專利名稱：混凝土的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼筋混凝土的電化學(xué)處理以避免混凝土因鋼腐蝕引起的性能劣化。更具體地說，本發(fā)明關(guān)注阻止鋼筋的腐蝕并防止腐蝕隨后開始的混合電化學(xué)處理。
背景技術(shù)：
在鋼筋混凝土中，鋼的腐蝕是一個主要問題。不管是持續(xù)的還是短暫的電化學(xué)處理都已經(jīng)用于阻止此問題。這些涉及將電流從安裝的陽極系統(tǒng)穿過混凝土傳遞到鋼。在所有的情形中，鋼成為所形成的電化學(xué)電池中的陰極。在外加電流電化學(xué)處理中，陽極連接到DC電源的正極端，而鋼連接到DC電源的負(fù)極端。在犧牲電化學(xué)處理中，通過腐蝕直接連接到鋼的犧牲陽極提供了保護(hù)電流。建立持續(xù)的或長期的電化學(xué)處理，目的在于保持可預(yù)測未來的處理。持續(xù)的或長期的電化學(xué)處理期通常以年測量。一類眾所周知的持續(xù)的或長期的電化學(xué)處理技術(shù)是陰極保護(hù)。陰極保護(hù)包括外加電流陰極保護(hù)、犧牲陰極保護(hù)、間歇陰極保護(hù)和陰極防護(hù)。在這些技術(shù)中，長期的或永久的陽極將小的電流輸送到鋼筋。以鋼的單位表面積表示的平均電流密度通常從2到20mA/m2以阻止正在發(fā)生的性能劣化以及從O. 2到2mA/m2以防止性能開始劣化。此電流可以是脈沖的，但平均施加電流通常落入上述范圍。電流可以隨著基于性能數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行的調(diào)整來進(jìn)行時間到時間的調(diào)整。建立暫時的或短期的電化學(xué)處理，目的在于在可預(yù)測的未來中停止進(jìn)行處理。暫時的或短期的電化學(xué)處理期通常以天、周或月測量。用來阻止鋼筋腐蝕的暫時的處理包括除氯(US6027633)和再堿化(US6258236)。在這些系統(tǒng)中，暫時安裝的陽極系統(tǒng)與臨時的DC電源一起使用來將以鋼的單位表面積表示的lOOOmA/m2數(shù)量級的大電流在短時期內(nèi)(通常小于3個月)輸送到鋼筋。陽極是維持凈氧化過程的電極。混凝土結(jié)構(gòu)的陽極可以分成惰性陽極或犧牲陽極。它們可以進(jìn)一步分成嵌在多孔基體中的陽極或連接到混凝土表面以使其被暴露和是可接近的陽極，以及分離陽極或不分離陽極。包括陽極和支撐電解液的陽極系統(tǒng)可以分成短暫的陽極系統(tǒng)和長期的陽極系統(tǒng)。對這兩種陽極系統(tǒng)的差異進(jìn)行的總結(jié)將在下面的段落中
全A屮
口 ED ο惰性陽極抵抗陽極的消耗。惰性陽極用在大多數(shù)電化學(xué)處理中，但犧牲陰極保護(hù)是例外原則。主要的陽極反應(yīng)是水氧化產(chǎn)生了氧氣和酸。酸侵蝕混凝土中的水泥漿。結(jié)果，離開惰性陽極的電流密度以單位陽極表面積表示往往限制到小于200mA/m2。廣泛采用的陽極系統(tǒng)是嵌入在混凝土表面水泥覆層中的涂覆混合金屬氧化物(MMO)的鈦網(wǎng)狀物(US5421968)。也已經(jīng)采用了分離的多孔氧化鈦陽極，其宣稱輸送高達(dá)1000mA/m2的高陽極電流密度離開陽極表面(US6332971)。
在輸送保護(hù)電流的過程中消耗了犧牲陽極。主要的陽極反應(yīng)是犧牲金屬的溶解。結(jié)果，限制了犧牲金屬的使用壽命。犧牲陽極已經(jīng)應(yīng)用為嵌入在(埋在)犧牲陰極防護(hù)系統(tǒng)中的分離陽極(W09429496)和應(yīng)用為在犧牲陰極防護(hù)中帶有覆層的網(wǎng)狀物(US5714045)。然而，內(nèi)嵌犧牲陽極系統(tǒng)的使用因需要在陽極使用壽命結(jié)束時替換陽極而受到阻礙。犧牲陽極系統(tǒng)也可以直接連接到混凝土表面(US5650060)且是可以接近的以方便陽極的替換。在外加電流作用中使用犧牲陽極因在這種作用中陽極的消耗更快而受到阻礙。然而，表面應(yīng)用的陽極容易替換且這種類型的系統(tǒng)已經(jīng)在通常小于25mA/m2的陽極電流密度下被用作外加電流陽極(US5292411)。
分離陽極是每一個都截然不同的密實(shí)陽極，其通常嵌入在混凝土中的孔洞內(nèi)或安裝在對混凝土進(jìn)行了補(bǔ)片修復(fù)的位置。US6217742給出了對分離陽極的描述。內(nèi)嵌的分離陽極牢固地連接到混凝土且分離陽極的連接不牢靠現(xiàn)象比應(yīng)用到混凝土表面的非分離陽極的不牢靠現(xiàn)象更少發(fā)生。暫時的陽極系統(tǒng)通常連接到混凝土表面以進(jìn)行短期高電流的暫時的電化學(xué)處理以及在通常少于3個月的處理期結(jié)束時被移除。暫時的陽極被短暫的電解液所包圍，暫時的電解液如罐中包含的液體或諸如飽和纖維素纖維的電解液材料，電解液在處理過程結(jié)束時容易去除(US5538619)。高的驅(qū)動電壓連同高的電解液體積通常是必須的以支持高的電流輸出。相比而言，期望輸送防護(hù)電流達(dá)好幾年的長期陽極系統(tǒng)被牢固地連接到混凝土且可以嵌入在混凝土的空腔內(nèi)以改進(jìn)陽極的連接。發(fā)明公開內(nèi)容技術(shù)問題外加電流陰極保護(hù)是能阻止氯引起的混凝土中鋼腐蝕的現(xiàn)有方法中考證最多的。然而，當(dāng)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的其他檢查要求或維護(hù)要求相比時，外加電流陰極保護(hù)要求高等級的維護(hù)。此外，當(dāng)所有分層并碎裂的混凝土被修補(bǔ)后，以及然后只有在保護(hù)電流密度明顯低于鋼的局部腐蝕速率下，通常才開始起動外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，因?yàn)楦叩某跏缄帢O保護(hù)電流會有不利的影響，此影響緣于某些陽極系統(tǒng)上生成的酸和氣體。雖然低的電流密度最終會阻止腐蝕，但是在阻止腐蝕過程之前，腐蝕引起的破壞會持續(xù)發(fā)生。在初始處理后，暫時的電化學(xué)處理迅速阻止了腐蝕過程且無需維護(hù)。然而，有時候仍存在相當(dāng)量的氯化物，并且需要關(guān)注在含氯的環(huán)境中這種處理的耐久性。而且，處理的持續(xù)時間可能持續(xù)好幾個月，且在此時間內(nèi)需要限制接近被處理的表面。犧牲陰極保護(hù)并不總是被認(rèn)為能足夠有效地阻止腐蝕?？刹还茉趺凑f，該保護(hù)方法仍然是用于防護(hù)作用的一種維護(hù)要求低、可靠的方法。本發(fā)明所解決的問題是對混凝土中正在腐蝕的鋼有效地進(jìn)行強(qiáng)有力的電化學(xué)保護(hù)處理以阻止腐蝕并以最低程度的維護(hù)要求以及系統(tǒng)安裝過程中破壞度最小來獲得保護(hù)效果的長期持久性。技術(shù)方案對可獲得的數(shù)據(jù)所做的分析提供了有說服力的證據(jù)，證明應(yīng)用于鋼筋混凝土的電化學(xué)處理通過在腐蝕位置采用相對低的電荷量恢復(fù)堿度來阻止腐蝕。因此，現(xiàn)有的電化學(xué)處理可通過將處理過程分成兩個階段來得到改進(jìn)；即，短暫的初始高電流處理階段，用來快速阻止腐蝕以將進(jìn)一步的破壞降到最小，以及接下來具有低維護(hù)要求的長期的防護(hù)處理階段，用來持續(xù)鈍態(tài)并確保耐久性。公開了能夠輸送初始高電流的復(fù)合處理用的單一陽極、用來阻止腐蝕的短期的電化學(xué)處理以及接下來的長期的用來防止腐蝕隨后開始的低電流處理。