0044]陰極保護(hù)可用于控制嵌在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼的腐蝕。本公開(kāi)內(nèi)容的陰極保護(hù)體系運(yùn)作形成陽(yáng)極和鋼筋之間的電解電勢(shì)差。該差別引起電流流經(jīng)電連接和離子流經(jīng)混凝土和/或包裝材料，足以防止或降低鋼筋的腐蝕，同時(shí)引起陽(yáng)極的腐蝕。
[0045]陰極保護(hù)通過(guò)將金屬表面上的陽(yáng)極位點(diǎn)或活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)換成陰極位點(diǎn)或惰性位點(diǎn)來(lái)防止混凝土中的鋼筋的腐蝕。
[0046]可通過(guò)原電池的方法提供犧牲陰極保護(hù)，其中由于形成犧牲陽(yáng)極和陰極的不同材料產(chǎn)生電勢(shì)。陽(yáng)極體由不需外加電流即可代替鋼材料發(fā)生腐蝕的犧牲材料形成。其被稱為犧牲體系，這是由于電鍍陽(yáng)極被犧牲以保護(hù)結(jié)構(gòu)鋼免遭腐蝕。犧牲陽(yáng)極包括可腐蝕的金屬件或犧牲金屬件，其電連接至被保護(hù)的金屬表面并通過(guò)電解作用被優(yōu)先消耗。
[0047]根據(jù)某些實(shí)施方案，本公開(kāi)內(nèi)容的犧牲陽(yáng)極組件代替鋼筋提供陽(yáng)極反應(yīng)發(fā)生的位置。因此，在電鍍體系運(yùn)行時(shí)，陽(yáng)極而非鋼筋降解。
[0048]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的方面，提供犧牲體系，其中陽(yáng)極體由至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈形成，并由犧牲金屬組成。犧牲金屬代替鋼發(fā)生腐蝕，而無(wú)需提供或使用外加電流。陽(yáng)極體可至少部分地被包裝材料覆蓋。細(xì)長(zhǎng)的金屬導(dǎo)體電連接至陽(yáng)極體并發(fā)出于包裝材料以將所述陽(yáng)極體電連接至嵌在混凝土中的鋼筋。
[0049]本公開(kāi)內(nèi)容克服了已知的內(nèi)嵌的電鍍陽(yáng)極的體積大并占據(jù)混凝土修復(fù)應(yīng)用中的相當(dāng)大量的空間的缺點(diǎn)。為了使十分擁擠的鋼筋混凝土中所需的修復(fù)空間最小化，許多已知的電鍍陽(yáng)極減少陽(yáng)極中的犧牲金屬的量。犧牲金屬的量的減少降低了犧牲陽(yáng)極的表面積，因而限制陽(yáng)極的有效性。
[0050]本公開(kāi)內(nèi)容的包含犧牲金屬螺旋線圈的陽(yáng)極體滿足提供有效量的犧牲金屬并通過(guò)提供增加的表面積維持較小的修復(fù)體積的競(jìng)爭(zhēng)性目標(biāo)。當(dāng)被嵌入時(shí)，本公開(kāi)內(nèi)容的電鍍陽(yáng)極占據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的最小化的體積，并為犧牲腐蝕提供最大化的表面積，從而在嵌入時(shí)產(chǎn)生高的電鍍活性和耐用的性能。
[0051]根據(jù)陽(yáng)極體的某些示例性實(shí)施方案，通過(guò)例如減小犧牲金屬螺旋線圈的各環(huán)之間的間距或通過(guò)將兩個(gè)或多個(gè)線圈交錯(cuò)在一起，可增加以給定的體積中存在的犧牲金屬的量。交錯(cuò)的螺旋線圈可包含相同的犧牲金屬，例如鋅或鋅合金。交錯(cuò)的線圈可包含不同的犧牲金屬，例如第一螺旋線圈可包含鋅或鋅合金，第二螺旋線圈可包含鎂或鎂合金。
[0052]在陽(yáng)極體的其他示例性實(shí)施方案中，通過(guò)例如在犧牲金屬螺旋線圈或交錯(cuò)的犧牲金屬螺旋線圈內(nèi)包括犧牲金屬的實(shí)體(8011(1 1112188)，可增加以給定的體積存在的犧牲金屬的量。在一個(gè)實(shí)施方案中，犧牲金屬的實(shí)體的尺寸被適當(dāng)?shù)卦O(shè)定成與螺旋線圈或線圈內(nèi)部或周圍相適應(yīng)。犧牲金屬的實(shí)體具有可與螺旋線圈的長(zhǎng)度相同的長(zhǎng)度，或可稍短于或稍長(zhǎng)于螺旋線圈的長(zhǎng)度。根據(jù)某些實(shí)施方案，第二犧牲金屬的實(shí)體，如鎂，纏繞螺旋線圈的外表面的一部分。隨著第二犧牲金屬氧化，氧化產(chǎn)物可被位于第二犧牲金屬和陰極(即，鋼筋)之間的墊吸收。犧牲金屬的實(shí)體的寬度稍小于螺旋線圈的內(nèi)徑或稍大于螺旋線圈的外徑，從而允許所述實(shí)體被放置于線圈內(nèi)或圍繞所述螺旋線圈的一部分的外表面形成。所述實(shí)體可包含與螺旋線圈或線圈或線圈之一相同的犧牲金屬，并且所述實(shí)體可包含不同的犧牲金屬。
[0053]至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體將陽(yáng)極體電連接至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋。所述細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體可卷繞或纏繞陽(yáng)極體的縱向軸線的一部分，從而提供犧牲陽(yáng)極體和鋼筋之間的多個(gè)物理連接點(diǎn)和電連接點(diǎn)。例如，但不限于，鋼扎線可交織或纏繞犧牲金屬螺旋線圈，并纏繞鋼筋。所述電導(dǎo)體可沿著犧牲金屬的螺旋線圈的長(zhǎng)度的一部分纏繞犧牲金屬的螺旋線圈?；蛘?，所述電導(dǎo)體可沿著螺旋線圈的整個(gè)長(zhǎng)度纏繞犧牲金屬的螺旋線圈。電接觸的多個(gè)點(diǎn)提供促進(jìn)產(chǎn)生均勻的電荷分布的安全連接，并避免細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體和犧牲金屬螺旋線圈之間的腐蝕產(chǎn)物形成。
