ЗАЩИТА СТАЛИ В БЕТОНЕ ОТ КОРРОЗИИ Российский патент 2015 года по МПК C23F13/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к электрохимической защите стали в железобетонных конструкциях с применением жертвенных анодов и, в частности, к использованию сборок равномерно распределенных дискретных жертвенных анодов при замедлении коррозии стали в подверженных коррозии бетонных элементах, контактирующих с воздухом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Выше уровня земли железобетонные структуры страдают от вызываемого коррозией повреждения, главным образом в результате карбонизации или загрязнения бетона хлоридом. По мере того, как стальные армирующие элементы корродируют, они производят побочные продукты, которые занимают больший объем, чем сталь, из которой эти продукты были получены. В результате происходит увеличение объема вокруг армирующих стальных стержней. Это вызывает растрескивание и отслаивание бетонного покрытия от стали. Типичные виды ремонта включают удаление этого участка поврежденного коррозией бетона из бетонной структуры. Хорошим способом является обнажение коррелирующей стали в области повреждения и удаление бетона за коррелирующей сталью. Затем профиль бетона восстанавливают подходящим для ремонта вяжущим бетонным составом или строительным раствором. После этого бетон состоит из «исходного» бетона (то есть оставшегося первоначального бетона) и «нового» участка из материала, использованного для ремонта.

Прилегающий к восстановленной области исходный бетон обычно может страдать от тех же загрязнений хлоридами или от карбонизации, которые вызывали коррозионное повреждение. В исходном бетоне сохраняется риск коррозии стали. Коррозия в бетоне представляет собой электрохимический процесс, и для воздействия на этот риск протекания коррозии применяют электрохимические виды обработки. Примеры описаны в WO 94029496, US 6322691, US 6258236 и US 6685822.

Общепринятые виды электрохимической обработки включают катодную защиту, извлечение хлоридов и повторное подщелачивание. Их классифицируют на постоянные и временные виды обработки. Постоянные виды обработки основаны на защитном эффекте, который, как предполагают, длится только в ходе применения обработки. Примером постоянной обработки является катодная защита. Приемлемый критерий поведения можно получить только пока применяется обработка (BS EN 12696:2000). Извлечение хлоридов и повторное подщелачивание являются примерами временных видов обработки (CEN/TS 14038-1:2004). Временные виды обработки основаны на защитном эффекте, который сохраняется после завершения обработки. На практике это означает, что исполнитель обрабатывает структуру и снова передает обработанную структуру клиенту или заказчику в конце срока действия контракта на обработку.

Электрохимические виды обработки можно также подразделить на обработку с подаваемым током и гальваническую (жертвенную) обработку. При электрохимической обработке с подаваемым током анод соединяют с положительным полюсом, а сталь соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения. Анод в системе с подаваемым током часто является инертным электродом. Анод является электродом, поддерживающим реакцию окисления, и при обработке с подаваемым током электрод превращают в анод посредством приложенного напряжения.

При гальванических электрохимических видах обработки защитный ток обеспечивают один или более жертвенных анодов, которые непосредственно соединены со сталью. Жертвенные аноды представляют собой электроды, содержащие металл, менее благородный (более электроотрицательный) чем сталь, при этом основной анодной реакцией является растворение элемента жертвенного металла. Естественная разность потенциалов между жертвенным анодом и сталью создает защитный ток, если жертвенный анод соединен со сталью. Защитный ток протекает в виде ионов от жертвенного анода к стали, заключенной в исходном бетоне, и возвращается в виде электронов через сталь и проводник к жертвенному аноду. В данном описании применяют соглашение о выражении направления протекания тока как направления движения положительных зарядов.

Жертвенные аноды для бетонных структур можно подразделить на дискретные и непрерывные аноды (US 5292411). Дискретные аноды представляют собой индивидуальные отдельные элементы, контактирующие с существенно меньшей площадью поверхности бетона, чем площадь поверхности бетона, покрывающего защищенную сталь. Анодные элементы обычно соединены друг с другом проводником, который, как предполагают, не является жертвенным анодом, и внедрены в полости в бетоне (ACI Repair Application Procedure 8 - Installation of Imbedded Galvanic Anodes (Процедура 8 проведения восстановления ACI - Установка внедренных гальванических анодов) (www.concrete.org/general/RAP-8.pdf)). Системы дискретных жертвенных анодов включают анод, фоновый электролит и материал засыпки. Часто для поддержания активности анода включают активирующий агент. Засыпка обеспечивает пространство для размещения продуктов анодного растворения и предотвращает разрывы в окружающем затвердевшем бетоне. Дискретные жертвенные аноды имеют то преимущество, что достаточно легко достичь надежного соединения между анодом и структурой бетона путем внедрения анодов в полости, образованные в бетоне.

Гальваническая защита стали в бетоне с использованием внедренных дискретных анодов отличается от жертвенной катодной защиты стали в почвах и водных средах (BS EN 12954:2001). Анодные сборки, которые внедрены в бетон, должны быть стабильными по размерам, поскольку бетон является жестким материалом, который не переносит расширения внедренных сборок. Анодные активирующие агенты являются специфичными для бетона, или их следует устанавливать таким образом, чтобы отсутствовал риск коррозии для расположенной вблизи стали (WO 94029496, GB 2431167). Аноды расположены в бетоне относительно близко к стали, и внедренные аноды являются небольшими (диаметр сборки из дискретных анодов обычно составляет менее 50 мм) по сравнению с анодами в других средах. Критерии гальванической защиты для контактирующего с атмосферой бетона отличаются от критериев для катодной защиты стали в почвах и водных средах. В щелочном бетоне, не содержащем загрязнений, сталь обычно является пассивной. В контактирующем с атмосферой бетоне защиту обычно обеспечивают путем восстановления пассивной пленки на армирующей стали. Это эффективно смещает потенциал в направлении протекания анодных реакций на стали. В почвах и водных средах пассивная пленка на стали обычно не является стабильной, и целью защиты является смещение потенциала в катодном направлении (катодной реакцией обычно является восстановление кислорода) для предотвращения коррозии стали.

Одной из проблем с использованием жертвенных анодов при гальванической обработке является то, что способность замедлить процесс активной коррозии на стали в бетоне ограничена разностью потенциалов между жертвенным анодом и сталью. Эта проблема является наибольшей для систем дискретных жертвенных анодов, в которых необходимо получить большие токи из относительно маленьких анодов, чтобы защитить относительно большие поверхности стали. Компактный дискретный анод обычно будет производить ток в прилегающую к аноду поверхность исходного бетона, которая составляет от одной десятой до одной пятнадцатой от площади стали, которую, как ожидается, он защищает.

