專利名稱：采用電滲處理的增強(qiáng)混凝土中鋼的陰極保護(hù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種把通過電滲清除混凝土中腐蝕性陰離子和對埋在混凝土(比如鋼橋的底部、通信塔的基礎(chǔ))中的金屬元件進(jìn)行陰極保護(hù)兩種功能結(jié)合在一起的系統(tǒng)，而且更特別地，本申請在于保護(hù)傳統(tǒng)增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中稱為“鋼筋”的增強(qiáng)混凝土元件。
背景技術(shù)：
對抑制混凝土結(jié)構(gòu)中鋼腐蝕的斷續(xù)性或連續(xù)性方法進(jìn)行了描述。實現(xiàn)這些方法必需的裝置可以在結(jié)構(gòu)建造或現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的加固過程中組合到該結(jié)構(gòu)內(nèi)。該技術(shù)中通常使用陰極保護(hù)系統(tǒng)，眾所周知，在經(jīng)受足夠大電流以產(chǎn)生電滲效應(yīng)的環(huán)境中，電滲作用將改變環(huán)境中離子的濃度?！半姖B效應(yīng)”是指離子在水中沿混凝土結(jié)構(gòu)中固態(tài)混凝土微粒的表面移動。
本申請涉及一種把通過電滲清除混凝土中腐蝕性陰離子和對埋在混凝土(比如鋼橋的底部、通信塔的基礎(chǔ))中的金屬元件進(jìn)行陰極保護(hù)兩種功能結(jié)合在一起的系統(tǒng)，而且更特別地，本申請在于保護(hù)傳統(tǒng)增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中稱為“鋼筋”的增強(qiáng)混凝土元件。這種鋼筋由含有少于1％碳和少于2％合金元素的低碳鋼(也稱為“黑色鋼”)制成。Slater，J.E.在標(biāo)題為 Electrochemical Removal of Chlorides from Concrete BridgeDecks(″Materials Performance″November 1976，pp 21-26)的文章中講授了如氯化物等離子的清除方法。在增強(qiáng)元件和混凝土的表面的電解液之間應(yīng)用電場，以增強(qiáng)元件為負(fù)極。氯離子遷移穿過混凝土并與電解液反應(yīng)或者在陽極被氧化為氯氣而被釋放。陰極保護(hù)的實現(xiàn)，典型地采用(a)犧牲陽極，或者(b)使用(i)電位控制或(ii)電流控制的外加電流，增強(qiáng)元件作為反應(yīng)陰極，陽極是惰性的。混凝土的污染導(dǎo)致陰極與污染物進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)然鋼發(fā)生氧化。
典型地，增強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)如橋梁、包括電站在內(nèi)的建筑、海洋建筑如碼頭、以及新近修建的公路，最好立即應(yīng)用外加電流進(jìn)行陰極保護(hù)。但是老化之后，由于與周圍氣氛中酸性成分反應(yīng)而被損壞的內(nèi)部增強(qiáng)或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在沒有首先中和或消除造成損害的來源時，不能得到充分保護(hù)。對老化增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)問題與對混凝土結(jié)構(gòu)中新埋入的鋼筋和其它金屬元件的陰極保護(hù)明顯不同。
盡管慣用電滲從老化的和被污染的混凝土中清除腐蝕性陰離子，以及應(yīng)用犧牲陽極或外加電流進(jìn)行陰極保護(hù)，但是首先使用電滲電流消耗混凝土中的離子，然后采用外加陰極電流對陰離子耗盡的混凝土中的元件進(jìn)行保護(hù)，這一過程的效果還從來沒有被考慮過。也沒有考慮過首先應(yīng)用電滲電流以消耗腐蝕性離子，然后在不關(guān)斷電滲電流的同時應(yīng)用外加陰極電流以保護(hù)增強(qiáng)元件。