[0054]已知的扎線配置包括圍繞在鋼扎線周圍的犧牲金屬的模制品，以及采用螺栓或鉚釘?shù)臋C(jī)械連接犧牲金屬至扎線的機(jī)械連接件。本公開(kāi)內(nèi)容的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體可卷繞或纏繞陽(yáng)極體，從而提供犧牲陽(yáng)極體和鋼筋之間的多個(gè)物理連接點(diǎn)和電連接點(diǎn)而不使用螺栓、鉚釘或其他機(jī)械緊固件。通過(guò)提供例如容易構(gòu)建的、安全的多點(diǎn)連接，本公開(kāi)內(nèi)容克服了已知的扎線連接方法的缺點(diǎn)。
[0055]根據(jù)某些實(shí)施方案，提供了一種電鍍陽(yáng)極體系，其中陽(yáng)極體由至少兩種犧牲金屬形成，所述犧牲金屬相對(duì)于鋼腐蝕，無(wú)需提供或使用外加電流。所述陽(yáng)極體可包含第一螺旋線圈和第二螺旋線圈。所述陽(yáng)極體可至少部分地被包裝材料覆蓋。在一些實(shí)施方案中，細(xì)長(zhǎng)的金屬導(dǎo)體可連接至陽(yáng)極體并發(fā)出于包裝材料，從而將所述陽(yáng)極體電連接至嵌在混凝土中的鋼筋。
[0056]在其他示例性實(shí)施方案中，提供了一種雙重作用陽(yáng)極組件或陽(yáng)極體，其中電化學(xué)活性較高的犧牲金屬可建立高的初始活性，從而在所附著的鋼筋周圍建立堿性的無(wú)氯的環(huán)境。該初始的高活性階段之后是電化學(xué)活性較高的第一金屬的消耗或鈍化之后的利用電化學(xué)活性較低的犧牲金屬的長(zhǎng)期的保護(hù)。
[0057]在一個(gè)實(shí)施方案中，第一犧牲金屬可附著于電化學(xué)活性較低的第二犧牲金屬。首先，活性較高的第一犧牲金屬可提供初始的較高的動(dòng)電電流0111-1-6111:)以引發(fā)陽(yáng)極反應(yīng)。其次，電化學(xué)活性較低的第二犧牲金屬可提供足夠的電流以長(zhǎng)期地充分地保護(hù)鋼筋。本公開(kāi)內(nèi)容的陽(yáng)極組件可包含如鎂、鋅、鋁、它們的合金等的犧牲金屬的組合。
[0058]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，陽(yáng)極組件可包括包含第一犧牲金屬的第一螺旋線圈和包含第二犧牲金屬的第二螺旋線圈。所述第一和第二螺旋線圈可彼此交錯(cuò)，從而占據(jù)約一個(gè)線圈的空間。螺旋線圈形狀增加陽(yáng)極材料的表面積，從而提高陽(yáng)極的效率。
[0059]在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極組件可包括包含第一犧牲金屬的螺旋線圈和包含例如塊、圈、圓柱、線、棒、盤或條的實(shí)體的第二犧牲金屬。第一犧牲金屬螺旋線圈可纏繞第二犧牲金屬，從而所述第一犧牲金屬至少部分地圍繞第二犧牲金屬。例如，鋅螺旋線圈可纏繞鎂條或鋅線。一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體可交織或纏繞犧牲金屬。
[0060]在一個(gè)實(shí)施方案中，第一犧牲金屬螺旋線圈可被放置為毗鄰第二犧牲金屬，并隨后被細(xì)長(zhǎng)的鋼電連接件纏繞。例如，鋅螺旋線圈被放置為毗鄰并接觸鎂條。一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電連接件可卷繞或纏繞并電接觸螺旋線圈和鎂條。
[0061]在另一實(shí)施方案中，第一犧牲金屬可包含鎂。鎂迅速反應(yīng)引起初始極化強(qiáng)度，并建立鋼周圍的堿性環(huán)境。此初始極化促使氯離子的遠(yuǎn)離鋼的擴(kuò)散。隨著鎂被消耗或用盡，第二犧牲金屬，例如鋅，用于維持鋼筋的惰性條件。該體系可以達(dá)到無(wú)需復(fù)雜的線路、電池或外部電源而外加電流體系的益處。
[0062]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的某些方面，陽(yáng)極表面積有效釋放足夠的電流以保護(hù)所述結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)釋放電流時(shí)，陽(yáng)極重量足以持續(xù)預(yù)期的使用壽命。本公開(kāi)內(nèi)容的電鍍陽(yáng)極體系基于所附著的毗鄰的鋼的初始腐蝕活性為自動(dòng)調(diào)節(jié)的。來(lái)自第一犧牲金屬和/或第二犧牲金屬的腐蝕產(chǎn)物還可充當(dāng)電通道間隔或離子通道間隔以優(yōu)化陽(yáng)極周圍的電荷分布。
[0063]無(wú)論是鋼筋的腐蝕還是犧牲陽(yáng)極的腐蝕，腐蝕速率取決于溫度、濕度、離子環(huán)境和導(dǎo)電性。犧牲陽(yáng)極的材料可被選擇為比鋼優(yōu)先腐蝕以提供鋼上的保護(hù)性陰極電荷。隨著腐蝕條件變得更加有利，陽(yáng)極的腐蝕速率增加，從而為鋼提供成比例增加的腐蝕保護(hù)。在這一競(jìng)爭(zhēng)性化學(xué)反應(yīng)中，優(yōu)選的反應(yīng)可通過(guò)感應(yīng)電荷防止二次腐蝕的發(fā)生。