В последнее время было предложено большое количество способов увеличения мощности жертвенных анодов в бетоне с применением формы подаваемого тока (WO 05106076, US 7264708, GB 2426008). Существуют также несколько более ранних теорий увеличения мощности жертвенного анода при использовании жертвенной катодной защиты для стали в почвах и соленой воде, где применяют другие критерии защиты (US 4861449).

В WO 05106076 сборку жертвенного анода формируют, соединяя с жертвенным анодом катод первичного или вторичного источника тока. В одном из примеров выполнения жертвенный анод образует корпус элемента, в котором катод элемента соединен с его корпусом. Обычно таким свойством обладают щелочные источники тока. Таким образом, анод элемента соединен со сталью. Проблема в случае такого выполнения заключается в том, что жертвенный анод не соединен со сталью непосредственно, и емкость по заряду элемента существенно меньше, чем емкость по заряду жертвенного анода сходного размера. Поскольку анод не соединен непосредственно со сталью, анод не может продолжать вырабатывать защитный ток после того, как исчерпана зарядная емкость элемента.

В US 7264708 описаны автоматизированные средства для соединения жертвенного анода со сталью после того, как исчерпана емкость источника тока или батареи, подающей ток от жертвенного анода к стали. В примере, приведенном в этом описании, для обеспечения соединения жертвенного анода со сталью применяют диоды. Проблема с таким устройством заключается в том, что для осуществления такого соединения необходима энергия, и это снижает мощность защитного эффекта. Типичному диоду (диод на основе полупроводника из допированного кремния) необходимо напряжение 0,6 В для того, чтобы стать проводником, а в типичной системе жертвенного анода это напряжение не является достаточным для того, чтобы подавать через такие диоды существенный ток. Другой проблемой такого выполнения является то, что источник энергии расположен вне анодов и соединен с анодами электрическими проводами, которые следует обслуживать и защищать от воздействия окружающей среды и от вандализма.

GB 2426008 (номер патентной заявки США 11/908858) раскрывает новый принцип инициирования и замедления коррозии в бетоне, который основан на механизме подкисления - повторного подщелачивания углублений. Временную электрохимическую обработку применяют для того, чтобы осуществить процесс повторного подщелачивания углублений посредством жертвенных анодов, перед тем, как аноды вручную соединяют со сталью. Процесс повторного подщелачивания углублений замедляет активную коррозию путем восстановления высокого значения рН в местах протекания коррозии. Процесс повторного подщелачивания углублений, проводимый в виде временной обработки с подачей тока, обычно длится менее 3 недель. Затем поддерживают антикоррозионные условия с низким уровнем гальванического образования гидроксида на стали. Переключение между подаваемым током и гальванической обработкой осуществляют вручную, и это облегчается ограниченной продолжительностью обработки подаваемым током. Источник тока и электрические провода, применяемые для временной обработки подаваемым током, удаляют с обрабатываемого участка. Проблема с данным способом заключается в том, что обработка временно подаваемым током требует обученного оператора.

Другой проблемой с системами дискретных жертвенных анодов является распределение тока. Эта проблема является наибольшей для анодов, которые связаны с обнаженной сталью в полостях, образованных в бетоне в областях восстановления бетона. Для улучшения распределения тока от анода, соединенного со сталью, были предложены многочисленные решения (GB 2451725, WO 05121760, WO 04057056). Однако все эти решения основаны на ограничении протекания тока к наиболее близко расположенной стали путем увеличения сопротивления протекания тока к наиболее близко расположенной стали.

Проблема, решаемая данным изобретением, заключается в увеличении мощности, которую можно получить от сборки жертвенного анода для замедления процесса активной коррозии в случае соединения жертвенного анода со сталью в бетоне, и в улучшении распределения тока от жертвенного анода, соединенного со сталью, путем отведения повышенного тока от наиболее близко расположенной стали.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В изобретении предложен способ регулирования выработки тока дискретными жертвенными анодами, которые являются менее благородными, чем сталь, с использованием дополнительных анодно-катодных сборок для модификации электрического поля в среде рядом с анодом, в то время как жертвенный анод соединен со сталью проводником с электронной проводимостью.

В одном из устройств применяют модификатор электрического поля с воздушным катодом, чтобы поддерживать высокую выработку тока жертвенным анодом, внедренным в бетон. Применение воздушного катода в модификаторе следует сочетать с такой средой, как бетон, находящийся в контакте с воздухом, поскольку в такой среде катодную защиту обеспечивают путем изменения среды, контактирующей со сталью, что вызывает пассивность или анодную поляризацию стали (GB 2426008), а кинетика катодной реакции является слабо поляризованной. В таких средах, как почвы и вода, где катодную защиту обеспечивают путем катодной поляризации стали, работа воздушного катода малоперспективна, поскольку сталь, которую необходимо защитить, представляет собой воздушный катод с очень большой поверхностью по сравнению с воздушным катодом, который может входить в состав сборки с анодом, и воздушный катод в сборке с анодом не будет обладать достаточной емкостью, чтобы поддержать необходимый защитный ток для поляризации воздушного катода на стали, которую следует защитить.

В другом альтернативном устройстве модификатор электрического поля расположен в окружающей среде рядом с жертвенным анодом, чтобы обеспечить начальное увеличение выработки тока жертвенным анодом для замедления процесса коррозии; и жертвенный анод продолжает функционировать после того, как израсходован заряд в модификаторе, поскольку он соединен со сталью проводником с электронной проводимостью, и ионы направляются из жертвенного анода через электролит к защищаемой стали. Траектория движения ионов формируется по меньшей мере после того, как заряд израсходован и модификатор больше не работает. В этом случае емкость заряда жертвенного анода намного больше, чем емкость заряда модификатора в сборке с анодом.

В другом альтернативном устройстве модификатор электрического поля выполнен так, чтобы увеличить ток от жертвенного анода, который течет к стали, расположенной дальше от анода по сравнению с током, протекающим к стали, расположенной ближе к аноду. В этом случае жертвенный анод предпочтительно присоединен к секции стального стержня, а модификатор расположен так, чтобы увеличить ток, протекающий от жертвенного анода в направлении, противоположном этой секции стального стержня.