在美國專利4,823,803；4,865,702；5,141,607；5,228,959中已經(jīng)披露了基本Slater過程的改進(jìn)。電滲電流也已用于多孔混凝土或磚石建筑材料，以從材料中釋放出水從而減小由于潮濕造成的損害。涉及這種材料中潮濕處理的典型技術(shù)，美國專利6,126,802說明，因為在電極上建立電位，這種方法遇到了一個難點。因此，待處理材料應(yīng)用直流電的條件和待處理材料中成分和條件顯然差別較小，對處理結(jié)果具有不成比例地大的影響。參考文獻(xiàn)并不是說明，對于電滲清除腐蝕性陰離子不需要以增強(qiáng)元件作為陰極，以及即使電解液為pH值中性(pH7-8)的鹽溶液電滲電流也有效地消耗混凝土中的陰離子；參考文獻(xiàn)也并不說明，當(dāng)混凝土中的增強(qiáng)元件不用作陰極時，使用的直流電相對更低，以及，當(dāng)被污染混凝土中的離子被清除時，沒有必要對混凝土中心取樣，或者，分析電解液以分析混凝土中殘留腐蝕性離子的含量；而且，電極上沒有觀察到的電位形成而且也不需要脈沖。
一種系統(tǒng)被用于控制鋼增強(qiáng)混凝土的腐蝕，該混凝土被大氣污染物例如硫氧化物、氮氧化物、氫硫化物、氯化物和碳酸鹽以及道路清理鹽如氯化鈉和氯化鉀等污染，所有這些污染物透入混凝土中并侵蝕鋼筋。本發(fā)明聯(lián)合(a)電滲處理與采用犧牲陽極的陰極保護(hù)，或者，(b)電滲處理與采用外加電流的陰極保護(hù)。前者清除對鋼有害的離子并降低鋼周圍環(huán)境的腐蝕性。
電滲處理降低混凝土環(huán)境中離子的濃度，因此增加了混凝土的電阻，邏輯上將得出這樣的結(jié)論在這樣的條件下維持陰極保護(hù)需要的電流將增大；最終導(dǎo)電率如此低以至于陰極電流的電流密度將是不經(jīng)濟(jì)的并且不得不關(guān)斷。因此，增強(qiáng)混凝土經(jīng)受電滲處理將可能降低用于保持鋼筋的腐蝕保護(hù)的能量需求，這并不是顯然的。
為了提供比較不同條件聯(lián)合方法作用效果的基準(zhǔn)，抗腐蝕方法的效率被用作共同參數(shù)。在沒有任何保護(hù)時“效率”被規(guī)定為0；效率被定義為因保護(hù)而未損失的金屬數(shù)量除以沒有保護(hù)時將損失的金屬的數(shù)量，或者[(沒有保護(hù)的腐蝕速率)-(有保護(hù)時的腐蝕速率)]/(沒有保護(hù)的腐蝕速率)。
本說明中使用了下列術(shù)語“Ec”為鋼筋的腐蝕電位。Ec采用與混凝土試樣表面接觸放置的參考電極進(jìn)行測量。相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極，Ec被記為負(fù)。
“Ep”為陰極保護(hù)中應(yīng)用有效外加電流時的電位。
“CD”用于陰極保護(hù)的電流密度＝電流除以與混凝土接觸的鋼筋的表面積。
“CP”用于陰極保護(hù)的外加電流，在不相同時分別標(biāo)識。
“EP”從混凝土中清除污染陰離子的電滲處理的直流電流。
“EL”指一種具有侵蝕性的、pH值中性的、用作試樣浸入電解液的鹽溶液。

發(fā)明內(nèi)容
已發(fā)現(xiàn)，以小于1mA/Mcm3(毫安/1000cm3混凝土)，最好小于0.2mA/Mcm3的電流且電壓對人無害，應(yīng)用直流電滲電流(EP)，結(jié)合陽極(靠近被中性鹽溶液浸濕的增強(qiáng)混凝土的外表面放置)，有效地消耗混凝土中的陰離子，即使直流電流在0.01mA到小于1mA的范圍內(nèi)，電壓小于100V，最好小于70V。而且，采用這樣的電滲處理作為第一處理直到電流顯示出有害陰離子耗盡，并迅速地，在少于6個月之內(nèi)，隨首先進(jìn)行的處理之后進(jìn)行陰極保護(hù)，最好在同樣低電位下進(jìn)行外加陰極電流(CP)陰極保護(hù)，陰極保護(hù)所要求的CP的電流密度出乎意料地減小。外加電流CP的電流密度要求的減小，并與該新系統(tǒng)安裝和運行費用的降低一并，使傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)(無論采用外加電流還是犧牲陽極)的效率提高好幾倍(高至3到30倍的因數(shù))。而且，盡管電滲處理可以應(yīng)用混凝土中增強(qiáng)元件作為陰極，但最好是應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)外面的陰極；該用作電滲電流(EP)的“外部”陰極并不是混凝土中的增強(qiáng)元件。
因此，本發(fā)明的一般目標(biāo)就是提供一種與陰極保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的電滲處理方法，以保持老化的、被離子污染的混凝土結(jié)構(gòu)基本不被腐蝕，所使用的電流僅僅為保持同樣水平保護(hù)時傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)中需要電流的一小部分。電滲處理致使混凝土外面的污染離子發(fā)生電遷移移動，隨后立即進(jìn)行陰極保護(hù)，并在需要時重復(fù)該次序。電滲處理和陰極保護(hù)同時應(yīng)用，意料之外地，甚至比順序處理有效得多，一個電路的工作沒有干擾另一個電路。