[0064]由于增加的活性造成氧化產(chǎn)物的沉積快于可將該氧化產(chǎn)物除去的例如包裝材料中的吸收、溶解或螯合作用機(jī)制，陽(yáng)極還會(huì)在運(yùn)行中被鈍化。將陽(yáng)極與鋼隔離可降低保護(hù)性電流的強(qiáng)度，并降低陽(yáng)極鈍化的傾向。隨著腐蝕發(fā)生，氧化產(chǎn)物可沉積在陽(yáng)極的犧牲金屬的表面上。如果這些腐蝕產(chǎn)物沒(méi)有被清除，則它們將通過(guò)阻止離子流通過(guò)電解液來(lái)阻止電化學(xué)反應(yīng)，這已知為陽(yáng)極的鈍化。通過(guò)使氧化產(chǎn)物可溶，所述陽(yáng)極可繼續(xù)發(fā)揮預(yù)期的功能。腐蝕產(chǎn)物的溶解性由包裝材料控制。所述包裝材料提供一種用于從陽(yáng)極體的犧牲金屬的表面清除腐蝕產(chǎn)物的機(jī)制，并提供用于離子從鋼筋(陰極)流至腐蝕的犧牲金屬陽(yáng)極的離子通道。
[0065]根據(jù)某些實(shí)施方案，包裝材料可包含，例如，粘合劑、礦物聚合物(8601)017111610、砂漿等。不加以限制并僅以示例的方式，包裝材料可包含水泥砂漿?；蛘?，包裝材料可包含離子導(dǎo)電性可壓縮砂漿，其中基質(zhì)可充分壓縮以吸收犧牲金屬陽(yáng)極的腐蝕產(chǎn)物。包裝材料可為合適的活化化學(xué)物質(zhì)，例如，通過(guò)鹵化物、螯合作用或邱；并且具有充分的孔隙率，從而能夠吸收腐蝕產(chǎn)物，并因此防止或降低鈍化。
[0066]在其他實(shí)施方案中，包裝材料可包括保濕劑、潮解劑和/或吸濕性材料以吸收足夠的水分以維持陽(yáng)極周圍的導(dǎo)電性，從而確保在陽(yáng)極的運(yùn)行期間電流的充分輸出，并保持陽(yáng)極和陰極(鋼筋)之間的界面電化學(xué)有效。
[0067]根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，用于電鍍陽(yáng)極體的合適的包裝材料包含約75%石膏、約20%膨潤(rùn)土和約5%硫酸鈉的混合物。該包裝材料提供降低陽(yáng)極的自身消耗的均一的環(huán)境。不囿于任何具體的理論，認(rèn)為硫酸鹽活化陽(yáng)極體的鋅金屬，膨潤(rùn)土充當(dāng)保濕劑。
[0068]本發(fā)明的電鍍保護(hù)體系的犧牲金屬螺旋線圈易于制造，并克服了例如那些使用熔融鋅構(gòu)造已知陽(yáng)極體的困難。利用市售的材料(例如鋅線)和自動(dòng)的線圈纏繞生產(chǎn)工藝，可使制造過(guò)程自動(dòng)化。與已知的分立電鍍陽(yáng)極體系相比，本發(fā)明的包含至少一個(gè)螺旋線圈的陽(yáng)極體的長(zhǎng)度可延長(zhǎng)至任何合適的長(zhǎng)度，以適應(yīng)基于預(yù)期的修復(fù)位點(diǎn)的不同長(zhǎng)度要求。螺旋線圈的其他尺寸易于根據(jù)要求被改變和剪裁以用于具體的應(yīng)用。
[0069]本公開(kāi)內(nèi)容的方面適用于對(duì)被挖掘而暴露出鋼筋的現(xiàn)有混凝土的一部分的修補(bǔ)，并適用于包括電鍍陽(yáng)極組件和獨(dú)立修補(bǔ)片的布置。
[0070]在某些實(shí)施方案中，陽(yáng)極組件被嵌在混凝土中，且其安裝與混凝土修復(fù)所涉及的一般施工實(shí)踐相容，因此不需要專業(yè)化的安裝培訓(xùn)。這些步驟可包括向下挖掘已損壞的混凝土至略低于鋼筋的深度，使陽(yáng)極組件附著于鋼筋，以及用合適的包埋砂漿或修補(bǔ)砂漿回填被挖掘的混凝土區(qū)域。
[0071]根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，本公開(kāi)內(nèi)容的犧牲陽(yáng)極體系被塑造成類似于鋼筋的短件的形狀，并且可被放置在緊鄰鋼筋處。該構(gòu)造優(yōu)化了擁擠的修補(bǔ)區(qū)域中所達(dá)到的間距，并允許較少和較低廉的混凝土維修。
[0072]根據(jù)其他示例性實(shí)施方案，用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法包括:提供不同材料的至少兩種犧牲金屬的雙重作用犧牲陽(yáng)極組件，每一種金屬的電化學(xué)負(fù)性均高于鋼。所述陽(yáng)極可至少部分地被包裝材料覆蓋。細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體連接至陽(yáng)極體并且電導(dǎo)體的至少一部分發(fā)出于包裝材料?？蓪㈦p重作用陽(yáng)極組件插入所述混凝土結(jié)構(gòu)中形成的孔洞中。陽(yáng)極體組件的包裝材料被放置于鋼筋的表面附近。通過(guò)將細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體纏繞于鋼筋上而將陽(yáng)極組件固定在位。
[0073]可利用合適的材料(如粘結(jié)性修補(bǔ)砂漿)回填被固定的陽(yáng)極組件?；靥畈牧峡砂瑔我徊牧匣騼煞N或多種材料的組合。根據(jù)某些實(shí)施方案，粘結(jié)性砂漿可包含低電阻率砂漿?；蛘?，可使用低電阻率砂漿來(lái)封裝被固定的陽(yáng)極組件，然后將所述砂漿嵌在高電阻率修補(bǔ)材料中，從而所述低電阻率包埋砂漿封裝被固定的陽(yáng)極組件，并提供通向毗鄰修補(bǔ)區(qū)域的原始混凝土的離子導(dǎo)電通道。例如，根據(jù)某些示例性實(shí)施方案，回填材料可包括建立活化作用的材料和捕獲附著的氯化物的另一種材料。