Модификатор электрического поля содержит по меньшей мере один электрод-анод, связанный соединяющим элементом с электронной проводимостью по меньшей мере с одним электродом-катодом, причем анодная и катодная поверхности направлены друг от друга в противоположные стороны. Реакция окисления на аноде (анодная реакция) и реакция восстановления на катоде (катодная реакция) могут протекать без какого-либо внешнего движущего потенциала.

Одним из типов модификатора электрического поля является элемент, включающий сторону или поверхность, которая представляет собой анод, поддерживающий реакцию окисления, находящуюся в электронном контакте со стороной или поверхностью, которая является катодом, поддерживающим реакцию восстановления; причем поверхности анода и катода направлены в противоположные стороны (то есть анод и катод, по существу, повернуты в разных направлениях). Реакции окисления и восстановления на аноде и катоде соответственно создают естественную разность потенциалов, которая вызывает протекание тока через модификатор. Если анод модификатора связан с его катодом электролитом, то от анода к катоду будет протекать ионный ток, вызванный электрохимическими реакциями. Электрохимические реакции расходуют восстанавливающие и окисляющие агенты на аноде и катоде соответственно (то есть восстановители окисляются, а окислители восстанавливаются на аноде и катоде, соответственно). Предпочтительно, чтобы протекание этих реакций было ограничено перед использованием, чтобы повысить срок хранения модификатора. Этого можно достичь путем хранения модификатора в сухой окружающей среде, чтобы ограничить количество электролита на аноде и катоде, и/или путем предотвращения контакта электролита на аноде с электролитом на катоде.

Модификатор расположен в электрическом поле между жертвенным анодом и сталью. Модификатор увеличивает ток, протекающий по пути, который пересекает модификатор, если катод модификатора обращен к жертвенному аноду, а анод модификатора обращен от жертвенного анода. В результате модификатор также увеличивает общий ток, создаваемый жертвенным анодом. Модификатор эффективно ведет себя в качестве электрического насоса, который прокачивает электрический ток через модификатор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже данное изобретение будет дополнительно описано посредством примера со ссылкой на чертежи, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует действие модификатора электрического тока на ток, протекающий между жертвенным анодом и сталью.

Фиг.2 изображает устройство, иллюстрирующее применение сборки жертвенный анод/модификатор, расположенной в полости, образованной в бетоне с целью установки этой сборки.

Фиг.3 изображает устройство, иллюстрирующее применение сборки жертвенный анод/модификатор при установке сборки в области, где проводят восстановление участка бетона.

Фиг.4 изображает устройство в виде ящика с песком, которое применяют для проверки теории в Примерах 1 и 2.

Фиг.5 изображает изменение выработки гальванического тока в Примере 1 в случаях, когда модификатор электрического тока вставлен в песок и удален из него.

Фиг.6 изображает усредненную выработку электрического тока при контрольном испытании и в двух испытаниях, включающих два различных модификатора в Примере 2.

Фиг.7 изображает усредненную выработку гальванического тока при контрольном испытании и в испытаниях, включающих два различных модификатора в Примере 2.

Фиг.8 изображает экспериментальное устройство, применяемое в Примере 3 для проверки действия модификатора на защитный ток, подаваемый на сталь в цементном строительном растворе.

Фиг.9 изображает секцию стального катода, который применяли в Примере 3.

Фиг.10 изображает выработку гальванического тока при контрольном испытании и испытании, включающем модификатор в Примере 3.

Фиг.11 изображает выработку гальванического тока с 6 по 21 сутки для контрольного испытания и для испытания, включающего модификатор в Примере 3.

Фиг.12 изображает выход гальванического тока с 15 по 60 сутки для контрольного испытания и для испытания, включающего модификатор в Примере 3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Влияние модификатора электрического поля на течение тока проиллюстрировано на Фиг.1. В этом примере модификатор [1] расположен между жертвенным анодом [2] и защищенной сталью [3] в электролите [4]. Жертвенный анод [2] соединен со сталью [3] посредством соединения [5]. Гальванический защитный ток, который протекает от жертвенного анода [2] через электролит [4] к стали [3], возвращается к жертвенному аноду [2] по соединению [5]. Модификатор [1] имеет поверхность, обращенную к жертвенному аноду [2], которая действует как катод, и поверхность, обращенную к стали [3], которая действует как анод; и естественная разность потенциалов между анодом и катодом стимулирует реакции на аноде и катоде. Электроды - анод и катод - модификатора [1] соединены своими обратными сторонами посредством соединения с электронной проводимостью и обращены в противоположные стороны. Также предусматриваются и другие расположения электродов в модификаторе.

На Фиг.1 линии в электролите [4], завершающиеся стрелками, показывают направление течения тока положительных ионов через электролит [4]. Ток течет из жертвенного анода [2] через модификатор [1] к стали [3] за счет напряжения между анодом и катодом модификатора [1]. Если анодная и катодная реакции в модификаторе [1] увеличивают ток, который может протекать по пути, пересекающем модификатор [1], общий ток, протекающий из жертвенного анода [2] в сталь [3], возрастает. Кроме того, ток, который идет в обход модификатора [1], снижается или изменяет направление. Таким образом, ток, выходящий из жертвенного анода [2], можно направить через конкретные области электролита, в то время как общий ток возрастает.

Модификатор [1] действует как насос электрического тока. Электрохимические реакции на его электродных поверхностях перемещают электроны (ток) в его внутренней части от его электрода-катода к его электроду-аноду. Это можно использовать для изменения ионного тока в электролите вне модификатора. Следует понимать, что модификатор [1] можно использовать для увеличения протекания внешнего тока, изменения направления внешнего тока или даже изменения направления внешнего тока на обратное.

Модификатор электрического поля предпочтительно выполнен в форме листа, согнутого в виде трубы или полого контейнера. Его внутренняя поверхность предпочтительно является катодом, а внешняя поверхность предпочтительно является анодом. Жертвенный анод предпочтительно расположен внутри модификатора, представляющего собой трубу или полый контейнер. Для того, чтобы увеличить выработку тока жертвенным анодом, катод модификатора обращен к жертвенному аноду, а анод модификатора обращен от жертвенного анода. Модификатор может включать один элемент или несколько отдельных элементов с зазорами между ними, или же это может быть один элемент, который перфорирован посредством зазоров или пустот. Можно использовать несколько модификаторов, установленных последовательно или параллельно друг к другу.