為了進(jìn)行初始高電流處理，復(fù)合處理用陽極能夠在低的安全DC電壓將非常高的電流密度輸送離開陽極表面。為了 獲得耐久的、長期的防護(hù)處理，復(fù)合處理用陽極用在陰極防護(hù)作用中，優(yōu)選地，連接到鋼作為犧牲陽極。復(fù)合處理用陽極是基于在暫時的高外加電流作用中使用犧牲陽極金屬。導(dǎo)致開發(fā)復(fù)合處理用陽極的一種觀察結(jié)果是鋁合金犧牲陽極金屬能夠在非常低的安全DC電壓下輸送超過10000mA/m2(以單位陽極面積表示)的電流密度離開陽極表面，即使當(dāng)犧牲陽極金屬嵌入在鋼筋混凝土中形成的空腔內(nèi)的多孔材料中時，此DC電壓值也并不足以正到導(dǎo)致氣體的生成。這是有可能的，因?yàn)榕c在惰性外加電流陽極上發(fā)生的陽極反應(yīng)相比，犧牲陽極金屬上的陽極反應(yīng)容易發(fā)生。因此，非常高電流密度的密實(shí)的分離陽極(compact discretanode)可以嵌入在混凝土中以限制短暫的高外加電流處理過程中造成的破壞。由于鋼處生成的氫氧化物使得PH升高以及類似氯化物和硫酸鹽的侵蝕性離子從混凝土中脫離被吸引到犧牲陽極，所以短暫的高外加電流處理將腐蝕位置從鋼處移動到所安裝的犧牲陽極處。隨后，陽極可以用作活化犧牲陽極以維持鋼的鈍態(tài)。因此，在第一個方面，本發(fā)明提供了保護(hù)混凝土中的鋼的方法，該方法包括采用陽極和DC電源以及暫時的外加電流處理和低電流的防護(hù)處理，其中暫時的外加電流處理是高電流處理，采用DC電源以驅(qū)動電流離開陽極到達(dá)鋼來改善鋼處環(huán)境，以及低電流的防護(hù)處理是在施加暫時的外加電流處理之后施加用來抑制鋼腐蝕發(fā)生，并且相同的陽極用在兩種處理過程中且陽極包括犧牲金屬元素，該犧牲金屬元素經(jīng)歷了作為其主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解。導(dǎo)致開發(fā)復(fù)合處理用陽極的另一種觀察結(jié)果是鋁合金陽極的高電荷密度。長IOOmm和直徑15_的四個鋁合金陽極具有足夠的電荷以在外加電流和犧牲陽極作用中輸送約500mA—周和ImA—年。一些犧牲陽極的高電荷密度意味著從嵌入在混凝土中的小的犧牲陽極可以獲得長的使用壽命。這減少了對替換那些嵌入在多孔材料中的使用壽命到盡頭的陽極所需成本的關(guān)注。在密實(shí)的分離混凝土犧牲陽極上包含外加電流的陽極連接元件減少了當(dāng)分離犧牲陽極用作外加電流陽極時腐蝕連接元件的危險。在犧牲陽極已經(jīng)被消耗后，在用于外加電流陰極預(yù)防作用中的外加電流陽極的周圍形成犧牲陽極金屬還可能用于延長處理的使用壽命。有益效果犧牲金屬上進(jìn)行的陽極反應(yīng)比惰性陽極上進(jìn)行的陽極反應(yīng)更容易發(fā)生且要求更低的驅(qū)動電壓并生成更少的酸和更少的氣體。這能夠使短暫的高電流電化學(xué)處理更容易進(jìn)行。向電化學(xué)電池中的鋼陰極施加高電流迅速阻止了鋼的腐蝕并使進(jìn)一步的腐蝕破壞降到最低?；炷林星治g性的離子因外加電流處理而被吸引到陽極。這些侵蝕性離子和犧牲金屬結(jié)合起來形成了活化的犧牲陽極而沒有向混凝土中增加其他活化化學(xué)物質(zhì)。將犧牲陽極直接連接到鋼提供了應(yīng)用連續(xù)的防護(hù)處理以抑制進(jìn)一步開始腐蝕的一種簡單方法。在初始處理中，腐蝕區(qū)域有效地從鋼處移到了所安裝的陽極處。當(dāng)應(yīng)用高的外加電流電化學(xué)處理時，將陽極系統(tǒng)嵌入在混凝土中使得混凝土表面還能使用。
本發(fā)明提供了一種 保護(hù)混凝土中的鋼的方法，該方法包括采用陽極和直流電源以及暫時外加電流處理和低電流防護(hù)處理，其中暫時外加電流處理是采用直流電源驅(qū)動電流離開陽極到達(dá)鋼來改進(jìn)鋼處環(huán)境的高電流處理以及在施加暫時外加電流處理之后，施加低電流的防護(hù)處理以抑制鋼開始腐蝕，且相同的陽極用在兩種處理中且陽極包括犧牲金屬元素，犧牲金屬元素經(jīng)歷作為其主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解。在一個實(shí)施方案中，暫時外加電流可以是大于每平方米陽極200mA的陽極電流密度。在另一個實(shí)施方案中，暫時外加電流可以是大于每平方米陽極IOOOmA的陽極電
流密度。 在一個實(shí)施方案中，暫時外加電流處理中的平均電流可至少在大于低電流防護(hù)處理中的平均電流的數(shù)量級。在本發(fā)明的方法中，陽極可嵌入在與混凝土接觸的多孔材料中。在一個實(shí)施方案中，陽極可以是嵌入在混凝土中的空腔內(nèi)的多孔材料中密實(shí)的分離陽極。在本發(fā)明的方法中，暫時外加電流處理的持續(xù)時間可以是少于3個月。在一個實(shí)施方案中，暫時外加電流處理的持續(xù)時間可以是少于3周。在本發(fā)明的方法中，低電流防護(hù)處理可以是長期的低電流防護(hù)處理。在本發(fā)明的方法中，防護(hù)處理可包括將小于每平方米鋼5mA的平均電流輸送到鋼。在本發(fā)明的方法中，防護(hù)處理可通過提供從犧牲金屬元素中的犧牲金屬到鋼的電子傳導(dǎo)通路來實(shí)現(xiàn)的。在本發(fā)明的方法中，犧牲金屬元素可形成在惰性導(dǎo)體周圍，惰性導(dǎo)體可在比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+500mV以上的電勢下保持鈍態(tài)。在一個實(shí)施方案中，犧牲金屬元素可形成在惰性外加電流陽極的周圍。在另一個實(shí)施方案中，低電流防護(hù)處理可包括外加電流陰極防護(hù)。本發(fā)明的方法可包括暫時外加電流電化學(xué)處理，接著是犧牲陰極防護(hù)，之后是外加電流陰極防護(hù)。在本發(fā)明的方法中，犧牲金屬元素可包括鋁或鋅或鎂或其合金。在一個實(shí)施方案中，犧牲金屬元素可以是具有包含鋅和銦的合金化元素的鋁合金。本發(fā)明還提供了一種用于保護(hù)混凝土中的鋼的陽極，陽極包括具有外加電流陽極連接元件的犧牲金屬元素，其中陽極是密實(shí)的分離陽極和犧牲金屬元素是比鋼較不惰性和外加電流陽極連接元件包括具有至少一個連接點(diǎn)的導(dǎo)體，其中導(dǎo)體在比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+500mV以上的電勢下保持鈍態(tài)以及導(dǎo)體大體在其長度的一部分上被犧牲金屬元素圍繞以形成在導(dǎo)體和犧牲金屬之間傳導(dǎo)電子的電連接和連接點(diǎn)在延伸離開犧牲金屬元素的導(dǎo)體的一部分上，在此導(dǎo)體可以方便地連接到另一個導(dǎo)體。在本發(fā)明的陽極中，密實(shí)的分離陽極可以是足夠小的以安置到混凝土中直徑50mm和長200mm的取芯的或鉆孔的空腔內(nèi)。在本發(fā)明的陽極中，密實(shí)的分離陽極可以是足夠小的以安置到切割進(jìn)混凝土表面的寬30mm和深50mm的槽中。在本發(fā)明的陽極中，導(dǎo)體可在比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+2000mV以上的電勢下保持鈍態(tài)。在本發(fā)明的陽極中，導(dǎo)體可以是暴露于電解液時仍保持鈍態(tài)的惰性導(dǎo)體。在一個實(shí)施方案中，惰性導(dǎo)體可以是鈦。在另一個實(shí)施方案中，惰性導(dǎo)體的抗腐蝕性可源自于選自下面的一種或多種材料，該材料可包括碳、鈦、含有鎳-鉻-鑰不銹鋼合金的不銹鋼、鉬、鉭、鋯、鈮、鎳、含有耐蝕耐高溫鎳基合金的鎳合金、蒙乃爾合金、鉻鎳鐵合金。