[0074]如圖1所示，陰極保護(hù)體系100包括包含陽(yáng)極體102的陽(yáng)極組件，所述陽(yáng)極體102包含犧牲金屬110。犧牲金屬110可包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈。細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體116、118或扎線可纏繞并電接觸犧牲金屬110。陽(yáng)極體102可至少部分地被包裝材料108包覆或覆蓋。細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體116、118連接至陽(yáng)極體102并發(fā)出于包裝材料108。在安裝期間，通過(guò)將導(dǎo)體116、118的端部纏繞鋼筋114，電導(dǎo)體116、118被固定至鋼筋114。
[0075]轉(zhuǎn)向圖2，陰極保護(hù)體系200包含在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)204中形成修補(bǔ)片202。利用細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體116、118將陽(yáng)極組件102固定至鋼筋114。
[0076]如圖3八所示，陽(yáng)極體包括包含具有縱向軸線的螺旋線圈104和106的犧牲金屬110。陽(yáng)極體包含與第二螺旋線圈106交錯(cuò)的第一螺旋線圈104，如圖所示。交錯(cuò)意指第一線圈104和第二線圈106交替地排布或穿插。交錯(cuò)的線圈被布置為一個(gè)線圈104的環(huán)或圈嵌入另一線圈106的環(huán)之間的空間。螺旋線圈104、106可包含相同的犧牲金屬。在一個(gè)實(shí)施方案中，螺旋線圈104可包含活性較低的犧牲金屬(1688 8801-1^10181，螺旋線圈106可包含活性較高的犧牲金屬01101*6 8801-1^10181 ，反之亦然。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，陽(yáng)極體102的犧牲金屬110包括包含犧牲金屬或犧牲金屬的組合的單一螺旋線圈104。
[0077]圖38示出了包含兩種不同的犧牲金屬的陽(yáng)極體110的分解圖。犧牲金屬110可包含交替排布或穿插或彼此交錯(cuò)的螺旋線圈104、106。至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體或扎線纏繞并電接觸交錯(cuò)的線圈104、106，從而將陽(yáng)極體110電連接至位于混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋。
[0078]如圖4八和48所示，示例性陽(yáng)極體包含犧牲金屬110。犧牲金屬110可包含如圖3八和38所示的具有縱向軸線的螺旋線圈104或交錯(cuò)的線圈104、106。細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體116、118或扎線可纏繞并電接觸包含螺旋線圈104或交錯(cuò)的線圈104、106的犧牲金屬110。
[0079]在其他實(shí)施方案中，犧牲金屬110可包含纏繞第二犧牲金屬的第一犧牲金屬螺旋線圈，使得第一犧牲金屬螺旋線圈至少部分地圍繞第二犧牲金屬。例如，鋅螺旋線圈纏繞鎂條或鋅線。
[0080]在其他實(shí)施方案中，犧牲金屬可包含毗鄰第二犧牲金屬且大致與第二犧牲金屬共同延伸的第一犧牲金屬螺旋線圈。所述毗鄰的且大致共同延伸的第一和第二犧牲金屬被細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體纏繞。例如，鋅螺旋線圈可放置為毗鄰并接觸鎂條。細(xì)長(zhǎng)的鋼電導(dǎo)體可卷繞或纏繞并電接觸同位的螺旋線圈和鎂條。
[0081]本公開(kāi)內(nèi)容克服了已知的犧牲陰極保護(hù)體系的缺點(diǎn)，其容易制造，并且占據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的最小化的體積，同時(shí)為犧牲腐蝕提供最大化的表面積。在一個(gè)實(shí)施方案中，兩種犧牲金屬的使用提供了用于鋼筋的初始極化的較高的電流以及隨后的更持久的較低的電流，以維持陰極保護(hù)。由活性較高的金屬引起的鋼筋的初始極化傾向于移除氯離子并恢復(fù)被保護(hù)的鋼筋附近的堿性。然后，第二犧牲金屬僅需要維持這些鈍化條件，從而提供雙重作用電鍍保護(hù)。
[0082]實(shí)驗(yàn)部分
[0083]構(gòu)造了原型犧牲電鍍陽(yáng)極，并評(píng)價(jià)了使用原型電鍍陽(yáng)極的陰極-陽(yáng)極組件的半電池電勢(shì)、腐蝕電流和電阻率。電鍍陽(yáng)極和陰極-陽(yáng)極組件的構(gòu)造和評(píng)估方法描述如下。應(yīng)注意的是，以下對(duì)陽(yáng)極組件、陰極-陽(yáng)極組件、評(píng)估方法和結(jié)果的描述僅僅為了說(shuō)明所公開(kāi)的主題。以下對(duì)陽(yáng)極構(gòu)造、陰極-陽(yáng)極組件和評(píng)估方法的描述不應(yīng)被理解為以任何方式限制所公開(kāi)的主題。
[0084]測(cè)試容器
[0085]使用五(5)加侖(201)的塑料桶容納用于評(píng)估的電鍍陽(yáng)極樣品。將過(guò)濾織物放置在各個(gè)塑料桶的底部，并在塑料桶的底壁鉆出一個(gè)排水孔，以允許模擬的混凝土孔隙水溶液的排放。
[0086]混凝土孔隙溶液
[0087]模擬的混凝土孔隙溶液由包含以下物質(zhì)的混合物制備:
[0088]7^ 水泥
[0089]311? 自來(lái)水
[0090]1.4410% 的恥?:1 溶液。
[0091]攪拌所述混合物并使其沉淀。傾析液被過(guò)濾并被用作評(píng)估全部電鍍陽(yáng)極樣品的模擬的混凝土孔隙水溶液。模擬的孔隙溶液中的氯化鈉水平對(duì)應(yīng)于每23001--3混凝土中有94 ^01的氯化物含量。選擇該氯化物水平作為如在鋼筋腐蝕區(qū)域內(nèi)通常經(jīng)歷的足夠嚴(yán)重的氯化物暴露。
[0092]鋼絲網(wǎng)陰極
[0093]包含具有1/2英寸開(kāi)口、0.135英寸線徑和共計(jì)62%開(kāi)口面積的額外的剛性平面鋼絲布的可腐蝕的鋼絲網(wǎng)92431381)被選為用于評(píng)估電鍍陽(yáng)極的陰極。鋼絲網(wǎng)基于小空間中的高表面積，以及所有的開(kāi)口允許接近所述鋼絲網(wǎng)的所有表面而進(jìn)行選擇。將鋼絲網(wǎng)切割成3(^ 30(3111的工件。將切割成型的鋼絲網(wǎng)彎曲以放入5加侖的桶中。通過(guò)以下步驟制備鋼絲網(wǎng):噴砂處理、601:下在10%的氫氧化鈉溶液中酸洗2處，隨后用去離子水和丙酮清洗。
[0094]沙
[0095]將鋼絲網(wǎng)陰極放置在所述樣品容器(即，塑料桶)中，所述塑料桶裝滿沙。沙是一種用于評(píng)估電鍍陽(yáng)極的合適的介質(zhì)，這是因?yàn)槠涑杀镜汀⒈３炙?、提供用于發(fā)生腐蝕的充足的氧并且可被移除以視覺(jué)測(cè)試陽(yáng)極樣品。
[0096]電化學(xué)電池
[0097]通過(guò)纏繞將14規(guī)格(1.63^直徑)的實(shí)心銅導(dǎo)線連接至鋼絲網(wǎng)的上網(wǎng)(七叩界116)，隨后焊接并利用環(huán)氧樹(shù)脂(購(gòu)自8八1:1011 - 81111(11118 3781:61118，商品名為
1420)涂覆連接處。推薦采用目前市售的電鍍陽(yáng)極(對(duì)于1陽(yáng)極，每0.502的鋼筋面積中有0.027102的鋅表面積，或鋼表面積與鋅表面積之比為18.4)的陽(yáng)極間距，經(jīng)計(jì)算，鋼絲網(wǎng)陽(yáng)極的表面積為0.15702，其約為鋼面積的1/6鋼。鋼表面積與鋅表面積之比被稱為陰極與陽(yáng)極之比?；?2418的鋼絲網(wǎng)陰極件的重量，根據(jù)法拉第定律，通過(guò)將鐵完全氧化至+3價(jià)，可釋放289，455庫(kù)侖。
[0098]測(cè)試原型
[0099]制備4個(gè)原型電鍍陽(yáng)極芯樣品用于評(píng)估。這些樣品由兩種電鍍陽(yáng)極結(jié)構(gòu)(鋅金屬以及混合物)和兩種連接方法(屏蔽的和無(wú)屏蔽的)構(gòu)成。
[0100]由具有0.125英寸(3.125^)的直徑的13英寸(333^)長(zhǎng)的鋅線制備兩個(gè)鋅金屬電鍍陽(yáng)極芯樣品，所述鋅線形成直徑約為且長(zhǎng)度約為的線圈。該電鍍陽(yáng)極芯導(dǎo)致陰極與陽(yáng)極的比例為48.3。鋅的質(zhì)量為18.68，對(duì)應(yīng)于54，874庫(kù)倫，并且具有3，2661^2的表面積。
[0101]用經(jīng)類似于制備鋼絲網(wǎng)陰極的方式噴砂、在燒堿中浸漬和用丙酮清洗的鋼扎線的兩個(gè)反向傾斜(順時(shí)針和逆時(shí)針螺旋纏繞)的工件纏繞各個(gè)電鍍陽(yáng)極芯樣品。通過(guò)纏繞、焊接和環(huán)氧樹(shù)脂涂覆連接處，將電連接件連接至14規(guī)格的實(shí)心銅導(dǎo)線，隨后將所述電連接件用于監(jiān)控陽(yáng)極極化和電化學(xué)電池中的腐蝕電流。陰極與陽(yáng)極之比基于給定的鋼筋表面積所需的市售8111^80^ 0？ 150陽(yáng)極的間距，鋅表面積約為所推薦的陰極的38%。
[0102]通過(guò)使用尼龍拉鏈帶(211) ^16)將鋅電鍍陽(yáng)極芯樣品之一放置在遠(yuǎn)離鋼絲網(wǎng)陰極約1111111處，以隔絕陽(yáng)極芯與鋼絲網(wǎng)的電接觸。該樣品被指定為鋅-無(wú)屏蔽的。
[0103]通過(guò)使用4(^寬的丁基橡膠帶和雙面泡沫膠帶的工件，將另一大致相同的鋅電鍍陽(yáng)極芯樣品與鋼絲網(wǎng)陰極隔離，以模擬屏蔽。該樣品被指定為鋅-屏蔽的。
[0104]均利用尼龍拉鏈帶將這兩個(gè)鋅陽(yáng)極芯樣品連接至鋼絲網(wǎng)陰極，以將陽(yáng)極固定至陰極鋼。
[0105]由鎂和鋅制備另外兩個(gè)電鍍陽(yáng)極芯樣品。線圈由直徑為0.091英寸(2.31^)且重量為6.58的220臟長(zhǎng)的鋅線和直徑為0.125英寸(3.125^)的70臟的直鋅線(鋅的總重量為10.知)，以及重量為的95^ 1.1臟的鎂板制備。對(duì)于4435臟2的總的表面積和12.48的總的陽(yáng)極重量，鋅的總表面積為2288臟2，鎂的表面積為2148臟2。這對(duì)應(yīng)于46736庫(kù)倫的混合物鋅-鎂陽(yáng)極(30682庫(kù)倫的鋅和16054庫(kù)倫的鎂)和35.5的陰極與陽(yáng)極之比。陰極與陽(yáng)極之比基于給定的鋼筋表面積所需的市售8111^80^ 0？ 150陽(yáng)極的間距，鋅表面積約為所推薦的陰極的50%。
[0106]通過(guò)使用尼龍拉鏈帶將混合物鋅-鎂電鍍陽(yáng)極芯樣品之一放置在遠(yuǎn)離鋼絲網(wǎng)陰極約1111111處，以隔絕陽(yáng)極芯與鋼絲網(wǎng)的電接觸。該樣品被指定為混合物-無(wú)屏蔽的。