Анод модификатора представляет собой электрод, поддерживающий реакцию окисления, в то время как катод модификатора представляет собой электрод, поддерживающий реакцию восстановления. Подходящие материалы, способные к окислению (называемые также восстанавливающими агентами или восстановителями), для анода модификатора включают цинк, алюминий, магний или их сплавы. Для применения в бетоне предпочтительным является анод из цинка или цинкового сплава. Реакцией окисления, которую поддерживает цинковый анод, является растворение цинка.

Катод модификатора включает поверхность с электронной проводимостью, на которой может происходить восстановление, совместно со способным к восстановлению материалом. Подходящие материалы, способные к восстановлению (также называемые окислительными агентами или окислителями), для катода включают кислород и диоксид марганца. Электропроводная поверхность и способный к восстановлению материал образуют электрод, который является более благородным, чем анод модификатора (то есть для того, чтобы модификатор был эффективным, потенциал катода должен быть более положительным, чем потенциал анода). Подходящими поверхностями с электронной проводимостью, на которых может происходить восстановление, являются углерод, серебро и никель. Эта поверхность предпочтительно является стойкой к окислению.

Другие примеры возможных анодных и катодных материалов для модификатора можно найти в области технологии источников тока. Катодными материалами обычно являются кислород воздуха или твердые вещества, которые могут быть пористыми. Твердые катодные материалы включают оксиды металлов, такие как диоксид марганца.

Модификатор отличается от первичного или вторичного источника тока тем, что перед использованием его анод соединен с катодом, который обращен от анода, соединением, которое позволяет электронам перетекать между анодом и катодом модификатора. При использовании цепь замыкают путем введения электролита. В противоположность этому анод и катод первичного или вторичного источника тока соединены электролитом до использования, а при использовании первичного или вторичного источника тока цепь обычно замыкают компонентами с электронной проводимостью.

При использовании электролит соединяет анод модификатора с защищаемой сталью в бетоне, и электролит соединяет жертвенный анод с катодом модификатора. Для того, чтобы модификатор действовал, не требуется электролитного соединения между анодом и катодом модификатора, и предпочтительно до использования его исключают, чтобы сохранить срок службы модификатора. Соединение посредством электролита между жертвенным анодом и катодом модификатора может быть сформировано перед использованием сборки жертвенный анод/модификатор, и оно может быть частью этой сборки. Альтернативно, соединение посредством электролита между жертвенным анодом и катодом модификатора можно сформировать при сборке устройства.

По мере работы модификатора его способные к окислению и способные к восстановлению материалы расходуются. Таким образом, модификатор обладает ограниченным сроком службы, который зависит от зарядной емкости этих материалов. Срок службы модификатора завершится, когда закончится способный к окислению или способный к восстановлению доступный материал. Анодные материалы, такие как цинк, склонны иметь относительно высокую удельную емкость и занимают небольшой объем по сравнению с катодными материалами, такими как диоксид марганца. Однако объем катода и, следовательно, модификатора, можно свести к минимуму, если в качестве основного способного к восстановлению материала используют кислород из воздуха. Кроме того, катод может включать тонкое покрытие из углерода или серебра, которое облегчает восстановление кислорода из воздуха. Такой катод называют воздушным катодом, и он эффективно обладает неограниченным сроком службы. В таком случае срок службы модификатора определяется его анодом.

Для поддержания работы воздушного катода требуются как кислород, так и вода, но кислород не способен поддерживать относительно высокую скорость катодной реакции восстановления во всех средах. Кислород из воздуха легко доступен в бетонных структурах, которые контактируют с воздухом и периодически могут высыхать. В высушенном на воздухе бетоне (который может не быть полностью сухим) могут существовать скорости катодного восстановления кислорода, эквивалентные плотности тока, превышающей 200 мА/м². Это более чем на порядок по величине больше обычных плотностей тока катодной защиты в бетоне, и при этих условиях воздушный катод хорошо работает, поскольку он может возбуждать и поддерживать высокие плотности тока. Модификатор с воздушным катодом пригоден для использования в бетоне, высушенном на воздухе.

В других средах, таких как морская вода и почвы, плотности тока катодной защиты могут быть такого же порядка, как предельный ток, эквивалентный максимальной скорости восстановления кислорода, и в этих средах воздушный катод в модификаторе не может быть эффективным, поскольку доступ кислорода, таким образом, лимитирует выработку катодного тока. Соответственно, модификатор с воздушным катодом будет блокировать выработку тока жертвенным анодом. Таким образом, модификатор с воздушным катодом обычно неприменим для использования в почвах и в морской воде.

Фиг.1 также показывает, что направление тока в электролите [4], который обходит стороной модификатор [1], можно изменить на противоположное. Ток протекает через электролит [4] от анода модификатора к катоду модификатора. Изменение направления тока на обратное в электролите [4], обходящем стороной модификатор [1], во многих случаях представляет собой неэффективное использование заряда, имеющегося в модификаторе, поскольку этот заряд не образует часть тока, протекающего к стали. Одним из способов сведения к минимуму величины реверсированного тока является использование модификатора с меньшей разностью потенциалов между его анодом и катодом. Цинк-воздушный модификатор имеет разность потенциалов между его анодом и катодом, которая сходна с разностью потенциалов между жертвенным анодом и пассивной сталью, и будет, таким образом, проявлять тенденцию к более эффективному использованию своего заряда, чем модификатор с комбинацией анод-катод, имеющей более высокую разность потенциалов.

Срок службы электрода зависит от заряда, который заключен в способном к окислению или восстановлению материале, и от эффективности использования этого заряда. В некоторых случаях срок службы жертвенного анода (то есть период времени, в течение которого жертвенный анод обладает способностью выделять в сталь гальванический защитный ток) может быть существенно выше, чем срок службы модификатора (то есть период времени, в течение которого модификатор обладает способностью увеличивать ток, который протекает по траектории, пересекающей модификатор). Например, срок службы жертвенного анода может быть в два, или в три, или в десять раз больше, чем срок службы модификатора. Это является предпочтительным, когда высокий ток необходим только в начале гальванической обработки, чтобы замедлить коррозионный процесс в бетоне, так как это приводит к более эффективному использованию заряда в жертвенном аноде. В этом случае необходимо продолжить существование траектории с ионной проводимостью между жертвенным анодом и защищенной сталью, чтобы производить гальванический ток после исчерпания срока службы модификатора. Этого можно достичь, оставляя внутри модификатора зазоры или пустоты, заполненные пористым материалом, содержащим электролит, или путем использования модификатора, который по мере того, как он расходуется, превращается в пористый материал, содержащий электролит, или же путем сочетания этих признаков.