本發(fā)明的一個特別目的就是提供一種通過獨立的電滲和陰極保護(hù)電路，對長時間處于酸性氣氛而被嚴(yán)重?fù)p害的結(jié)構(gòu)進(jìn)行順序保護(hù)的方法。當(dāng)直流EP電流的電阻低至允許在36V時大于1000μA/Mcm3的電流流過時，進(jìn)行電滲處理。當(dāng)電流降低到200μA/Mcm3，表明離子的濃度已降低到可接受的低水平，關(guān)斷EP。在低于100V的安全水平開啟外加陰極電流CP，以維持電位EP在理想水平，典型地比鋼筋的腐蝕電位高(數(shù)字上，盡管相對于氫電極記為負(fù)電位)并在大約150mV到小于300mV的范圍內(nèi)。CP一直維持到電流密度升高到被認(rèn)為經(jīng)濟(jì)的水平。例如，當(dāng)電流密度升高到大約300mA/m2，陰極保護(hù)的成本通常被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)；最好在CP的電流密度不高于200mA/m2時進(jìn)行操作。當(dāng)被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)時關(guān)斷CP，重新啟動用于電滲處理的電路，直到足夠多的離子被清除以使單獨應(yīng)用外加電流CP的陰極保護(hù)是經(jīng)濟(jì)的。這種轉(zhuǎn)換順序可以在必要時經(jīng)常重復(fù)，以保持金屬的腐蝕在不定周期為可以接受的最小值。通過測量在選定安全電壓下需求的電流密度對混凝土中鹽的濃度進(jìn)行確定，不需要進(jìn)行分析以確定殘留在混凝土中的離子的含量。聯(lián)合電源和可編程控制裝置實施系統(tǒng)控制。
作為選擇，氯化的和磺化的混凝土結(jié)構(gòu)的電滲處理和陰極保護(hù)，可以通過提供兩個具有獨立陰極和陽極、同時運行的獨立電路而同時進(jìn)行，直到電滲電流和外加陰極電流的水平太高而被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)。隨后僅僅使用犧牲陽極，或，使用具有更低電流密度外加電流的陰極保護(hù)才是充分的陰極保護(hù)所必要的。


本發(fā)明前述和額外的目的及優(yōu)點，將通過參照下面與本發(fā)明最佳實施方式的示意圖說明一起進(jìn)行的詳細(xì)描述得到最好地理解，其中同樣的參考標(biāo)號表示同樣的元件，而且其中圖1(a)示意說明使用外加電流的傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)，參考電極被用于對鋼筋測量電位。
圖1(b)示意說明使用犧牲陽極的傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)，犧牲陽極被埋在混凝土結(jié)構(gòu)以外的地方。
圖1(c)示意說明使用埋在混凝土結(jié)構(gòu)中多個犧牲陽極的傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)。
圖2示意說明使用鋼筋增強(qiáng)混凝土試樣進(jìn)行試驗操作的容器。
圖3(a)示意說明一種外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中使用惰性、不可溶解的陽極，這種陽極的使用出于兩個目的為陰極保護(hù)提供必要的電路，還為混凝土的電滲處理提供必要的電路。
圖3(b)示意說明犧牲陽極的保護(hù)系統(tǒng)，其中使用不可溶解的陽極出于兩個目的為陰極保護(hù)提供必要的電路，還為混凝土的電滲處理提供必要的電路。
圖4(a)是效率(％)隨電流密度(單位mA/m2，毫安/平方米)變化的曲線圖，起始于無外加電流，在浸在pH中性溶液中的增強(qiáng)混凝土試樣上使用傳統(tǒng)的外加陰極電流。
圖4(b)腐蝕速率(μm/year)隨電流密度(單位mA/m2，毫安/平方米)變化的曲線圖，在浸在pH中性溶液中的增強(qiáng)混凝土試樣上使用傳統(tǒng)的外加陰極電流。
具體實施例方式
當(dāng)酸、堿或鹽溶解在水中或者其它分離溶劑中，被溶解物質(zhì)的部分或者全部分子分離成離子，一些離子帶正電荷，被稱為陽離子，相當(dāng)數(shù)量的離子帶負(fù)電荷，被稱為陰離子。新澆注的、潮濕的混凝土主要含有Ca+和OH-離子。在老化的、被典型環(huán)境污染物酸化的混凝土結(jié)構(gòu)中，污染陰離子主要是SO4-或SO3-，CO3-和Cl-；OH-陰離子，如果存在Ca2+和H+陽離子也是無害的。由于使用直流電的電滲處理產(chǎn)生離開陽極的、與每次從混凝土中清除的陰離子等價的有益陽離子，因此直流電對于“清理”嚴(yán)重污染的混凝土使有效的。