[0107]通過(guò)使用4(^寬的丁基橡膠帶和雙面泡沫膠帶的工件，將另一大致相同的鋅電鍍陽(yáng)極芯樣品與鋼絲網(wǎng)陰極隔離，以模擬屏蔽。該樣品被指定為混合物-屏蔽的。
[0108]均利用尼龍拉鏈帶將這兩個(gè)混合物鋅-鎂陽(yáng)極芯樣品連接至鋼絲網(wǎng)陰極，以將陽(yáng)極固定至陰極鋼。
[0109]在將所述4個(gè)電鍍陽(yáng)極-陰極樣品組裝之后，將它們放置在指定的塑料桶中，并用模擬的混凝土孔隙水浸濕沙子。對(duì)于第一個(gè)24小時(shí)，陽(yáng)極和陰極不接觸，從而在陽(yáng)極-陰極組件周圍產(chǎn)生腐蝕性環(huán)境。將陽(yáng)極至陰極的連接線連接，陽(yáng)極開(kāi)始為陰極提供保護(hù)。
[0110]獲得了每個(gè)樣品的陰極和陽(yáng)極兩者相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極￠3?的半電池電勢(shì)和腐蝕電流的測(cè)量值。需要將半電池電勢(shì)與嫩⑶的腐蝕電池中的極化電壓相比較。目前的嫩⑶3？0169-2007第61章強(qiáng)調(diào)三種陰極保護(hù)(⑶)標(biāo)準(zhǔn)，即，(1)-850-相對(duì)于施加0？電流的飽和銅/硫酸銅電極，或-850-考慮電壓降(1?的通電電位，(2)-85011^斷電電位或極化電位，以及(3) 100^極化。
[0111]評(píng)估的目的是為了實(shí)現(xiàn)鋼絲網(wǎng)陰極的部分保護(hù)，以在易于發(fā)生腐蝕的環(huán)境中(即，室溫、高濕度和氯化物腐蝕閾值水平之上的氯化物的存在)通過(guò)不利的陽(yáng)極與陰極之比來(lái)促進(jìn)陽(yáng)極的輸出。除半電池電勢(shì)和腐蝕電流測(cè)量之外，還測(cè)定了各個(gè)陰極-陽(yáng)極樣品的溫度、邱值和電阻率。由于腐蝕是電化學(xué)反應(yīng)，提高溫度將增加反應(yīng)的速率(在此情況下為腐蝕電流)。監(jiān)控1)?值以確保陰極-陽(yáng)極樣品保持堿性，以模擬在其被嵌在修復(fù)混凝土中時(shí)存在的一般條件。測(cè)定電阻率以確保該體系中存在用于腐蝕發(fā)生的足夠的水分。
[0112]評(píng)估結(jié)果
[0113]陽(yáng)極電勢(shì)
[0114]所有的四個(gè)陰極-陽(yáng)極組件樣品均被評(píng)估56天以上。若所測(cè)得的即時(shí)斷開(kāi)電勢(shì)和連接電勢(shì)之差? 10011^，則表明充分的犧牲陽(yáng)極的功效。若來(lái)自陰極的即時(shí)斷開(kāi)值和連接值之差不存在，則表明預(yù)期不利的陰極與陽(yáng)極表面積之比不允許通過(guò)犧牲陽(yáng)極的優(yōu)先腐蝕而對(duì)陰極提供充分的保護(hù)。這些測(cè)試的結(jié)果繪制在圖5-8所示的圖表中。
[0115]圖8-12為描繪各個(gè)測(cè)試樣品的連接陽(yáng)極電勢(shì)和即時(shí)斷開(kāi)陽(yáng)極電勢(shì)的圖表。測(cè)量的電勢(shì)之差較大表明陽(yáng)極輸出較高。圖表上的兩條線合并而成的間隔為去極化，在所述間隔處，陽(yáng)極和陰極保持不連接一段時(shí)間以測(cè)量陽(yáng)極在斷電周期中的恢復(fù)，如斷電周期可發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的冷凍或干燥條件下。如圖表所示，所有的四個(gè)原型犧牲陽(yáng)極(鋅-無(wú)屏蔽的、鋅屏蔽的、混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的、混合物鋅/鎂屏蔽的)展示了連接陽(yáng)極電勢(shì)和未連接陽(yáng)極電勢(shì)之差適合為鋼絲網(wǎng)陽(yáng)極提供保護(hù)。應(yīng)注意的是，鋅和混合物鋅/鎂陽(yáng)極的屏蔽實(shí)施方案顯示了未連接陽(yáng)極電勢(shì)和連接陽(yáng)極電勢(shì)之差較大。
[0116]圖13示出短時(shí)間尺度內(nèi)的鋅-無(wú)屏蔽的、鋅屏蔽的、混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的、混合物鋅/鎂屏蔽的原型犧牲陽(yáng)極的陽(yáng)極電勢(shì)的對(duì)比。
[0117]腐蝕電流
[0118]腐蝕電流是陽(yáng)極輸出的另一指標(biāo)，并且是電鍍金屬消耗速率的函數(shù)。當(dāng)腐蝕電流接近0時(shí)，陽(yáng)極停止運(yùn)行，停止?fàn)奚饘俚南模耶a(chǎn)生鈍化(即，通過(guò)犧牲金屬表面的氧化產(chǎn)物的不溶性膜的形成或由氧化產(chǎn)物在陽(yáng)極和陰極之間形成短路)。圖14的圖表示出了鋅-無(wú)屏蔽的、鋅屏蔽的、混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的、混合物鋅/鎂屏蔽的原型犧牲陽(yáng)極的腐蝕電流的測(cè)量值。圖15示出了在較短時(shí)間內(nèi)由來(lái)自混合物鋅/鎂陽(yáng)極的犧牲鎂所提供的額外的初始電流。應(yīng)注意的是，混合物鋅/鎂屏蔽的陽(yáng)極展示了略低的電流，但是混合物鋅/鎂-無(wú)屏蔽的陽(yáng)極持續(xù)了較長(zhǎng)的時(shí)間。