Цинк-воздушный модификатор можно превратить в пористое твердое тело посредством коррозии цинка и разрушения поверхности с электронной проводимостью воздушного катода. Поверхность с электронной проводимостью может быть разрушена при коррозии цинка, если непосредственно на поверхность цинка нанесен тонкий слой, полученный при обработке поверхности цинка или нанесенный на нее в виде покрытия, который поддерживает реакцию восстановления кислорода. Другие модификаторы с катодом, содержащим поверхность с электронной проводимостью и способный к восстановлению пористый материал, также можно трансформировать, если обладающая электронной проводимостью поверхность катода разрушается при выработке анода.

Заряд в жертвенном аноде может также быть израсходован более эффективно, если выработка тока жертвенным анодом реагирует на агрессивную природу окружающей среды. Предпочтительно, чтобы ток защиты положительно реагировал на факторы, влияющие на риск коррозии стали, чтобы увеличивать эффективное использование заряда в жертвенном аноде. Таким образом, предпочтительно, чтобы выработка тока жертвенным анодом в сухой или холодной окружающей среде была ниже, чем выработка тока в горячей или влажной среде. Применение модификатора позволяет увеличить выработку тока жертвенным анодом таким образом, чтобы воздействие влажных/сухих или теплых/холодных циклов не ограничивало выработку тока жертвенным анодом.

В некоторых случаях для улучшения распределения тока предпочтительно направить ток прочь от жертвенного анода. Это имеет значение, если жертвенный анод связан непосредственно с секцией стали в незагрязненном материале, применяемом для восстановления, в области восстановления поврежденного коррозией бетона. В этом случае ток должен протекать к стали в расположенном рядом исходном бетоне, а не к стали в использованном для восстановления материале. Для того чтобы увеличить этот ток, модификатор можно расположить у стороны жертвенного анода, обращенной от ближайшей порции стали. Катод модификатора обращен к жертвенному аноду.

Одно из устройств, иллюстрирующее применение сборки жертвенный анод/модификатор, приведено на Фиг.2. Это устройство пригодно для внедрения сборки в полость, сформированную в бетоне с целью установки сборки. Полость [8] может представлять собой высверленное отверстие или полость с удаленной сердцевиной в бетоне [9], и обычно она может быть не более 50 мм в диаметре. Предпочтительно полость [8] имеет такой размер, чтобы в ней поместилась сборка.

Жертвенный анод [10] имеет форму стержня, расположенного в центре полости [8]; обычно он может составлять в длину не более 200 мм и отлит вокруг проводника. Жертвенный анод [10] соединен со сталью [11] проводником [12] (обычно электрическим кабелем или проводом). Предпочтительный проводник, по существу, включает титан, поскольку это может позволить также применять жертвенный анод при подаваемом токе (при подаче энергии, создающей значительный ток в обход анода), который можно использовать при временной обработке, чтобы приостановить возможную будущую коррозию и обеспечить устройство для контроля риска коррозии в будущем.

Модификатор [13] включает анод [14] и катод [15] в виде трубы или полого цилиндра, который открыт на обоих концах и, по существу, окружает жертвенный анод [10]. Катод может быть воздушным катодом, и кислород из воздуха может диффундировать в трубу через любое из ее отверстий (верхнее или нижнее на Фиг.2). Такие отверстия также обеспечивают траекторию ионной проводимости между жертвенным анодом и сталью в конце срока службы модификатора.

Наполнитель [16] обеспечивает электролит, который представляет собой ионный проводник для соединения жертвенного анода с катодом модификатора. Наполнитель предпочтительно имеет форму пористого твердого вещества или мастики, содержащих электролит. Материал [17] засыпки обеспечивает электролит для соединения анода модификатора с исходным бетоном. Засыпка и наполнитель могут быть одинаковым материалом или различными материалами, и они могут быть установлены в одно и то же или в разное время. Наполнитель может быть отделен от засыпки пористым слоем, в котором поры футерованы гидрофобным материалом. Это обеспечивает воздухопроницаемый гидрофобный слой, который позволяет кислороду перемещаться к воздушному катоду, но ограничивает образование пути через электролит между анодом и катодом модификатора и, таким образом, улучшает эффективное использование модификатора. Гидрофобный пористый материал можно получить путем обработки такого пористого материала, как гидратированное цементное тесто, водоотталкивающим составом на основе силана. Воздухопроницаемый гидрофобный материал может проходить от внешней стороны сборки до любой части воздушного катода, чтобы способствовать поступлению кислорода к воздушному катоду.

Полость в бетоне может быть частично заполнена материалом засыпки, а жертвенный анод и модификатор устанавливают в этой полости таким образом, чтобы материал засыпки заполнял пространства между жертвенным анодом, модификатором и исходным бетоном. Этого можно достичь, сначала располагая материал засыпки, а затем вдавливая в засыпку жертвенный анод и модификатор. При таком выполнении засыпка действует и как наполнитель, и как засыпка. Жертвенный анод и модификатор могут быть предварительно собраны в виде отдельного блока, при этом модификатор присоединен к жертвенному аноду и отстоит от него на некоторое расстояние. Жертвенный анод не следует присоединять к модификатору посредством соединения с электронной проводимостью. Затем находящуюся в полости сборку можно покрыть применяемым для восстановления вяжущим строительным раствором или бетоном [18], как проиллюстрировано на Фиг.2.

На жертвенный анод можно нанести в виде покрытия активирующий агент, способный поддерживать активность жертвенного анода, или же его можно включить в наполнитель или в объем жертвенного анода. Анод модификатора также можно покрыть активирующим агентом, или же агрессивные ионы, находящиеся в бетоне, могут поступать на анод модификатора посредством ионного тока, создаваемого в прилегающем бетоне для поддержания активности анода.