在本發(fā)明的陽極中，惰性導(dǎo)體可以是惰性外加電流陽極。在一個實(shí)施方案中，惰性外加電流陽極可選自涂覆金屬氧化物的鈦、鍍鉬的鈦、鍍鉬的鈮。在本發(fā)明的陽極中，導(dǎo)體可保持鈍態(tài)，因?yàn)閷?dǎo)體通過隔離材料層與環(huán)境中的電解液隔尚。在一個實(shí)施方案中，隔離材料可在導(dǎo)體進(jìn)入犧牲金屬之處延伸進(jìn)犧牲金屬的主體內(nèi)或在犧牲金屬表面的一部分上延伸。本發(fā)明還提供了如上所描述的至少一種產(chǎn)物在所描述的方法中的用途。本發(fā)明還提供了一種嵌入在受氯化物污染的混凝土結(jié)構(gòu)中的活化犧牲陽極的制備方法，該方法包括提供電子在導(dǎo)體和比鋼較不惰性的犧牲金屬元素之間的電子移動通路和形成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔和將犧牲金屬兀素嵌入在空腔內(nèi)的含有電解液的多孔材料中，留下一部分暴露的導(dǎo)體以提供連接點(diǎn)和提供直流電源的正極端和導(dǎo)體之間的電子移動通路和驅(qū)動高電流離開犧牲金屬以將混凝土中存在的氯離子吸引到犧牲金屬的表面來活化犧牲金屬以及從導(dǎo)體斷開直流電源。在一個實(shí)施方案中，離開犧牲金屬元素的外加電流可以是每平方米陽極大于200mAo在另一個實(shí)施方案中，離開犧牲金屬元素的外加電流可以是每平方米陽極大于IOOOmA0
在本發(fā)明的制備方法中，犧牲金屬元素可形成在導(dǎo)體的一部分周圍。在本發(fā)明的制備方法中，導(dǎo)體可以是惰性導(dǎo)體，當(dāng)惰性導(dǎo)體接觸混凝土中的電解液且其電勢被驅(qū)動到比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+500mV以上的電勢值時，惰性導(dǎo)體保持鈍態(tài)。在一個實(shí)施方案中，惰性導(dǎo)體可以是鈦。在本發(fā)明的制備方法中，活化犧牲陽極可以是密實(shí)的分離陽極。在本發(fā)明的制備方法中，犧牲金屬可以是含銦的鋁合金。本發(fā)明還提供了一種保護(hù)混凝土中的鋼的方法，該方法包括暫時高外加電流電化學(xué)處理以改進(jìn)鋼處的環(huán)境，接著是低電流防護(hù)處理以抑制鋼腐蝕的開始，其中陽極用于暫時外加電流處理和相同的陽極用于低電流防護(hù)處理和 陽極包括犧牲金屬元素，該犧牲金屬元素經(jīng)歷作為其主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解和在暫時外加電流處理中，陽極連接到直流電源的正極端和在低電流防護(hù)處理中，陽極連接到鋼以提供從犧牲金屬元素到鋼的電子傳導(dǎo)通路。本發(fā)明還提供了一種用于保護(hù)混凝土中的鋼的方法，該方法基本上在此如上所述并闡釋在附圖
中。附圖描述現(xiàn)在參考附圖，通過實(shí)施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖I顯示了在混合的外加電流-犧牲電化學(xué)處理中使用的陽極的示意圖；圖2顯示了用于確定陽極電勢-電流關(guān)系的試驗(yàn)裝置；圖3顯示了在鋁合金陽極和涂覆混合金屬氧化物的鈦陽極上的電勢-電流關(guān)系；圖4顯示了實(shí)施例I中，在侵蝕性環(huán)境中采用DC電源驅(qū)動離開鋁合金陽極的電流密度；圖5顯示了實(shí)施例I中，在初始外加電流處理后輸送離開鋁合金陽極的伽伐尼電流密度(galvanic current density)；圖6顯示了實(shí)施例2中，在溫和環(huán)境中采用DC電源驅(qū)動離開25個鋁合金陽極的電流密度；以及圖7顯示了實(shí)施例2中，在初始外加電流處理后驅(qū)動離開25個鋁合金陽極的伽伐尼電流密度。發(fā)明實(shí)施方式電化學(xué)保護(hù)的機(jī)理應(yīng)用于混凝土中的鋼的電化學(xué)處理包括陰極保護(hù)和陰極防護(hù)、間歇陰極保護(hù)、除氯和再堿化(realkalisation)。這些處理帶來的保護(hù)作用將電勢負(fù)向偏移,這會抑制鋼溶解形成正鐵離子(腐蝕)，從鋼表面除去氯離子提供了對鋼的鈍態(tài)膜侵蝕性更小的環(huán)境，以及在鋼表面處生成的氫氧根離子在鋼表面穩(wěn)定鈍態(tài)膜的形成。對鋼筋混凝土電化學(xué)處理的傳統(tǒng)理解是不同的處理方式取決于不同的保護(hù)作用。根據(jù)這種理解，陰極保護(hù)的基本原理在于獲得電勢的負(fù)向偏移。碳化混凝土的再堿化要求在鋼周圍形成氫氧化物的蓄積。除氯要求從混凝土中除去氯離子。間歇陰極保護(hù)在于改變鋼處的環(huán)境，這要么通過除去氯離子，要么通過生成氫氧根離子來短期內(nèi)抑制鋼的腐蝕，同時中斷供給保護(hù)電流。
電勢負(fù)向偏移的保護(hù)作用是微不足道的，大多數(shù)用于阻止正在發(fā)生的混凝土中的鋼腐蝕的電化學(xué)處理通過除氯和在鋼處生成氫氧根離子而導(dǎo)致開路鋼鈍態(tài)(open circuitsteel passivity)就可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用，對于這種觀點(diǎn)一直存在著爭論。雖然此觀察結(jié)果在陰極保護(hù)的情形中仍處于爭論中(可參見下面文章中的討論和答復(fù)Journal ofMaterial in Civil Engineering, 13 (5) 396-398, 2001),但是下文對可得到的證據(jù)所進(jìn)行的檢驗(yàn)和分析提出保護(hù)作用可能對成功應(yīng)用在暴露于大氣的混凝土中的鋼的所有電化學(xué)處理具有主宰效果。這種主宰性的保護(hù)作用是增大了鋼/混凝土界面處的pH。
暴露于大氣的混凝土是允許定期干燥的混凝土以使鋼上的陰極反應(yīng)動力學(xué)(氧的還原)被弱極化(氧還原反應(yīng)易于發(fā)生)。在此環(huán)境中，鋼通常受到鈍態(tài)膜的保護(hù)且鈍態(tài)膜的破壞主要由氯化物污染和混凝土覆層的碳化引起。鋼的鈍態(tài)由正的開路(無外加電流)電勢標(biāo)示。開路電勢是鐵電極電勢與氧電極電勢結(jié)合的結(jié)果。鈍態(tài)的鋼具有的開路電勢傾向于更正的氧電極的電勢。當(dāng)鈍態(tài)膜破壞后，開路電勢接近更負(fù)的鐵電極。不能將開路電勢(open circuit potential)與驅(qū)動電勢(driven potential)混淆。雖然正的開路電勢標(biāo)示著鋼上的鈍態(tài)膜完好無損，但是采用外電源驅(qū)動鋼電勢到更正的值增大了引起鐵溶解為正鐵離子的力并造成了鈍態(tài)膜的破壞以及由此而來的腐蝕。在氯引起的腐蝕中，鐵在鈍態(tài)膜的缺陷處局部溶解后與水反應(yīng)生成鐵的氧化物和氫離子。氫離子的正電荷被氯離子的負(fù)電荷平衡且局部形成鹽酸。PH的局部降低使鈍態(tài)膜不穩(wěn)定并導(dǎo)致通常稱為點(diǎn)蝕的腐蝕過程加速并蔓延。氯離子并不直接使構(gòu)成鈍態(tài)膜的鐵的氧化物不穩(wěn)定。這是局部PH降低的間接結(jié)果。碳化引起的腐蝕也是混凝土 pH的降低而造成的，此降低是由于二氧化碳和混凝土中正常存在的堿性水反應(yīng)的結(jié)果。在鋼處形成氫氧化物已經(jīng)被普遍認(rèn)為是一種保護(hù)作用，這種保護(hù)作用取決于將再堿化應(yīng)用到碳化混凝土中。再堿化比除氯更少需要深度處理(intensive treatment)且應(yīng)用再堿化來阻止氯化物引起的腐蝕會賦予一些實(shí)際操作中的優(yōu)勢。