[0119]雖然已結(jié)合多種示例性實(shí)施方案描述了陽(yáng)極組件、陰極保護(hù)體系和方法，但應(yīng)理解的是，可采用其他類似的實(shí)施方案或?qū)λ枋龅膶?shí)施方案進(jìn)行修改和補(bǔ)充以實(shí)現(xiàn)本文中所公開(kāi)的相同的功能而不背離本公開(kāi)內(nèi)容的范圍。上述實(shí)施方案不一定是相互替代的，可將多種實(shí)施方案進(jìn)行組合以提供預(yù)期的特性。因此，陰極保護(hù)體系和方法不應(yīng)局限于任何單一的實(shí)施方案，而應(yīng)按照所附的權(quán)利要求書的詳述的廣度和范圍加以理解。
【權(quán)利要求】
1.一種陽(yáng)極體，包含: 至少一個(gè)包含犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈； 至少一個(gè)電連接至所述螺旋線圈的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體；以及 包圍所述至少一個(gè)螺旋線圈的至少一部分和任選地所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分的包裝材料。
2.權(quán)利要求1的陽(yáng)極體，其中所述犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼。
3.權(quán)利要求2的陽(yáng)極體，其中所述犧牲金屬包含鎂、鋅、鋁和/或它們的合金。
4.權(quán)利要求1的陽(yáng)極體，其中所述犧牲金屬包含電動(dòng)金屬或金屬合金。
5.權(quán)利要求1的陽(yáng)極體，其中所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體螺旋纏繞所述至少一個(gè)螺旋線圈的所述縱向軸線的至少一部分。
6.權(quán)利要求1的陽(yáng)極體，進(jìn)一步包含與螺旋線圈的外表面毗鄰的屏蔽。
7.—種陽(yáng)極體，包括: 包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈； 第二犧牲金屬，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于第一犧牲金屬低，其中所述第一犧牲金屬和所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼； 至少一個(gè)電連接至所述第一和第二犧牲金屬至少之一的細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體；以及 包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分和任選地所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分的包裝材料。
8.權(quán)利要求7的陽(yáng)極體，其中所述第二犧牲金屬包含具有縱向軸線的第二螺旋線圈。
9.權(quán)利要求8的陽(yáng)極體，其中所述第一螺旋線圈與所述第二螺旋線圈交錯(cuò)。
10.權(quán)利要求9的陽(yáng)極體，其中所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體螺旋纏繞所述第一和第二螺旋線圈的所述縱向軸線的至少一部分。
11.權(quán)利要求9的陽(yáng)極體，進(jìn)一步包含與交錯(cuò)的螺旋線圈的外表面毗鄰的屏蔽。
12.權(quán)利要求7的陽(yáng)極體，其中所述第二犧牲金屬包含設(shè)置為與所述螺旋線圈的外表面毗鄰接觸的具有縱向軸線的實(shí)體。
13.權(quán)利要求12的陽(yáng)極體，其中所述電導(dǎo)體纏繞所述螺旋線圈和所述實(shí)體的縱向軸線的至少一部分以固定所述實(shí)體至所述螺旋線圈。
14.權(quán)利要求7的犧牲陽(yáng)極體，其中所述第一犧牲金屬包含鎂或鎂合金。
15.權(quán)利要求7的犧牲陽(yáng)極體，其中所述第二犧牲金屬包含鋅或鋅合金。
16.權(quán)利要求7的犧牲陽(yáng)極體，其中所述第一犧牲金屬包含鎂或鎂合金，且所述第二犧牲金屬包含鋅或鋅合金。
17.權(quán)利要求13的陽(yáng)極體，進(jìn)一步包含與交錯(cuò)的螺旋線圈的外表面毗鄰的屏蔽。
18.一種用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，包括: 包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈的陽(yáng)極體，所述螺旋線圈包含電化學(xué)活性高于鋼的犧牲金屬； 至少一個(gè)將所述陽(yáng)極體電連接至鋼筋元件的電導(dǎo)體；以及 包圍所述第一和第二犧牲金屬的至少一部分和任選地所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體的一部分的包裝材料。
19.權(quán)利要求18的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述犧牲金屬包含鎂、鋅和丨或它們的合金。
20.權(quán)利要求18的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述包裝材料為多孔砂漿。
21.權(quán)利要求18的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體電連接至所述陽(yáng)極體并發(fā)出于所述包裝材料的相對(duì)面。