Другое устройство, иллюстрирующее способ применения сборки жертвенный анод/модификатор, приведено на Фиг.3. Это устройство пригодно для присоединения сборки к секции стального стержня, обнаженного в области восстановления участка бетона. Жертвенный анод [21] присоединен к стальному стержню [22] связью [23], обладающей электронной проводимостью. Жертвенный анод может быть отделен от стального стержня разделителем [24] для улучшения распределения тока. Жертвенный анод, по существу, окружен модификатором [25] с секцией U-образной формы. Модификатор включает катод [26], обращенный к жертвенному аноду, и анод [27], обращенный от жертвенного анода. Модификатор [25] размещен таким образом, чтобы направлять ток от стальной секции. Катод модификатора соединен с жертвенным анодом электролитом, который находится в наполнителе [28]. Наполнитель предпочтительно имеет форму пористого твердого тела или мастики. Поры наполнителя могут быть частично заполнены воздухом, чтобы способствовать действию воздушного катода, и могут включать воздухопроницаемый гидрофобный материал. Электролит также должен присутствовать в порах наполнителя, чтобы облегчить ионную проводимость и электрохимические реакции (окисление на жертвенном аноде и восстановление на катоде модификатора). Анод [27] модификатора [25] может быть соединен с бетоном [29] с помощью вяжущего материала [30], применяемого для восстановления бетона.

Активирующий агент, предназначенный для поддержания активности жертвенного анода, можно нанести в виде покрытия на жертвенный анод, или же можно включить его в наполнитель или в объем жертвенного анода. Анод модификатора также может быть покрыт активирующим агентом или содержать его в своем объеме. Катод модификатора может представлять собой воздушный катод, и концы U-образной секции можно оставить открытыми, чтобы облегчить диффузию кислорода из воздуха через используемый для восстановления материал и наполнитель к катоду модификатора. Эти отверстия также обеспечивают путь в бетоне для ионной проводимости между жертвенным анодом и сталью, который идет в обход модификатора, для облегчения продолжающегося функционирования жертвенного анода, когда заряд модификатора исчерпан.

В устройстве на Фиг.3 предпочтительно сформировать сборку, включающую жертвенный анод [21], модификатор [25] и наполнитель [28], в качестве предварительно сформированного блока или сборки. Этот предварительно сформированный блок или сборка также предпочтительно включает разделитель [24], соединение [23] или точку соединения, а также активирующий агент, предназначенный для поддержания активности жертвенного анода. Отверстия внутри модификатора, обеспеченные для облегчения переноса или перемещения кислорода из воздуха к катоду, можно обработать посредством воздухопроницаемой гидрофобной (водоотталкивающей) обработки, чтобы улучшить диффузию кислорода из воздуха в материал наполнителя.

В одном аспекте данного изобретения предложен способ защиты стали в отвержденных железобетонных элементах, контактирующих с воздухом, с использованием наполнителя с ионной проводимостью и сборки, включающей жертвенный анод и модификатор электрического поля, при этом способ включает стадии

соединения жертвенного анода со сталью проводником, обладающим электронной проводимостью, и

соединения модификатора с бетоном посредством электролита, при этом

жертвенный анод представляет собой металл, менее благородный, чем сталь,

жертвенный анод, по существу, окружен модификатором,

модификатор включает элемент со стороной, которая представляет собой анод, поддерживающий реакцию окисления, в электронном контакте со стороной, которая представляет собой катод, поддерживающий реакцию восстановления,

катод модификатора обращен к жертвенному аноду и отделен от него наполнителем,

наполнитель представляет собой пористый материал, содержащий электролит, который соединяет жертвенный анод с катодом модификатора, и

анод модификатора обращен от жертвенного анода.

В другом аспекте данного изобретения предложено устройство для защиты стали в отвержденных железобетонных элементах, контактирующих с воздухом, содержащее жертвенный анод и модификатор электрического поля, в котором:

жертвенный анод представляет собой металл, менее благородный чем сталь;

жертвенный анод включает соединяющее устройство для электронного соединения его с защищаемой сталью;

жертвенный анод, по существу, окружен модификатором;

модификатор включает элемент со стороной, которая представляет собой анод, поддерживающий реакцию окисления, в электронном контакте со стороной, представляющей собой катод, поддерживающий реакцию восстановления; и

катод модификатора обращен к жертвенному аноду и отделен от него, а анод модификатора обращен от жертвенного анода.

Катод модификатора может включать воздушный катод с реакцией восстановления, которая, по существу, включает восстановление кислорода из воздуха. В сборку жертвенный анод/модификатор может быть включен воздухопроницаемый гидрофобный материал.

Срок службы жертвенного анода может быть существенно больше, чем срок службы модификатора; и можно обеспечить траекторию ионной проводимости между жертвенным анодом и бетоном, по меньшей мере после того, как срок службы модификатора закончился.

Жертвенный анод можно соединить со стальной секцией в области, где проведено локальное восстановление бетона, и модификатор можно расположить относительно жертвенного анода таким образом, чтобы увеличить протекание тока в направлении от стальной секции. Сборка может включать поверхность, которая связана со стальной секцией в пределах области, где проведено локальное восстановление бетона, а модификатор можно разместить относительно жертвенного анода таким образом, чтобы увеличить ток, протекающий в направлении от поверхности сборки, связанной со сталью.

В затвердевшем бетоне можно сформировать полость такого размера, чтобы туда можно было поместить сборку, и сборку можно установить внутри этой полости. Сборку можно расположить в полости в засыпке, при этом материал засыпки содержит электролит, который соединяет анод модификатора с бетоном.

Сборка может включать активирующий агент, специально предназначенный для применения в бетоне, для активации жертвенного анода. Анод модификатора и жертвенный анод могут содержать цинк, или алюминий, или магний, или их сплавы.

ПРИМЕР 1

Модификатор электрического поля был сконструирован с использованием цинкового корпуса от стандартного цинк-хлоридного элемента размера D (также называемого цинк-углеродным источником тока R20 по классификации Международной Электротехнической Комиссии). Из корпуса был вырезан лист цинка, уплощен и обработан пескоструем, чтобы очистить цинк от любых возможных загрязнений. Его размер составлял приблизительно 55×100 мм. Одну сторону цинкового листа покрыли двумя слоями электропроводного серебряного лака такого типа, который применяют для изготовления электрических контактов на печатных платах. Затем лист подвергли отжигу при 240°C в течение 15 минут, чтобы удалить из покрытия растворитель. Затем посеребренную поверхность натирали углеродом в форме графитового стержня, чтобы получить рыхлое тонкое серое покрытие. Любое покрытие, существующее на обратной стороне цинкового листа, удаляли с использованием наждачной бумаги с зернистостью 220, чтобы оставить блестящую цинковую поверхность. Серебряная и углеродная поверхности могут работать как воздушный электрод (катод), чтобы облегчить восстановление окисляющего агента, кислорода, в то время как цинковая поверхность может обеспечить восстанавливающий агент (цинк), чтобы окислить его (анод). При добавлении электролита восстановление кислорода и окисление цинка могут обеспечить электрическое поле для усиления протекания тока от жертвенного анода к цинку.