與電滲處理一起，外加陰極保護(hù)現(xiàn)在被用于從增強(qiáng)混凝土主體中清除腐蝕性物質(zhì)如氯化物、硫酸鹽和亞硫酸鹽，首先在混凝土電滲處理的外部陰極和外部陽極之間使用外加電流；該過程最好在被認(rèn)為是安全和允許的高電壓下，而且以對混凝土電阻所選電壓下需要的高電流而進(jìn)行。出于安全考慮，選定電壓最好對人無害，在10到70V的范圍內(nèi)更好，最好為30到50V。典型條件下需要的電流很小，典型地，小于1mA，并最好小于0.1mA，在從大約200到1000μA/Mcm3混凝土的范圍內(nèi)，這依賴于污染的程度；污染越嚴(yán)重，電流越高。當(dāng)有害離子的濃度大量減少時，電流降低到200μA/Mcm3以下。
鋁或者富鋁合金棒，或者鎂和富鎂合金棒，鋅和富鋅合金被用作犧牲陽極，這些犧牲陽極靠近放置或者埋入結(jié)構(gòu)中并與鋼筋實行電連結(jié)；或者使用鍍鋅鋼筋；在任一種方式中，所需陽極的質(zhì)量為該時期內(nèi)金屬發(fā)生溶解的量，金屬的這個量為流經(jīng)電流回路的電量和金屬被消耗的時間(Faraday規(guī)律)。由于需要在長時期內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，而且一旦開始腐蝕，陽極的消耗速率通常非常高，因此長時期內(nèi)，比如100年，需要犧牲陽極的質(zhì)量很大。而且，周期性陽極替換以提供持續(xù)保護(hù)是很不方便的，并且通常也是不切實際的。因此，這種犧牲陽極的使用被很大量地放棄，而贊同使用外部電源為易腐蝕金屬提供外加陰極電流。通過控制外加陰極電流，結(jié)構(gòu)的使用壽命不受限于鋼增強(qiáng)體的腐蝕。
在陰極保護(hù)中，外加電流流動經(jīng)過陽極到電解液然后到結(jié)構(gòu)中的鋼筋。這種以鋼筋作為陰極的保護(hù)，和傳統(tǒng)使用方法一樣，是非常昂貴的，它與在腐蝕離子貧化的環(huán)境中獲得相同的鋼筋腐蝕保護(hù)時相比，需要更高的電流密度以獲得令人滿意的低腐蝕水平，當(dāng)混凝土中腐蝕性陰離子的水平低時，發(fā)現(xiàn)外加電流的電流密度也低，小于100mA/m2，當(dāng)外加電流達(dá)到200μA時，關(guān)斷外加電流并開啟電滲電流。
參見圖1(b)和圖1(c)，一種具有犧牲陽極的傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)包括埋在混凝土柱1中的鋼筋2，圖1(b)中犧牲陽極3放置在混凝土柱1的外部，在圖1(c)中犧牲陽極3埋入混凝土中。由于低功率輸出，通常這些系統(tǒng)中任何一個都沒有采用外加電流有效。低輸出的原因是由于鹽的環(huán)境中犧牲陽極與混凝土中受腐蝕的鋼之間電位或電位差低。典型地，電位小于1V，通常小至0.5V。由于混凝土具有比潮濕土壤更高的電阻，達(dá)到100,000ohm-cm，因此電路中電阻為幾百或幾千歐姆。由于電阻高，所以輸出電流低。
在如圖1(a)所示的傳統(tǒng)外加電流系統(tǒng)中，埋在混凝土柱1中的鋼筋2作為陰極被連結(jié)到電源5上，電源5上還連接有外部惰性陽極6。參考電極4放置在混凝土柱的表面上。
沒有電流(沒有保護(hù))時的腐蝕速率為大約450μm/yr；當(dāng)電流密度為200mA/m2時，腐蝕速率為可以忽略的大約20μm/yr。因此，為了得到95％的效率，需要的電流密度為200mA/m2，效率被定義為指定電流密度時的腐蝕速率除以沒有外加電流時的腐蝕速率。為了得到80％的效率，需要120mA/mm2的電流密度。新系統(tǒng)消除了這種傳統(tǒng)保護(hù)的高成本。
盡管圖1(b)所示的犧牲陽極系統(tǒng)可以與如圖3(b)所示的外部陰極聯(lián)合使用，但它并不是與外加電流系統(tǒng)一樣有效。在圖3(b)中，增強(qiáng)混凝土柱1中的鋼筋2和外部陽極3被連結(jié)到控制系統(tǒng)7；外部陰極6也連結(jié)到控制系統(tǒng)7。系統(tǒng)的低功率輸出使其比外加電流系統(tǒng)效率更低。
因此，聯(lián)合附加陰極(如圖3(a)所示)的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)(如圖1(a)所示)是最好的。為了避免混淆，在圖3(a)和圖3(b)中，都沒有顯示參考電極。