典型的再堿化處理要求施加600kC/m2(168Ah/m2)或lA/m2(以單位鋼表面積表示)一周時間以使相當(dāng)大部分的碳化混凝土覆層再堿化。這可以與應(yīng)用于典型的除氯處理中約3600kC/m2 (1000Ah/m2)的電荷密度相比擬。在鋼處生成氫氧化物也是應(yīng)用到受氯化物污染的混凝土的電化學(xué)處理的主要保護(hù)作用，其證據(jù)主要地源自于導(dǎo)致受氯化物污染的混凝土中鋼開路鈍態(tài)的相對低的外加電流密度和電荷密度。在對暴露于侵蝕性的模擬海洋環(huán)境中的受氯化物嚴(yán)重污染的物質(zhì)施加間歇陰極保護(hù)的試驗(yàn)室研究中(Glass, Hassanein and Buenfeld, Corrosion Science,43(6) 1111-1131,2001)，當(dāng)鋼受到6mA/m2和40mA/m2 (以單位鋼表面積表示)的聯(lián)合保護(hù)電流密度時，鋼的開路電勢在六個月后明顯地偏移到更鈍態(tài)的電勢值。這種正的電勢偏移標(biāo)示鋼已經(jīng)鈍態(tài)了。此結(jié)論由12個月間歇陰極保護(hù)后得到的物質(zhì)的圖支持，該圖顯示了受控物質(zhì)的連續(xù)腐蝕，以及受到較不深度處理的物質(zhì)已經(jīng)造成腐蝕開裂，而顯示出鈍態(tài)鋼的典型開路鋼電勢的物質(zhì)仍完好無損。對此數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析表明，在受到只有6mA/m2的聯(lián)合保護(hù)電流密度的物質(zhì)的情形中，用小于100kC/m2(小于28Ah/m2)的電荷造成了鋼的鈍態(tài)。在實(shí)施中，要求相對小的電荷密度來阻止氯化物引起的腐蝕的有利證據(jù)來自于對現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室陰極保護(hù)的研究中所獲得的廣泛的數(shù)據(jù)所做的分析。陰極保護(hù)設(shè)計的電流密度通常高達(dá)20mA/m2且陰極保護(hù)系統(tǒng)通常在低電流密度下投入工作。然而在應(yīng)用陰極保護(hù)不到50天后，通常用這種相對小的電流密度就可以獲得相當(dāng)?shù)碾妱萜?。小的外加電流密度下的相?dāng)?shù)碾妱萜浦豢赡馨l(fā)生在鈍態(tài)的鋼或接近鈍態(tài)的鋼上(Glass，Roberts andDavison, Proc.7th Int.Conf. Conrete in Hot and Aggressive Environments, October2003, Volume 2，p. 477-492，2003)以及這種方式造成鈍態(tài)的確鑿證據(jù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得(Glass，Roberts and Davison, Corrosion 2004，NACE, Paper No. 04332，2004)。相當(dāng)于施加了 50天的10mA/m2保護(hù)電流的電荷小于50kC/m2。這是在已修補(bǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)上引起鋼鈍態(tài)通常所要求的更典型的電荷密度且與通常施加在典型的除氯處理中的電荷(3600kC/m2)相比是非常小的。在鋼處生成氫氧根離子的重要性還由引起開路鋼鈍態(tài)的觀察結(jié)果所支持，此開路鋼鈍態(tài)是采用基本上小于局部鋼腐蝕速率的陰極保護(hù)電流密度獲得的。每年0.02mm鋼部分損失的平均腐蝕速率和每年大于0. Imm的局部腐蝕速率在受氯化物污染的混凝土中是很常見的現(xiàn)象。這相當(dāng)于約20mA/m2和lOOmA/m2的腐蝕電流密度。然而，陰極保護(hù)設(shè)計的電流密度幾乎總是小于或等于20mA/m2且外加電流密度總是小于設(shè)計的電流密度(BS EN12696 2000)。其他兩個因素進(jìn)一步加強(qiáng)了此令人驚奇的觀察結(jié)果。第一，施加保護(hù)電流對直接減小暴露于大氣中的混凝土的腐蝕速率并不有效。這種現(xiàn)象的技術(shù)上的原因是陰極反應(yīng)動力學(xué)在這種環(huán)境中被弱極化(容易發(fā)生)。第二，電流優(yōu)選地流向更正的陰極，而不是流向混凝土中形成的自然腐蝕電池中的腐蝕陽極。已經(jīng)顯示出甚至在環(huán)境中的幾何排列和電阻率變化有利于電流分布到腐蝕鋼的這種布置中，適度的外加電流也優(yōu)選地流向鈍態(tài)的鋼(Glass and Hassanein,Journal of Corrosion Science and Engineering,Volume 4,Paper 7,2003)。在這樣的條件下，施加電流不可能會導(dǎo)致任何氯化物從腐蝕的陽極位置除去。為了在腐蝕位置獲得反向的局部電流方向，施加足夠的電流以將電勢驅(qū)動到比未連接到任何鈍態(tài)鋼的獨(dú)立腐蝕位置的開路電勢更負(fù)的值。適度的施加保護(hù)電流密度通常用于鋼筋混凝土陰極保護(hù)中，凈陽極電流總是使這些位置有高腐蝕活性。然而，這些位置的再堿化仍是可能的，因?yàn)橹車幕炷梁透g位置之間的PH濃度梯度將提供附加的力以將氫氧根離子遷移到腐蝕位置。這與陰極保護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)加的電場結(jié)合將弱化強(qiáng)電場，該強(qiáng)電場維持高的氫氧根離子濃度梯度使得PH升高。隨著pH升高，在鋼上形成活化腐蝕位置的過程逆向，直到不溶的鐵的氧化物是最穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物以及重新形成鋼鈍態(tài)膜。使腐蝕位置再堿化以獲得開路鋼鈍態(tài)的過程可以稱為凹坑再堿化(pit realkalisation)。上述分析提出施加到混凝土中的鋼筋以引起開路鋼鈍態(tài)的電荷密度可以是在小于US6322691中先前假設(shè)用于可獨(dú)立應(yīng)用的短暫的電化學(xué)處理所需要的電荷密度的數(shù)量級。侵蝕性小的環(huán)境需要較少的電荷。在修補(bǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)上，電荷密度低到30kC/m2可能是足夠的，已經(jīng)顯示出100kC/m2的電荷導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)室模擬海洋暴露條件下受氯化物嚴(yán)重污染的混凝土中的鋼鈍態(tài)以及600kC/m2似乎不但足以使腐蝕位置(凹坑再堿化)再堿化，而且使碳化混凝土再堿化中的相當(dāng)大部分的混凝土覆層再堿化。改進(jìn)電化學(xué)處理方法當(dāng)考慮改進(jìn)鋼筋混凝土的電化學(xué)處理技術(shù)的方法時，可以將許多因素考慮在內(nèi)。這些因素包括