Устройство для испытания показано на Фиг.4. Для облегчения проведения ускоренной проверки теории вместо бетона или строительного раствора применяли ящик с песком, обладающий высоким сопротивлением. Ящик [33] с песком формировали с использованием мелкого влажного песка, для имитации пористой среды с высоким сопротивлением, такой как бетон, для целей проведения испытания. Песок увлажняли водой, но он не был насыщен, чтобы обеспечить некоторое количество электролита и некоторое количество воздуха в пористой среде с высоким сопротивлением. Примерно 1 кг влажного мелкого песка смешивали со столовой ложкой поваренной соли, чтобы получить среду, которая содержит активирующий агент для цинковых анодов. Для получения ящика с песком песок поместили в пластиковый контейнер с размерами 100×150×50 мм. Чистый цинковый лист, также взятый из элемента D, вставили в песок на одном конце контейнера, чтобы он выполнял функции жертвенного анода [34]. Лист стали такого же размера вставили в песок на другом конце ящика [35] с песком.

Цинк был соединен со сталью проводами [36] через амперметр [37]. Через 10 минут начальный гальванический ток уменьшился до 0,55 мА. В этот момент скорость изменения была достаточно малой, чтобы ток можно было считать стабильным в ходе кратковременного испытания.

Затем в песок между цинковым жертвенным анодом и сталью был установлен модификатор [38], при этом его серебряная поверхность была обращена к цинковому аноду, а цинковая поверхность была обращена к стали. Как только модификатор был установлен, ток начал расти. Ток продолжал расти после установки модификатора, и достигал пикового значения 0,82 мА между 5 и 20 минутами. Через 20 минут он начал проявлять признаки снижения.

Гальваническую пару оставили соединенной в течение ночи. Через 10 часов ток измерили снова, и он составил 0,68 мА. Температура воздуха составляла примерно 15°C.

Ящик с песком вместе с модификатором поместили в более теплую среду. Через 39 часов ящик с песком нагрелся примерно до 20-25°C. Снова был измерен ток. В этот раз измеренная величина составила 1,26 мА. Модификатор удалили, и через 30 минут ток стабилизировался на значении 0,48 мА. Модификатор снова вставили в песок, но в этот раз его повернули таким образом, чтобы покрытая серебром поверхность была обращена к стали. Ток упал до -0,08 мА. Электрическое поле модификатора полностью перекрыло электрическое поле пары цинк-сталь, и направление течения тока изменилось на противоположное.

Затем вышеупомянутый эксперимент был повторен после того, как в песок добавили воды, чтобы скомпенсировать потери воды за счет испарения. Ток, протекающий между цинковым жертвенным анодом и сталью, записывали с помощью самописца. Зависимость ток-время приведена на Фиг.5.

Был измерен исходный гальванический ток в отсутствии модификатора. Гальванический ток установился на значении свыше 2 мА. Затем был установлен модификатор (в нулевой момент времени на Фиг.5) между жертвенным анодом и сталью, при этом катод модификатора был обращен к жертвенному аноду. В течение следующих 45 минут гальванический ток увеличился до 3,3 мА. Через 45 минут модификатор удалили, и гальванический ток снова упал до 2 мА за 20 минут. Через 65 минут модификатор снова установили между жертвенным анодом и сталью, но в этот раз анод модификатора был обращен к жертвенному аноду. Гальванический ток упал до 0,7 мА в течение 30 минут. Через 95 минут модификатор удалили, и гальванический ток снова увеличился до 2 мА.

Вышеописанный тест показал, что модификатор можно использовать для существенного увеличения или снижения выработки тока жертвенным анодом.

ПРИМЕР 2

Были сконструированы два модификатора электрического поля размером примерно 50×50 мм, с использованием цинкового листа, как описано в Примере 1. Одну сторону каждого цинкового листа сначала покрыли двумя слоями серебряного лака, а затем термообработали, как описано в Примере 1. Таким образом, одна сторона каждого листа представляла собой цинк, а другая - электропроводное серебряное покрытие. На покрытую серебром поверхность затем нанесли краску с высоким содержанием углерода. Для того, чтобы изготовить углеродную краску, углеродный стержень из центра цинк-углеродного элемента обработали наждачной бумагой, чтобы получить мелкий углеродный порошок. Этот порошок смешали с каплей прозрачного лака для наружного применения и примерно 10-кратным количеством растворителя - разбавителя для лака. Задача заключалась в получении соотношения углерода к связующему в высушенной пленке краски выше 10:1. Затем покрытый цинковый лист был дополнительно термообработан для удаления растворителя. Была проверена электропроводность окрашенной поверхности с использованием омметра с двумя щупами, которые слабо прижимали к поверхности с нанесенным углеродным покрытием. Удельное сопротивление составило менее 1 Ом. Один из этих листов был использован в качестве цинк-воздушного модификатора, и в этом примере его называют цинк-воздушным модификатором.

На покрытую углеродом поверхность другого цинк-углеродного листа нанесли смесь диоксид марганца-углерод. Смесь диоксид марганца-углерод была взята с катодной стороны стандартного цинк-хлоридного элемента размера D. Ее нанесли в виде слоя на покрытую углеродом поверхность цинк-углеродного листа, а затем покрыли обойным клеем, с последующим нанесением тонкой фильтровальной бумаги, и плотно прижали весом приблизительно в 60 кг. Затем смесь диоксид марганца-углерод и фильтровальную бумагу обрезали до кромки цинкового листа, чтобы обеспечить цинковый лист со слоем диоксид марганца-углерод толщиной 2 мм на одной стороне и цинком без покрытия на другой стороне. Такой модификатор называют цинк-диоксид марганцевым (MnO₂) модификатором.

Была изготовлена партия смеси влажного мелкого песка с солью, содержащей как электролит, так и воздух, как описано в Примере 1. Смесь использовали для заполнения трех небольших ящиков с песком размерами 90×65×35 мм. Лист цинка без покрытия, размером примерно 55×50 мм, был частично вставлен в одном конце ящика, а лист стали такого же размера был частично вставлен в другом конце. В каждом ящике с песком цинк был соединен со сталью сопротивлением 100 Ом для образования гальванического элемента. Гальванический ток протекал через сопротивление и создавал напряжение, которое измеряли, чтобы отслеживать гальванический ток. Общее расположение было таким же, как показанное на Фиг.4, но амперметр был заменен резистором 1000 м.