典型地，新的腐蝕保護(hù)系統(tǒng)用于被酸性污染物嚴(yán)重?fù)p害的老化結(jié)構(gòu)。進(jìn)行電滲處理，直到電流(EP)降低到電流密度小于200μA，最好小于100μA，證實腐蝕污染物的濃度達(dá)到合格水平；然后關(guān)斷電流。緊隨其后，在少于6個月內(nèi)更好，最好在不超過1個月之內(nèi)，以被認(rèn)為經(jīng)濟(jì)的電流密度采用外加電流進(jìn)行陰極保護(hù)，而且外加電流一直維持到污染物的形成被認(rèn)為有害時止。隨后，重新進(jìn)行電滲處理。
對新建筑物使用時，最好使用外加電流陰極保護(hù)直到污染物的構(gòu)成被認(rèn)為有害時為止。緊隨其后，在少于6個月內(nèi)更好，進(jìn)行電滲處理，直到腐蝕性污染物的濃度被消耗到合格水平。
最好地，電滲處理和陰極保護(hù)同時進(jìn)行，包括，將第一陰極負(fù)極性地連結(jié)電位源，該電位具有足夠的電負(fù)性以供給上述混凝土中離子進(jìn)行電滲，第一陰極放置在上述混凝土結(jié)構(gòu)的外部附近；維持離子從上述混凝土中電滲轉(zhuǎn)移，直到上述混凝土的導(dǎo)電率降低到使電流密度達(dá)到大約200mA/m2或更??；將鋼筋負(fù)極性地連結(jié)到負(fù)電位源，該負(fù)電位足夠供給充分的外加電流以將上述鋼筋的陰極電位加壓到預(yù)定的范圍；將上述電位源的陽極連結(jié)到靠近上述鋼筋放置的陽極上；而且，以數(shù)字上高于腐蝕電位傳感裝置的腐蝕電位、范圍在大約150mV到小于300mV的電位，維持來自于負(fù)電位源的電流，直到電流密度升高到大于100mA/m2。最好對比混凝土表面上的參考電極，連續(xù)測量鋼筋表面上的腐蝕電位。
結(jié)合電源的可編程控制裝置監(jiān)控，對埋入、或在混凝土表面上、或者兩種傳感裝置產(chǎn)生響應(yīng)，以提供如鋼筋的腐蝕電位、混凝土的pH值和在結(jié)構(gòu)種的不同位置鹽的濃度等數(shù)據(jù)。
一種用于維持鋼筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)基本免于鋼筋腐蝕的系統(tǒng)，包括，混凝土，其中柵格內(nèi)鋼筋互相電連結(jié)；響應(yīng)可編程控制裝置的外部電源，數(shù)據(jù)從按串聯(lián)關(guān)系連結(jié)的傳感裝置傳輸?shù)娇删幊炭刂蒲b置，響應(yīng)外部電源、傳感裝置；用于外部電源正極性地連結(jié)到靠近上述鋼筋放置的陽極上的裝置；用于將第一陰極負(fù)極性地連結(jié)到外部電源的裝置，該外部電源提供充分的電流以形成離子離開混凝土的電滲電流；用于以數(shù)字上高于傳感元件的腐蝕電位、范圍在大約150mV到小于300mV的電位，維持從負(fù)電位源獲得電流的裝置。
為了采用外加電流CP以順序(第一)模式進(jìn)行操作，圖3(a)中說明的系統(tǒng)操作如下電源5被連結(jié)到埋在混凝土柱1附近泥土中的陰極6上，并且也連結(jié)到不可溶解的陽極8，該陽極靠近混凝土，最好與混凝土表面相接觸。在36V的電位下使用足夠的電流以獲得電滲作用，推動Cl-和其它陰離子向陽極8移動，同時Na+和其它陽離子向陰極6移動。在電滲處理和陰極保護(hù)期間，使用參考電極跟蹤鋼筋的腐蝕電位(Ec)。
當(dāng)混凝土柱的電阻仍然足夠高，允許EP以大約200μA，最好小于100mA/m2的相對低的電流流動時，陰極6與電源5斷開以使電滲中斷，并連結(jié)鋼筋2到電源5的負(fù)極。要求每個步驟執(zhí)行的周期將有賴于混凝土中鋼筋所處的環(huán)境和混凝土柱周圍土壤的pH中性特征而不相同。
為了應(yīng)用犧牲陽極連續(xù)操作，控制系統(tǒng)7的負(fù)極被連結(jié)到埋在混凝土柱1附近(最好與混凝土柱表面相接觸)土壤中的陰極6上，而且7的正極端也連結(jié)到可溶的犧牲陽極3上。使用足夠的電流以獲得電滲作用，推動Cl-和其它陰離子向陽極3上移動，并同時Na+和其它陽離子向陰極6移動。和前面一樣，當(dāng)EP電流足夠低時，關(guān)斷EP。然后將鋼筋連結(jié)到控制系統(tǒng)7中的負(fù)極端，陰極保護(hù)由犧牲陽極3提供。和前面一樣，需要時可以重復(fù)該次序。
應(yīng)用外加電流CP或者犧牲陽極時，發(fā)現(xiàn)使用小于大約傳統(tǒng)陰極保護(hù)系統(tǒng)(無論采用外加電流或是犧牲陽極)所需電流密度一半時獲得相同的腐蝕速率。
為了以同時(第二)模式操作，圖3(a)和圖3(b)中說明的系統(tǒng)，在陰極保護(hù)電路在鋼筋和陽極之間提供電連結(jié)的同時，維持電滲電流EP。當(dāng)外加電流CP和EP聯(lián)合使用時，兩個單獨電路在pH值中性的介質(zhì)中同時運行。