-速度，用此速度阻止腐蝕過程，-阻止腐蝕所要求的電荷密度，-處理的耐久性，以及-工藝的維護(hù)要求。上面已經(jīng)注意到相對低的電荷密度可以用于恢復(fù)鋼的鈍態(tài)。因此，阻止腐蝕的暫時的電化學(xué)處理方法可以比有時候應(yīng)用的非常強(qiáng)的短暫電化學(xué)處理的強(qiáng)度更弱。尤其是可以縮短暫時的電化學(xué)處理的周期。這樣，暫時的電化學(xué)處理可以在小于3個月且優(yōu)選地小于3周內(nèi)應(yīng)用。然而，短期處理的耐久性會受到質(zhì)疑，盡管腐蝕速率立即減小。如果應(yīng)用補(bǔ)充的長期腐蝕防護(hù)處理的話，那么這種暫時的初始處理是更可接受的。因此，改進(jìn)的處理方法將是混合的電化學(xué)處理方法，該方法中施加足以阻止腐蝕并導(dǎo)致開路鋼鈍態(tài)的初始電流密度，然后是低維護(hù)的陰極防護(hù)系統(tǒng)以防止任何腐蝕隨后開始。在阻止腐蝕的強(qiáng)有力的外加電流處理中以及在隨后維持鋼鈍態(tài)的低維護(hù)處理中都采用相同的陽極系統(tǒng)是有優(yōu)勢的。這種雙級電化學(xué)處理的兩個示例包括-短暫地將高電流驅(qū)動離開犧牲陽極以鈍化鋼，然后將犧牲陽極直接連接到鋼以提供低的犧牲電流陰極防護(hù)處理，以及-向涂覆犧牲金屬元素的惰性外加電流陽極施加電壓，在此犧牲金屬元素開始有利于與高保護(hù)電流密度相關(guān)的高的陽極反應(yīng)速率以鈍化鋼，且當(dāng)消耗犧牲金屬時，外加電流陽極持續(xù)提供低的外加電流陰極防護(hù)處理。在初始外加電流電化學(xué)處理過程中，施加的平均電流通常至少大于隨后在低電流的防護(hù)處理過程中施加的平均電流數(shù)量級。低電流的防護(hù)處理通常涉及將小于5mA/m2且大于O. 2mA/m2的平均電流密度輸送到鋼表面。處理技術(shù)本發(fā)明在第一個方面提供了一種保護(hù)混凝土中的鋼的方法，該方法包括使用陽極和DC電源以及暫時外加電流處理和低電流防護(hù)處理，其中暫時外加電流處理是采用DC電源將電流驅(qū)動離開陽極到達(dá)鋼來改善鋼處環(huán)境的高電流處理，且在應(yīng)用暫時外加電流處理后，應(yīng)用低電流防護(hù)處理以抑制鋼腐蝕開始，以及相同的陽極用于兩種處理中，該陽極包括犧牲金屬元素，該犧牲金屬元素經(jīng)歷作為主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解。本發(fā)明在第二個方面提供用于保護(hù)混凝土中的鋼的陽極，該陽極包括具有外加電流的陽極連接元件的犧牲金屬元素，其中陽極是密實(shí)的分離陽極且犧牲金屬元素比鋼較不惰性以及外加電流的陽極連接元件包括具有至少一個連接點(diǎn)的導(dǎo)體，其中該導(dǎo)體在比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+500mV以上的電勢下保持鈍態(tài)，以及導(dǎo)體基本上被犧牲金屬元素圍繞在其長度的一部分上以形成電連接，這種電連接在導(dǎo)體和犧牲金屬之間傳導(dǎo)電子，以及連接點(diǎn)在延伸離開犧牲金屬元素的導(dǎo)體的一部分上，在此導(dǎo)體可以方便地連接到另一個導(dǎo)體。本發(fā)明的第三個方面提供了使用本發(fā)明第一個方面描述的方法中的本發(fā)明第二個方面描述的陽極。
本發(fā)明的第四個方面提供了一種嵌入在受氯化物污染的混凝土結(jié)構(gòu)中的活化犧牲陽極的制備方法，其包括提供在導(dǎo)體和比鋼較不惰性的犧牲金屬元素之間的電子流動通路以及在混凝土結(jié)構(gòu)中形成空腔并將犧牲金屬元素嵌入在空腔內(nèi)含有電解液的多孔材料中，留下一部分暴露的導(dǎo)體以提供連接點(diǎn)并提供在DC電源正極端和導(dǎo)體之間的電子流動通路并驅(qū)動高的電流離開犧牲金屬以將混凝土中存在的氯離子吸引到犧牲金屬的表面來活化犧牲金屬并將DC電源從導(dǎo)體斷開本發(fā)明的第五個方面提供一種保護(hù)混凝土中的鋼的方法，其包括暫時高外加電流電化學(xué)處理以改進(jìn)鋼處的環(huán)境，接著是低電流防護(hù)處理以抑制鋼的腐蝕開始，其中陽極用于暫時外加電流處理以及相同的陽極用于低電流防護(hù)處理，陽極包括犧牲金屬元素，該犧牲金屬元素經(jīng)歷作為主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解，在暫時外加電流處理中，陽極連接到DC電源的正極端，而在低電流的防護(hù)處理中，陽極連接到鋼用來為電子從犧牲金屬元素傳導(dǎo)到鋼提供通路。圖I闡釋了優(yōu)選的混合電化學(xué)處理的一個實(shí)施例。犧牲金屬元素[I]嵌入在混凝土 [4]中形成的空腔[3]內(nèi)的含有電解液的多孔材料[2]中。利用電導(dǎo)體[6]和電連接件(connection) [7]將犧牲金屬元素連接到DC電源[5]的正極端。外加電流的陽極連接元件用于將犧牲金屬元素[I]連接到電導(dǎo)體[6]。這優(yōu)選涉及在一部分導(dǎo)體[8]周圍形成犧牲金屬元素[I]，在外加電流處理過程中，該犧牲金屬元素保持鈍態(tài)。導(dǎo)體[8]提供離開犧牲金屬的方便的連接點(diǎn)[9]以有利于連接到另一個電導(dǎo)體。利用電導(dǎo)體[11]和電連接件將電源[5]的負(fù)極端連接到鋼[10]。雖然電源連接到陽極和鋼，但是并不形成電連接件[13]。剛開始，在較短的時間段內(nèi)，利用DC電源[5]將大的、短期的外加電流從陽極組件[1,8]驅(qū)動到鋼[10]。在此過程中，氧氣和水[14]在鋼上轉(zhuǎn)化成氫氧根離子[15]。這中和了酸性腐蝕位置并促進(jìn)了鋼上保護(hù)性鈍態(tài)膜的修復(fù)。此外，侵蝕性的離子，如氯離子[16]從混凝土中被吸引進(jìn)陽極周圍的多孔材料[2]中。暫時外加電流改變了內(nèi)嵌的鋼和內(nèi)嵌的陽極周圍的局部環(huán)境。此變化意味著鋼處的局部環(huán)境支撐鋼的鈍化，而陽極處的環(huán)境維持犧牲陽極的活性。腐蝕位置從鋼筋上的位置有效地轉(zhuǎn)移到安裝的犧牲陽極。在結(jié)束外加電流處理時，接著可以利用相同的陽極來應(yīng)用長期的低電能陰極防護(hù)處理。優(yōu)選地是在電連接件[7]和[12]處斷開電源[5]并通過電連接件[13]將剩余的犧牲陽極金屬直接連接到鋼。隨后將由暫時外加電流處理形成的活化的分離犧牲陽極用在長期的犧牲陰極防護(hù)作用中以維持鋼的鈍態(tài)。這是優(yōu)選的，因?yàn)闋奚枠O的電流輸出比DC電源的電流輸出更可靠且在一定程度上利用導(dǎo)致更高的犧牲陽極電流輸出的更具侵蝕性的環(huán)境自行調(diào)整。而且，監(jiān)測并不是犧牲陽極系統(tǒng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵，且可以被定制以符合所要保護(hù)結(jié)構(gòu)的終端用戶的要求。監(jiān)測性能的一個簡單方法是利用無損電勢繪圖技術(shù)以確定是否只有陽極活性區(qū)域位于內(nèi)嵌分離犧牲陽極的位置處。連接件[7，9，12，13]和導(dǎo)體[6，8，11]是全部的導(dǎo)電連接件或?qū)w，因?yàn)樗麄兲峁┝穗娮右苿油?。他們可以被稱為電子連接件或電子導(dǎo)體。導(dǎo)體通常是導(dǎo)線或電纜。這些導(dǎo)體和連接件不同于離子導(dǎo)體或離子連接件?；炷?[4]中的電解液提供了犧牲金屬元素和鋼[10]之間的離子連接的示例。為了實(shí)現(xiàn)犧牲陰極保護(hù)或防護(hù)，犧牲金屬元素和鋼之間的電子連接件和離子連接件都被要求。用于暫時高電流處理的DC電源[5]包括主供電的DC電源或電池。如果陽極和電源的正極端之間的連接件保持盡可能地短以使對此連接件的腐蝕風(fēng)險降到最低的話，那么這是有優(yōu)勢的。優(yōu)選的陽極包括具有外加電流的陽極連接元件的密實(shí)的分離犧牲金屬元素。密實(shí)的分離陽極可以嵌入在鋼筋混凝土中形成的空腔內(nèi)。這改進(jìn)了陽極和混凝土結(jié)構(gòu)間的結(jié)合強(qiáng)度。