22.權(quán)利要求18的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，包含第一犧牲金屬和縱向軸線的第一螺旋線圈；和包含第二犧牲金屬的第二螺旋線圈，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于所述第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼。
23.權(quán)利要求22的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述第一螺旋線圈與所述第二螺旋線圈交錯(cuò)。
24.權(quán)利要求23的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的電導(dǎo)體螺旋纏繞所述第一和第二螺旋線圈的所述縱向軸線的至少一部分。
25.權(quán)利要求24的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，進(jìn)一步包含與交錯(cuò)的螺旋線圈的外表面毗鄰的絕緣墊。
26.權(quán)利要求25的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述第二犧牲金屬包含與所述螺旋線圈的外表面毗鄰接觸的具有縱向軸線的實(shí)體。
27.權(quán)利要求18的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，包括:包含第一犧牲金屬和縱向軸線的螺旋線圈；和第二犧牲金屬的實(shí)體，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于所述第一犧牲金屬，其中所述第一犧牲金屬和所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼。
28.權(quán)利要求27的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述第一犧牲金屬包含鎂或鎂合金。
29.權(quán)利要求27的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述第二犧牲金屬包含鋅或鋅合金。
30.權(quán)利要求27的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，其中所述第一犧牲金屬包含鎂或鎂合金，且第二犧牲金屬包含鋅或鋅合金。
31.權(quán)利要求30的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的體系，進(jìn)一步包含與所述第二犧牲金屬的實(shí)體的外表面毗鄰的絕緣墊。
32.—種用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，包括: 將包含至少一個(gè)具有縱向軸線的螺旋線圈的犧牲陽(yáng)極體電連接至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，所述螺旋線圈包含電化學(xué)活性高于鋼的犧牲金屬，其中所述陽(yáng)極體至少部分地被包裝材料覆蓋。
33.權(quán)利要求32的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，進(jìn)一步包括: 將所述陽(yáng)極插入所述混凝土結(jié)構(gòu)中形成的孔洞中。
34.權(quán)利要求33的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，進(jìn)一步包括: 將所述犧牲陽(yáng)極體放置為接近所述鋼筋。
35.權(quán)利要求32的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，其中所述陽(yáng)極體進(jìn)一步包含電化學(xué)活性低于所述第一犧牲金屬的第二犧牲金屬。
36.權(quán)利要求32的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，其中所述至少一個(gè)螺旋線圈包括:包含第一犧牲金屬的第一螺旋線圈和包含第二犧牲金屬的第二螺旋線圈，所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性低于所述第一犧牲金屬，且其中所述第一犧牲金屬和所述第二犧牲金屬的電化學(xué)活性高于鋼。
37.權(quán)利要求36的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，其中所述第一犧牲金屬和所述第二犧牲金屬包含電動(dòng)金屬或金屬合金。
38.權(quán)利要求37的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，其中所述電動(dòng)金屬包含鋰、鉀、鈣、鈉、鎂、鋁、鋅、鉻，及它們的組合或合金。
39.權(quán)利要求38的用于減少混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的腐蝕的方法，進(jìn)一步包括: 以有效的量提供不同材料的至少兩種犧牲金屬一一其中一種為鎂一一的犧牲陽(yáng)極，以引起遠(yuǎn)離所述混凝土結(jié)構(gòu)的所述鋼筋的氯離子的迀移。
【文檔編號(hào)】C23F13/10GK104508188SQ201380040384
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月30日
【發(fā)明者】F·R·古德溫 申請(qǐng)人:建筑研究和技術(shù)有限公司