每個經(jīng)編號的試樣為直徑10cm、高度20cm的增強(qiáng)混凝土圓柱，采用每立方米混凝土300Kg Portland水泥制成，在圓柱的中心以長軸方向埋入直徑1.5cm長25cm的清潔、未生銹的碳鋼棒。在被埋入試樣之前，對每個試樣中每個鋼筋進(jìn)行重量。在每個試樣中，還靠近中心棒埋入pH電極以監(jiān)測pH值隨時間的變化。每次試驗以后，基本上與混凝土的頂部平齊切除每個鋼筋上用于作為第二電極連結(jié)點的頂頭，以減小由于在試驗室內(nèi)沒有覆蓋水泥而直接暴露于腐蝕性成分的頂頭部分發(fā)生腐蝕而引起的誤差。
為了加速氣氛損害，這種損害通常在數(shù)十年的周期內(nèi)達(dá)到，所有的試樣在有侵蝕性合成氣氛的試驗室內(nèi)進(jìn)行30天周期的預(yù)處理。試驗室內(nèi)的氣氛具有以下成分氯化物，Cl-15g/m2×h(圓柱表面測量獲得)二氧化硫SO230mg/m3相對濕度，RH100％室內(nèi)溫度55℃腐蝕性Cl-離子是通過向試驗容器中持續(xù)噴射NaCl溶液30天而提供。不時地對試樣表面NaCl的濃度進(jìn)行測試，典型地每2hr。根據(jù)試樣的表面積計算出Cl-離子的濃度并在30天內(nèi)保持恒定。通過測量每個試樣中pH值隨時間變化對試驗室內(nèi)老化的影響進(jìn)行評定，其中發(fā)現(xiàn)在如下面的表1中列出的每個周期內(nèi)，試樣與試樣之間，顯示的pH值范圍不同。
表1

然后在指定的保護(hù)條件下，通過浸入電解液中，對試樣進(jìn)行測試以確定EL的腐蝕效果。
電解液EL是通過在蒸餾水中溶解下列鹽制成，它們的濃度(單位g/L)如下，NaCl，25；MgCl2，2.5；CaCl2，1.5；Na2SO4，3.4；以及CaCO3，0.1，溶液的pH值為7-8。
參照圖2，說明了充滿電解液EL-1的不導(dǎo)電的塑料容器10，增強(qiáng)混凝土試驗12置于容器的中心且鋼筋11的頂端從試樣的上表面突出。鋼筋11作為陰極(這里稱為第二陰極)并連結(jié)到電源13的負(fù)極端N上。鋼筋的頂部基本與混凝土的頂部平齊，以減少由于沒有受到水泥覆蓋的好處、直接暴露于試驗容器中的腐蝕性成分而造成的誤差，鋼筋的頂部足夠作為第二陰極提供電連結(jié)。陽極14和14’懸掛在試樣兩邊的電解液中并連結(jié)到電源13的兩個獨立正極端P和P’上；第一陰極15與試樣表面分離，也懸掛在電解液中，而且和第二陰極一樣，連結(jié)到電源的負(fù)極端。每對接線端為用于不同目的的電路(一個用于陰極保護(hù)，另一個用于電滲處理)提供電流。
在本發(fā)明的第一具體實施方式
中，電路被相繼使用，使用EP電流降低混凝土中腐蝕性離子的濃度，將它斷開然后進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)，直到電流密度升高到被認(rèn)為不經(jīng)濟(jì)的水平；然后開啟EP。參考電極16與試樣圓周表面相接觸放置并連結(jié)到電源以測量鋼筋的參考腐蝕電位Ec。僅僅3天之后，很難有意義地測量Ec，但是10天之后發(fā)現(xiàn)Ec為360mV，并且無論鋼筋埋在哪個試樣中Ec都保持恒定。Ec是對比標(biāo)準(zhǔn)氫電極而記錄的。
在第一系列試驗中，在容器10中經(jīng)過10天、140天和180天后對電解液對試樣的腐蝕效果進(jìn)行了測試，其中沒有對每個試樣浸入的鹽電解液EL-1產(chǎn)生的腐蝕作用進(jìn)行保護(hù)；每天測量Ec值。在指定的周期(比如10天)結(jié)束后，取出一個試樣，充分進(jìn)行破碎以取出鋼筋，然后清理鋼筋以去除所有粘附的混凝土和銹，進(jìn)行腐蝕效果測量。接下來對清潔后的鋼筋進(jìn)行稱重并計算重量損失。知道了清潔鋼筋的圓周面積并加上直徑為1.0cm的頂和底表面的面積，每cm2的重量損失就被計算出來。然后，鋼的密度以7.9g/cc計算，并知道腐蝕作用的周期，腐蝕速率就被計算出來并以金屬損失的厚度(μm/year)給出。
結(jié)果列于下面的表2中表2-沒有保護(hù)時的腐蝕速率


可以想到，10天之后的腐蝕速率比140天之后的高得多；而且180天之后得腐蝕速率并不比140天之后的高很多。該測試在180天之后沒有繼續(xù)，因為腐蝕速率顯示已經(jīng)平均為220μm/year的恒定速率。
效率被定義為沒有保護(hù)時為0。
在第二系列試驗中，為了測試電滲電流產(chǎn)生電滲處理的作用，每個新的經(jīng)預(yù)處理過的混凝土試樣放置在容器10中并保持10天，在此期間每天測量Ec。10天之后，可靠地測量了Ec，開啟電滲處理電流EP以去除混凝土中盡可能多地離子，同時維持EP電流的電壓在36V并允許EP因此而不同。進(jìn)行電滲處理電流測試的電壓隨意確定為36V，因為這樣的低電壓對人無害。從EP開啟的第一天末開始記錄EP的影響。結(jié)果列于下面的表3中表3-應(yīng)用EP電流、沒有陰極保護(hù)時的腐蝕速率