這種空腔的示例包括直徑達(dá)50mm且長達(dá)200mm的孔洞，其可以是因取芯或鉆孔形成，也可以是切進(jìn)混凝土表面中的30mm寬和50mm深的長槽。當(dāng)空腔是因鉆孔形成的孔洞時，優(yōu)選使直徑保持在30_之下。許多陽極通常遍及混凝土結(jié)構(gòu)分布以保護(hù)內(nèi)嵌的鋼。外加電流的陽極連接元件用于將陽極連接到DC電源的正極端。所有連接到DC電源正極端的金屬會有變成陽極的風(fēng)險，如果他們與周圍環(huán)境中的電解液接觸的話，因此若不期望的話，那么他們就需要被保護(hù)以避免陽極溶解?，F(xiàn)有的用于鋼筋混凝土的密實(shí)的分離犧牲陽極裝有連接元件，其包括未絕緣的鋼或伽伐尼化的鋼線，這取決于陽極保護(hù)連接線的犧牲方式。當(dāng)陽極像外加電流的陽極那樣被驅(qū)動時，這些連接件將會與犧牲金屬一起遭受所引起的陽極溶解和腐蝕。密實(shí)的分離犧牲陽極中的外加電流連接元件可以通過在一部分導(dǎo)體周圍形成犧 牲金屬元素來獲得，該導(dǎo)體包括第二部分，該第二部分在陽極被電源驅(qū)動到正電勢時提供連接點(diǎn)并保持鈍態(tài)的。鈍態(tài)的導(dǎo)體是一種沒有明顯金屬溶解發(fā)生在其上的導(dǎo)體，因此沒有可見的腐蝕引起的破壞，因?yàn)殡妱荼或?qū)動到正值。在初始的外加電流處理中，導(dǎo)體和犧牲金屬元素被驅(qū)動到正電勢，此電勢通常比銅/飽和硫酸銅參比電極更不活潑(更正)且可以比銅/飽和硫酸銅參比電極正+500mV或者甚至正+300mV以上。當(dāng)銅和鋼接觸電解液時，在這些正電勢下，他們并不能維持自然的鈍態(tài)。圖I中的實(shí)施例顯示了形成在一部分導(dǎo)體[8]周圍的犧牲金屬元素[I]，該導(dǎo)體具有延伸超出犧牲金屬以提供連接點(diǎn)[9]的第二部分。為了得到鈍態(tài)的導(dǎo)體，可以采用在外加電流處理中的陽極電勢下與電解液接觸自然鈍態(tài)的惰性導(dǎo)體?？商娲兀瑢?dǎo)體可以通過周圍存在的犧牲金屬元素和存在于一部分導(dǎo)體上的隔離層，而與環(huán)境中的電解液隔離，這部分導(dǎo)體延伸超出犧牲金屬元素以形成連接點(diǎn)。優(yōu)選的連接元件涉及將犧牲金屬元素澆注(cast)在一部分惰性的鈦線周圍，這提供了離開犧牲金屬元素的暴露的部分鈦線上的連接點(diǎn)以方便地將鈦線連接到另一個電子導(dǎo)體上。這可以是另一個鈦線或絕緣電纜，其有利于陽極連接到DC電源的正極端。惰性導(dǎo)體的抗腐蝕性源自一種或多種材料，這些材料的示例包括碳、鈦、含有鎳-鉻-鑰不銹鋼合金的不銹鋼、鉬、鉭、鋯、鈮、鎳、含有耐蝕耐高溫鎳基合金(hastalloy)的鎳合金、蒙乃爾合金(monel)和鉻鎳鐵合金(inconel)。導(dǎo)體可以由這些材料形成或受到涂覆這些材料的惰性涂層的保護(hù)。鈦是優(yōu)選的材料，因?yàn)樗苋菀撰@得且在很寬的電勢范圍內(nèi)抵抗陽極的溶解。采用惰性外加電流陽極作為形成在犧牲金屬元素周圍的導(dǎo)體允許了當(dāng)惰性陽極周圍的犧牲金屬元素被消耗時，此陽極在外加電流陰極防護(hù)作用中被用作惰性外加電流陽極。這延長了陽極系統(tǒng)的使用功能的壽命。惰性外加電流陽極的示例包括涂覆金屬氧化物的鈦、鍍鉬的鈦、鍍鉬的鈮。從理論上說，惰性陽極導(dǎo)體會被犧牲金屬溶解產(chǎn)生的多孔金屬氧化物或鹽圍繞。這提供了在惰性陽極和周圍的混凝土之間維持PH梯度的層，該層限制了酸侵蝕周圍的混凝土。這還提供了一條路徑，陽極處產(chǎn)生的任何氣體可以通過該路徑逃逸。這些特征允許在高于通常為當(dāng)其造成直接與水泥砂漿或混凝土接觸時使用這類陽極所設(shè)定的限值之上的電流密度下驅(qū)動惰性電極芯。諸如鋼之類的導(dǎo)體可以利用隔離材料將導(dǎo)體與周圍環(huán)境中的電解液分開而導(dǎo)致鈍態(tài)。這防止了腐蝕導(dǎo)致的當(dāng)陽極用在外加電流作用中時沒有被犧牲金屬掩蔽的部分導(dǎo)體性能劣化。在這種情況下，優(yōu)選將隔離層在導(dǎo)體進(jìn)入陽極金屬之處延伸進(jìn)陽極金屬中或在陽極金屬的表面上延伸。因?yàn)闋奚?陽極金屬在導(dǎo)體周圍溶解，所以要保持導(dǎo)體與周圍環(huán)境中的電解液分開。優(yōu)選地是將陽極和DC電源的正極端之間的全部電纜連接與周圍環(huán)境中的電解液分開。優(yōu)選地，犧牲金屬比鋼較不惰性。示例包括鋅、鋁或鎂或其合金。鋁鋅銦合金是優(yōu)選的。鋁具有高的電荷密度，因此具有最有利的使用壽命/體積比。合金元素促進(jìn)了陽極活性，而陽極活性受周圍環(huán)境中存在的氯化物污染物的進(jìn)一步促進(jìn)。發(fā)生在犧牲金屬陽極上的主要陽極反應(yīng)是犧牲金屬的溶解。此氧化反應(yīng)比水氧化生成酸和氣體的反應(yīng)更容易發(fā)生，水氧化的反應(yīng)是發(fā)生在惰性外加電流陽極上的主要陽極反應(yīng)。因此，大的陽極電流密度可以在低的驅(qū)動電壓下從犧牲金屬元素輸送。犧牲金屬的溶解生成了金屬鹽。氣體的生成可以得到避免以及生成的唯一的酸是金屬鹽的二次水解的結(jié)果。此二次反應(yīng)受到限制。最小PH值由金屬鹽、存在的酸(確定pH)和金屬氧化物之間的平衡來確定。與通常發(fā)生在惰性外加電流陽極上的酸和氣體的產(chǎn)物有關(guān)的問題可以通過在陽極中使用犧牲金屬元素得到避免。這樣，可以在內(nèi)嵌的陽極上獲得以單位陽極表面積表示的大于200mA/m2的電流密度且優(yōu)選大于1000mA/m2的電流密度，而不會使周圍的混凝土出現(xiàn)明顯的性能劣化。過去，犧牲陽極材料優(yōu)選安置位置一直是混凝土表面，在此位置很容易接近并易于替換。然而，在潮濕條件下，混凝土襯底附著強(qiáng)度的降低和混凝土表面的迅速干裂限制了表面上離開陽極的位置處的性能。這些問題可以通過將犧牲金屬陽極嵌入到混凝土空腔內(nèi)的多孔材料中得到克服。多孔材料將陽極固定在合適的位置，同時其多孔性還留置了電解液并為陽極溶解的產(chǎn)物提供了空間。為了容納陽極溶解的產(chǎn)物，優(yōu)選多孔材料具有“類似膩?zhàn)印钡奶匦?，包括小于lN/mm2的壓縮強(qiáng)度且更優(yōu)選小于O. 5N/mm2以及含有可壓縮的空腔。在外加電流作用中使用犧牲金屬的一個特征是方便性，利用此方便性可以克服任何意外的陽極-鋼短路(陽極和鋼間的接觸為電子提供了從陽極直接流到鋼的通路)。這是因?yàn)闋奚饘僭诓幌嗤慕饘俣搪肺恢锰巸?yōu)先腐蝕來生成破壞直接短路的金屬氧化物。采用內(nèi)嵌犧牲金屬陽極的一個優(yōu)勢是可以陽極輸送的高的外加電流密度。電流的數(shù)量級通過確定嵌入在混凝土孔洞的泥灰中的鋁合金陽極的陽極極化行為(陽極電流輸出隨陽極電勢的變化)來估量，將此極化行為與在相同環(huán)境中，在涂覆混合金屬氧化物(MMO)的鈦惰性陽極上確定的極化行為進(jìn)行比較。鋁合金澆注在涂覆MMO的鈦線周圍以生成連接到暴露的鈦線長度的具有2180mm2的暴露鋁表面的犧牲陽極。鋁合金是美國海軍規(guī)格MIL-A-24779(SH)。I. Omm2的銅芯鎧裝電纜連接到暴露的鈦線。銅鈦連接件保持在混凝土之上的干燥環(huán)境中。采用連接到I. Omm2的銅芯鎧裝電纜的短長度的涂覆MMO的鈦帶制成了惰性陽極。此連接件被絕緣且測得暴露的涂覆MMO的鈦表面積為1390mm2。采用圖2中顯示的試驗(yàn)裝置確定了鋁和涂覆MMO的鈦陽極的極化行為(電勢-電流關(guān)系)。利用干燥20mm的各種級別的集塊(0-20mm)、波特蘭水泥(OPC)和水澆注了 300mm長X 140mm寬X 120mm深的混凝土塊[20]，分別以重量計，集塊、普通波特蘭水泥(Portlandcement) (OPC)和水的比例為8 : 2 : O. 95。在用3%的氯化物(以氯離子對水泥的重量百分比表示)混合混凝土來污染混凝土塊之前，先將氯化鈉溶解在水中。雖然混凝土仍是流動的，但是通過將剛性的塑料管壓進(jìn)混凝土中在混凝土塊中形成間隔200mm的直徑22mm且深90mm的兩個孔洞[21]。直徑10. 5mm且長140mm的鋼棒位于混凝土中兩個孔洞的中心位置。鋼棒在混凝土表面上延伸40mm。內(nèi)徑2mm的兩個可彎曲的魯金(Luggin)毛細(xì)管[23]的末端位于混凝土中每個孔洞和鋼棒之間的中間位置。嵌入的兩個額外的鋼棒[24]間隔IOOmm且與孔 洞[21]等距離，其在此試驗(yàn)中用作輔助電極。鎧裝銅芯電纜連接到鋼棒的暴露端?；炷劣不?，移走剛性的塑料管，鋁陽極和涂覆MMO的鈦陽極位于分開的孔洞內(nèi)的中心位置,孔洞內(nèi)的剩余空間用石膏基的灰泥(finishing plaster)填充以在高于陽極的表面留下的凹陷(indentation)?；夷嘤写不孕纬蓜傂缘亩嗫撞牧稀ｔ斀鹈?xì)管[23]用通過加熱同時攪拌以重量計的比例分別是2 2 100的瓊脂粉末、氯化鉀和水的混合物形成的導(dǎo)電凝膠填充。填充凝膠的魯金毛細(xì)管延伸到含有飽和硫酸銅溶液的小型容器中[25]。磨光的光亮銅[26]放置于各容器內(nèi)以形成兩個銅/飽和硫酸銅參比電極。用連接件將銅芯電纜連接到銅參比電極，并且該連接件是被絕緣的。橫電位儀和函數(shù)發(fā)生器[27]用于通過將電流從輔助電極傳到在試驗(yàn)中陽極來控制和改變相對于參比電極的陽極電勢。每一個陽極分別進(jìn)行一次單獨(dú)的試驗(yàn)。陽極和其最近的銅/飽和硫酸銅參比電極分別連接到橫電位儀/函數(shù)發(fā)生器[27]的工作電極(WE)和參比電極(RE)的端子。50hm的電阻器[28]和繼電器開關(guān)[29]在橫電位儀/函數(shù)發(fā)生器的輔助電極和輔助電極端子(CE)之間被連接。鎧裝銅芯電纜[30]用于所有的連接件中。試驗(yàn)在7到15°C之間的室內(nèi)進(jìn)行。陽極上的灰泥中的凹陷被周期性地潤濕。測量結(jié)果包括陽極電流、當(dāng)電流流過時相對于參比電極測量的陽極的通電電勢以及利用繼電器開關(guān)[29]將電流暫時從陽極中斷不超過O. 15秒的時間段后在O. 02到O. 07秒間測得的斷電電勢。陽極的斷電電勢是校正電勢，其中由電流導(dǎo)致的陽極和參比電極間的依賴于幾何形狀的電壓降從陽極的通電電勢減去。利用高阻抗數(shù)據(jù)記錄器記錄這些測量結(jié)果，記錄器還控制繼電器開關(guān)。陽極電勢開始受接近于任何電流存在時的自然電勢的值影響。受控的電勢隨后以O(shè). lmV/s的速率增大到相對于參比電極約+2000mV以獲得極化行為。圖3顯示了鋁陽極和涂覆MMO的鈦陽極電流密度輸出值隨著澆注混凝土 10天后，相對于參比電極測得的其通電電勢和斷電電勢變化而變化。Y軸上的電流密度以單位陽極表面積的電流表示且對照用HiV表示的電勢繪曲線圖，該電勢是X軸上相對于銅/飽和硫酸銅參比電極的電勢。隨著鋁陽極的通電電勢增大到+2000mV，離開鋁的電流密度增大到16000mA/m2以及鋁的斷電電勢增大到+1000mV。相比之下，只有當(dāng)涂覆MMO的鈦陽極的電勢增大到+IOOOmV以上時，其斷電電流才顯著。在+2000mV的通電電勢下，涂覆MMO的鈦陽極的電流密度接近3000mA/m2而其斷電電勢是+1400mV。因此，鋁能夠在較低的陽極電勢下產(chǎn)生非常高的電流密度。的確，當(dāng)鋁陽極的斷電電勢達(dá)到銅/飽和硫酸銅參比電極的電勢時，由鋁陽極輸送的電流密度大于10000mA/m2。示例中的鋁陽極與涂覆MMO的鈦陽極的陽極極化特征的比較結(jié)果顯示了在外加電流作用中采用內(nèi)嵌的犧牲金屬獲得了顯著的優(yōu)勢。使用嵌在鋼筋混凝土的孔洞內(nèi)的多孔材料中的犧牲金屬使得在同樣的驅(qū)動電壓下，所達(dá)到的陽極外加電流密度基本上大于采用現(xiàn)有的外加電流陽極技術(shù)所達(dá)到的電流密度。關(guān)注嵌在應(yīng)用于鋼筋混凝土的多孔材料中的犧牲金屬陽極的一個問題是陽極的使用壽命?；旌详枠O的使用壽命與其尺寸和輸出電流有關(guān)。長使用壽命的典型尺寸利用下面的假設(shè)條件估算
-500mA/m2的電流應(yīng)用于鋼I周將會改變鋼處的局部環(huán)境以導(dǎo)致鋼的鈍化。-ImA/m2的平均保護(hù)電流將維持鋼的鈍態(tài)并阻止下50年發(fā)生腐蝕。-每平方米設(shè)有4個陽極將獲得合理的電流分布。-使用具有2700kg/m3的密度、2980Ah/kg的電荷密度和93%的效率的分離鋁合金陽極。500mA電流持續(xù)7天后,接著是ImA電流持續(xù)50年,這相當(dāng)于每個陽極522Ah或130Ah的電荷。犧牲金屬特性表示每升陽極金屬中7458Ah的有用電荷以及可以用O. 0174升的陽極體積獲得130Ah的陽極。這可以由直徑15mm且長IOOmm的陽極實(shí)現(xiàn)。在混凝土結(jié)構(gòu)中的每平方米鋼表面安裝4個這樣尺寸的陽極是相對容易的工作。如上所述，500mA/m2施加到鋼I周將大大滿足于導(dǎo)致引起大多數(shù)情況下鋼鈍態(tài)的環(huán)境中的變化。ImA/m2的陰極防護(hù)電流密度是BS EN12696 2000中公開的陰極防護(hù)電流期望范圍內(nèi)的中間值。此估算結(jié)果顯示了在混合電化學(xué)處理中使用內(nèi)嵌的犧牲陽極并獲得長的服役壽命是可行的。在下面的實(shí)施例中，本發(fā)明將得到進(jìn)一步的描述。實(shí)施例I直徑15mm且長IOOmm的陽極嵌入在混凝土塊中的25mm直徑X 130mm深的孔洞內(nèi)的石灰膏中，陽極包括稱為美國海軍規(guī)格MIL-A-24779(SH)的鋁合金棒，其澆注在鈦線周圍以方便電連接件連接到鋁。圖I顯示了基本的裝置。采用各種級別尺寸一體化(gradedall-in-one)的20mm的集塊和普通波特蘭水泥以8 I的比例制成380X270X220mm的混凝土塊。水對水泥的比例是O. 6以及通過將氯化鈉溶解在混合物水中向混合物中添加了以重量計含4%氯離子的水泥。具有O. 125m2表面積的鋼片包括在混凝土塊中。通過潮解并使生石灰成熟形成石灰膏且石灰膏是制造石灰膏和石灰砂漿的原料。含有石灰膏的混凝土塊中的孔洞和陽極接觸空氣?；炷翂K儲存在干燥的室內(nèi)環(huán)境中且溫度從10到20°C變化。陽極和鋼連接到12V的DC電源達(dá)13天，在此期間，將65kC的電荷從陽極輸送到鋼。圖4給出了前11天輸送離開陽極的電流密度。對此時段的大多數(shù)時候來說，離開陽極的電流密度大于5000mA/m2。在外加電流處理期結(jié)束時，移走DC電源且將陽極連接到鋼。采用Iohm電阻器測得離開陽極的伽伐尼電流，因?yàn)殡娏鱾鞲衅魈幱陉枠O和鋼間的連接件上。圖5給出了接下來的40天內(nèi)，在伽伐尼(galvanic)模式下輸送離開完全起陽極作用的陽極的電流密度。對此時段的大多數(shù)時候來說，輸送離開陽極的電流密度在500到600mA/m2之間。應(yīng)該注意，當(dāng)在外加電流模式和伽伐尼模式中工作時，混凝土中存在的4%的氯化物表示導(dǎo)致犧牲陽極非常高的電流輸出的極端侵蝕性環(huán)境。