可以想到，由于開始鹽的濃度高，因此在36V的電壓下EP電流高，700-800μA。10天之后，足夠多的腐蝕性離子從混凝土中被去除，使EP電流緩和于100-200μA，在該電流范圍內(nèi)腐蝕速率為70μm/yr；在180天之后，在36V的電壓下EP電流降低到100-200μA，該電流范圍內(nèi)腐蝕速率為45μm/yr。顯然經(jīng)過170天的周期，腐蝕速率仍沒有減少一半，而且與180天周期的早期相比，后期腐蝕速率的改善將更慢。然而，10天之后EP電流大約為初始電流的1/5(平均初始電流為750μA；10天之后，平均電流為150μA)。
在第三系列試驗中，為了測試采用EP清理之后單獨傳統(tǒng)陰極保護(hù)的作用，每個新的預(yù)處理過的混凝土試樣放置在容器10中，并維持10天，在此期間，每天測試Ec。10天之后，以規(guī)定的Ep(記錄為相對于氫電極的負(fù)毫伏)開啟外加陰極電離CP，以為鋼筋提供陰極保護(hù)。給出的Ec和Ep是180天之后測得的值。結(jié)果列于下面的表4中表4-有陰極保護(hù)時的腐蝕速率

可以想到，180天之后的腐蝕速率，在低電流密度時比高單留密度時高得多。當(dāng)電流為2倍(電流以因數(shù)2增加的消耗)時關(guān)斷陰極保護(hù)電流CP。該CP電流升高水平是基于經(jīng)濟(jì)考慮隨意確定的；其中電流的成本低，因數(shù)選擇可以為3或者更高。仍然經(jīng)濟(jì)的相對高的電流(2倍)，提供200mA/m2的電流密度，此時腐蝕速率為11μm/yr。這種速度是可以接受的，因為，以實際時間衡量，它相當(dāng)于大約50年。因為沒有保護(hù)時180天后的腐蝕速率為220μm/yr，因此效率計算為(220-11)/220，等于95％。
為了說明僅僅短時間電滲處理，充分去除一些腐蝕性陰離子，但仍保留足夠的離子在混凝土中以使后來的陰極保護(hù)有令人吃驚的效果，進(jìn)行了第四系列試驗。在第四系列試驗中，為了測試僅僅經(jīng)過10天EP電流離子清除之后陰極保護(hù)的效果，試樣經(jīng)受如第二系列試驗中一樣的36V下電滲電流。
在試樣經(jīng)過10天部分去除腐蝕性離子之后關(guān)斷EP，然后試樣經(jīng)受180天的陰極保護(hù)外加電流。使用參考電極測量該期間的腐蝕電位Ec。結(jié)果列于下面的表5中
表5-EP處理10天之后有陰極保護(hù)時的腐蝕速率

現(xiàn)在可以看到，通過電滲處理從預(yù)處理混凝土中進(jìn)行初始離子“清除”，隨后的與第三系列試驗(見表4)中水平基本一樣的陰極保護(hù)提供幾乎相同的腐蝕速率，但是以更低的電流密度。例如，表4中的陰極保護(hù)，在120mA/m2的電流密度時腐蝕速率為41μm/yr；但采用10天的初始“清除”然后以35mA/m2的外加電流密度進(jìn)行陰極保護(hù)，獲得幾乎相同的腐蝕速率32μm/yr。不同地，采用大約比另一個所需小于3-5倍地電流密度可得到基本相同的高水平的保護(hù)，在運行成本中意想不到的節(jié)省。
前述的處理污染混凝土的方法包括，為結(jié)構(gòu)的表面提供中性的電解液；在結(jié)構(gòu)中的鋼和靠近結(jié)構(gòu)外表面放置的電極之間應(yīng)用第一直流電流，以使離子向電極遷移，直到電流恒定；關(guān)斷第一直流電流；應(yīng)用外加陰極電流，直到電流升高到不經(jīng)濟(jì)的水平，重復(fù)第一步。該次序可以重復(fù)任意長時間。顯然，從初始短時間的電滲處理開始，隨后進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)(直到電流為2倍)，應(yīng)用這樣的循環(huán)，可以不受限地以低至200mA/m2的電流密度維持小至11μm/yr的腐蝕速率。
在本發(fā)明的第二具體實施方式
中，發(fā)現(xiàn)EP和CP電流可以同時使用。盡管在一對電極間的電流流動會對流過另外一對電極的電流稍有影響，但這兩個電流基本是彼此獨立的。和前面一樣，污染的試樣首先經(jīng)受36V的EP電流，直到達(dá)到表明混凝土中腐蝕性離子主要部分已經(jīng)被清除出混凝土的水平。然后，代替在開啟CP電流之前關(guān)斷EP電流的方法(和第一具體實施方式
一樣)，在保留EP電流的同時開啟CP電流。對CP以兩不同水平供給(EP達(dá)到100μA和50μA)時，提供數(shù)據(jù)。與前面一樣，下面記錄的Ec是在180天周期末用參考電極測得。結(jié)果列于下面的表6表6-同時采用EP和CP電流時的腐蝕速率