實(shí)施例2描述在實(shí)施例I中的直徑15mm且長IOOmm的25個招合金陽極嵌在包含具有3. 2m2鋼表面積的鋼筋的混凝土柱中。混凝土柱避免遭受雨淋和潮濕，因此非常干燥，但處于可見的海域中并暴露于空氣中的氯化物污染物中。通過將25mm的孔洞鉆進(jìn)混凝土中180mm深來安裝了陽極，用石灰膏和10%聚苯乙烯的混合物部分地填充孔洞，最后將陽極壓進(jìn)膩?zhàn)觾?nèi)，直到陽極完全嵌入在膩?zhàn)又小ｊ枠O連接到12V的DC電源的正極端且鋼連接到負(fù)極端達(dá)8天，在此期間，將67kC/m2的電荷輸送到鋼表面。圖6給出了在此期間輸送離開陽極的電流密度。輸送離開陽極的電流密度在4500和1500mA/m2之間變化。在初始處理后，含有陽極的孔洞用標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿修補(bǔ)材料密封。在外加電流處理結(jié)束時，移走DC電源且將陽極連接到鋼。采用Iohm電阻器測得離開陽極的伽伐尼電流，因?yàn)殡娏鱾鞲衅魈幱陉枠O和鋼間的連接件上。圖7給出了接下來的30天內(nèi)，在伽伐尼模式下輸送離開完全起陽極作用的陽極的電流密度。輸送離開陽極的伽伐尼電流密度在80到150mA/m2之間，這相當(dāng)于鋼表面上3到5mA/m2之間的保護(hù)電流。非常干燥的條件表示相對非侵蝕性的環(huán)境且與實(shí)施例2中獲得的數(shù)據(jù)相比，陽極的外加電流密度和伽伐尼模式下的陽極電流密度都是非常低的。然而，當(dāng)防護(hù)處理時，尤其在這種相對非侵蝕性的環(huán)境下，對陰極防護(hù)來說，輸送到鋼的伽伐尼電流是相對高的。計算出輸送3mA/m2的電流到鋼的陽極中犧牲金屬(假設(shè)70%的陽極效率)的剩余使用壽命是28年且如果施加的平均陰極防護(hù)電流穩(wěn)定在較低值的話，那么其使用壽命會更長。工業(yè)應(yīng)用性 工業(yè)上使用所公開的技術(shù)涉及用于阻止并防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼腐蝕的方法和產(chǎn)物。所公開技術(shù)的優(yōu)勢包括快速抑制鋼腐蝕、短暫的現(xiàn)場處理時間、無需定期的長期維護(hù)、容易安裝以及陽極和鋼意外短路的自行校正。適用于此技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)包括BS EN12696 2000(混凝土中的鋼的陰極保護(hù))和prCEN/TS 14038-1 (鋼筋混凝土的電化學(xué)再堿化和除氯處理)。
權(quán)利要求
1.ー種使受氯化物污染的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼的腐蝕最小化且保持鋼的鈍態(tài)的方法，所述方法使用活化犧牲陽極組件，所述方法包括以下步驟 形成用于電子在導(dǎo)體和比鋼較不惰性的犧牲金屬元素之間移動的流動通路； 形成所述混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的空腔，所述空腔包括取芯的孔、鉆孔和切割槽中的ー種； 將所述犧牲金屬元素嵌入在所述空腔內(nèi)的含有電解液的多孔材料中； 留下一部分暴露的所述導(dǎo)體以提供與所述導(dǎo)體的連接點(diǎn)； 提供用于電子在所述導(dǎo)體和直流電源的正極端之間移動的外加電流陽極連接元件；驅(qū)動電流離開所述犧牲金屬元素以將所述混凝土結(jié)構(gòu)中存在的氯離子吸引到所述犧牲金屬元素的表面來活化所述犧牲金屬元素，且從而使所述鋼的腐蝕最小化；以及從所述導(dǎo)體斷開所述直流電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括以下步驟外加大于每平方米陽極表面200mA的離開所述犧牲金屬元素的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟以大于每平方米陽極表面IOOOmA的電流輸送外加的離開所述犧牲金屬元素的電流。
4.一種保護(hù)混凝土中的鋼的方法，所述方法在暫時外加電流電化學(xué)處理中使用至少ー個陽極組件，以使要保護(hù)的所述鋼的腐蝕最小化，所述方法包括以下步驟 進(jìn)行所述暫時外加電流電化學(xué)處理，持續(xù)基本上短于由所述暫時外加電流電化學(xué)處理引起的保護(hù)效果的時間段的時間段； 使用作為所述陽極組件的部分的犧牲陽極組件，所述犧牲陽極組件包括比鋼較不惰性的犧牲金屬元素，這經(jīng)歷作為主要陽極反應(yīng)的犧牲金屬的溶解； 在所述暫時外加電流處理中，將所述犧牲陽極組件連接到直流電源的正極端；以及 在所述暫時外加電流處理中，將要保護(hù)的所述鋼連接到直流電源的負(fù)極端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括以下步驟在完成所述暫時外加電流電化學(xué)處理之后的隨后的保護(hù)步驟中，通過形成從所述犧牲金屬元素到要保護(hù)的所述鋼的電子傳導(dǎo)的通道產(chǎn)生伽伐尼電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括以下步驟將所述陽極組件嵌入在空腔中，所述空腔包括取芯的孔、鉆孔和切割槽中的ー種。
7.一種用于阻止混凝土中的鋼的腐蝕并隨后保持鋼的鈍態(tài)的陽極組件，所述陽極組件包括 具有外加電流陽極連接元件的犧牲金屬元素； 所述陽極組件是用于插入空腔的分離陽極組件，所述空腔包括取芯的孔、鉆孔和切割槽中的ー種； 所述犧牲金屬元素比鋼較不惰性； 所述外加電流陽極連接元件包括導(dǎo)體，所述導(dǎo)體在比銅/飽和硫酸銅參比電勢的電勢正+500mV以上的電勢下保持鈍態(tài)； 所述導(dǎo)體連接到所述犧牲金屬元素，以形成電連接，所述電連接在所述導(dǎo)體和所述犧牲金屬兀素之間傳導(dǎo)電子； 所述導(dǎo)體延伸離開所述犧牲金屬元素，以提供用于將所述導(dǎo)體連接到至少ー個另外的導(dǎo)體的接線點(diǎn)；并且所述外加電流陽極連接元件延伸離開所述犧牲金屬元素，以允許所述陽極組件連接到直流電源的正極端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陽極組件，其中所述犧牲金屬元素在所述導(dǎo)體長度的一部分上基本上圍繞所述導(dǎo)體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陽極組件，其中所述陽極組件的尺寸適用于安置到直徑為50mm或更小和長為200mm或更小的空腔中，且所述空腔是在所述混凝土中取芯的和鉆孔的 空腔中的ー種。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陽極組件，其中所述空腔是所述混凝土中的切割槽，且所述陽極組件的尺寸適用于安置到寬為30mm或更小和深50mm或更小的切割槽中。
全文摘要
用在復(fù)合電化學(xué)處理中以控制混凝土中鋼腐蝕的單陽極系統(tǒng)包括犧牲金屬和含有電解液的多孔嵌入材料，所述犧牲金屬利用外加電流的陽極連接元件能夠支持高的外加陽極電流密度。采用電源[5]將初始電流從犧牲金屬[1]驅(qū)動到鋼，從而在鋼上將氧氣和水[14]轉(zhuǎn)化成氫氧根離子[15]并將氯離子[16]吸引到陽極周圍的多孔材料[2]中以使腐蝕位置從鋼移動到陽極，從而恢復(fù)鋼的鈍態(tài)并活化陽極。接著施加陰極防護(hù)。通過將電源斷開并將活化的犧牲陽極直接連接到鋼是優(yōu)選的犧牲陰極防護(hù)。
文檔編號C23F13/02GK102618875SQ201210060738
公開日2012年8月1日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者安德瑞恩·羅伯特, 尼格爾·大衛(wèi)森, 格瑞斯·格拉斯 申請人:安德瑞恩·羅伯特, 尼格爾·大衛(wèi)森, 格瑞斯·格拉斯