從前面很明顯，同時應(yīng)用EP和CP電流提供與相繼應(yīng)用所獲得的腐蝕速率幾乎相同或更低，并且電流密度更低。
前述鋼增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的處理方法包括，對結(jié)構(gòu)的表面供給中性電解液，在結(jié)構(gòu)中的鋼和靠近結(jié)構(gòu)外表面放置的電極之間應(yīng)用第一直流電流，以使離子向電極遷移，而且，同時應(yīng)用外加陰極電流。
該系統(tǒng)包括，混凝土主體，其中鋼元件互相電連結(jié)；。結(jié)構(gòu)外面的陽極，相對于鋼最近放置并連結(jié)到外部電源。第一陰極也連結(jié)到外部電源，該電源提供足夠的電流以使離子遷移并形成離子離開混凝土的電滲流動。鋼負(fù)極性地連結(jié)到外部電源上，該電源所測得的穩(wěn)定電位具有足夠的電負(fù)性以增加鋼筋的陰極電位到預(yù)定的范圍內(nèi)；以及，電源在低于上述鋼筋腐蝕電位、從50mV到小于300mV的電位范圍內(nèi)維持外加電流。
通過對比為新系統(tǒng)運行提供極好保護(hù)的低電流密度和必須采用高電流密度(該電流密度直到現(xiàn)在都是經(jīng)濟(jì)上不切實際的)以獲得相當(dāng)保護(hù)的傳統(tǒng)陰極保護(hù)，圖示說明了應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)提高方面令人吃驚的效果。圖4(a)中所示效率(％)隨以mA/m2(毫安/平方米)給出電流密度變化的曲線，起始于沒有外加電流，提供81的效率需要的電流密度(見表4)。圖4(b)中所示，在電流密度同樣為120mA/m2時，腐蝕速率為41mm/year。如表6中所示，以更低的電流獲得相當(dāng)?shù)母g速率。
權(quán)利要求
1.一種處理鋼增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的方法，包括，(a)為結(jié)構(gòu)的表面提供基本中性的電解液，(b)在結(jié)構(gòu)中的鋼和靠近結(jié)構(gòu)外表面放置的電極之間應(yīng)用第一直流電流，以使離子向電極遷移，直到電流恒定，(c)中止第一直流電流，(d)應(yīng)用外加陰極電流，直到電流升高到不經(jīng)濟(jì)的水平，以及，(e)重復(fù)步驟(a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，包括連續(xù)測量上述鋼筋表面上相對于參考電極的腐蝕電位；
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中外加電流的供給一直到電流密度升高到100mA/m2以上。
4.一種處理鋼增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的方法，包括，向結(jié)構(gòu)的表面提供基本中性的電解液，在結(jié)構(gòu)中的鋼和靠近結(jié)構(gòu)外表面放置的電極之間應(yīng)用第一直流電流，以使離子向電極遷移，并且同時應(yīng)用外加陰極電流。
5.一種用于維持鋼元件增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中元件基本不被腐蝕的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括混凝土主體，其中鋼元件互相電連結(jié)；響應(yīng)可編程控制裝置的外部電源，數(shù)據(jù)從按串聯(lián)關(guān)系連結(jié)的傳感裝置傳輸?shù)娇删幊炭刂蒲b置，可編程控制裝置響應(yīng)外部電源和傳感裝置；用于將外部電源正極性地連結(jié)到相對于鋼元件靠近放置的陽極上的裝置；用于將第一陰極負(fù)極性地連結(jié)到外部電源的裝置，該外部電源提供足夠的電流以形成離開混凝土的離子的電滲電流；用于將鋼元件負(fù)極性地連結(jié)到外部電源的裝置，該電源相對于測得的穩(wěn)定電位具有足夠的電負(fù)性以抑制鋼的陰極電位在預(yù)定的范圍內(nèi)；以及，用于維持負(fù)電位源的電流在低于鋼元件的腐蝕電位、范圍從50mV到小于300mV的電位上的裝置。
全文摘要
小于1mA/Mcm
文檔編號C23F13/04GK1476490SQ01819339
公開日2004年2月18日 申請日期2001年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月18日
發(fā)明者埃菲姆·Y·留布林斯基, 埃菲姆 Y 留布林斯基 申請人:Cor/Sci有限責(zé)任公司