Гальванические токи в ящиках с песком сначала измеряли без использования каких-либо модификаторов. В качестве контрольного образца был выбран ящик с песком, который производил наиболее высокий гальванический ток. Между цинковым жертвенным анодом и сталью во втором ящике с песком был установлен цинк-воздушный модификатор. Углеродная поверхность модификатора была обращена к цинковому жертвенному аноду. В третьем ящике с песком между цинковым жертвенным анодом и сталью был установлен цинк-диоксид марганцевый модификатор. Поверхность модификатора, состоящая из диоксида марганца, была обращена к цинковому жертвенному аноду. В ходе этого процесса гальванический ток регистрировали с помощью самописца.

Гальванические токи от трех ящиков с песком показаны на Фиг.6 и 7. Модификаторы электрического поля были установлены в песок между цинковым анодом и сталью в нулевой момент времени на этих графиках. Сразу после того, как модификаторы были установлены, гальванический элемент с цинк-диоксид марганцевым модификатором производил самый высокий гальванический ток (Фиг.6). Однако этот высокий начальный ток спадал в течение 10 часов, и затем наибольший гальванический ток производил гальванический элемент с цинк-воздушным модификатором. Токи от всех трех элементов медленно снижались, возможно, в результате высыхания песка между цинком и сталью. Через 7 дней ящики с песком были установлены в большой пластиковый мешок, чтобы замедлить скорость последующего высыхания песка, и гальванические токи застабилизировались, в основном проявляя ежедневные колебания, которые можно связать с ежедневными изменениями температуры (Фиг.7). Со временем гальванический ток, производимый элементом с цинк-диоксид марганцевым модификатором, достиг величины, близкой к значению для цинк-воздушного модификатора.

Эти результаты снова показывают, что модификатор электрического поля способен существенно увеличить кратковременную выработку тока жертвенным анодом. В дополнение к модификатору с более мощным катодом из диоксида марганца (в начале процесса) можно применять модификатор с воздушным катодом, после того, как диоксид марганца закончится (будет израсходован в ходе восстановления) в качестве катодного материала.

ПРИМЕР 3

Испытательная установка для Примера 3 приведена на Фиг.8. Два блока [41] из цементного строительного раствора (длиной 270 мм, шириной 175 мм и высотой 110 мм) были отлиты с использованием влажного песка, портланд-цемента и воды в соотношении 4:1:0,8. Строительный раствор был относительно низкого качества, и некоторое количество воды выступило поверх отливки. Стальной катод [42] с площадью поверхности 0,12 м² был помещен на внешней кромке каждого блока из строительного раствора в ходе процесса отливки. Стальной катод был сделан из двух стальных планок размером 300 мм × 10 мм, которые были разрезаны и сложены, чтобы получить комплект стальных полос шириной 20 мм и длиной 90 мм, соединенных полосой 10 мм × 300 мм, чтобы обе стороны стали могли принимать ток в ходе проведения испытаний. Сегмент разрезанного и сложенного стального катода показан на Фиг.9. К стальному катоду был присоединен электрический кабель [43] и выведен за пределы цементного строительного раствора, чтобы можно было осуществлять электрические подключения к стальному катоду. В центре блока из цементного строительного раствора было сформировано отверстие [44] диаметром 40 мм и глубиной 70 мм, чтобы заключить в себе сборку жертвенного анода. Блок из цементного строительного раствора был накрыт и оставлен на 7 дней для отверждения.

Модификатор [45] электрического поля был изготовлен из цинкового цилиндра от стандартного цинк-хлоридного элемента размера D, описанного в Примере 1, после удаления основания, крышки и внутренней части элемента. Размеры цинкового цилиндра составляли 32 мм в диаметре и 55 мм в длину. Его слегка подвергли пескоструйной обработке и вымыли с мылом, чтобы удалить любые отложения. Затем на внутреннюю часть цинкового цилиндра нанесли 2 слоя электропроводного серебряного лака и один слой углеродной электропроводной краски и провели термообработку, как описано в Примере 2, чтобы получить катод [46] модификатора. Внешняя поверхность цилиндра образовала анод [47] модификатора. Была приготовлена соляная паста, состоящая из обойного клея на основе крахмала и поваренной соли (в основном хлорида натрия) в равных объемах; и наложена на внешнюю цинковую поверхность модификатора. Затем модификатор снова термообработали в печи при 240°C в течение 15 минут, чтобы высушить соляную пасту и сформировать жесткий слой соли на внешней поверхности цинка. Задачей покрытия из соли и крахмала было обеспечить активирующий агент для цинкового анода. Этот модификатор называют цинк-воздушным модификатором, поскольку анодная реакция представляет собой растворение цинка, а катодная реакция представляет собой восстановление кислорода из воздуха.

Были сформированы два жертвенных анода путем отливки стержней из цинка диаметром 15 мм, длиной 35 мм, вокруг титановой проволоки. Поверхность цинкового стержня была покрыта соляной пастой, описанной выше, и термообработана с образованием твердого слоя соли на цинковой поверхности.

После того, как образцы из цементного строительного раствора отверждали в течение 7 дней, отверстие диаметром 40 мм в центре каждого образца было частично заполнено известковым тестом [50], и в известковое тесто был вставлен цинковый жертвенный анод [49], так, чтобы жертвенный анод и тесто заполняли примерно 85% отверстия. Жертвенный анод был соединен со стальным катодом электрическим кабелем [51] и резистором [52] 100 Ом; гальванический ток измеряли и записывали, как описано в Примере 2. Эти два образца были оставлены на 1,5 часа для стабилизации, и образец, который производил самый высокий гальванический ток, был выбран в качестве контрольного образца, в то время как второй образец использовали для испытания цинк-воздушного модификатора.

Через 1,5 часа добавили воду в известковое тесто в обоих образцах, чтобы размягчить тесто. Затем в одном образце в тесто [50] вокруг жертвенного анода [49] был вдавлен цинк-воздушный модификатор [45], так, чтобы он, по существу, окружал жертвенный анод. Регистрировали гальванические токи; они приведены на Фиг.10 и 11. На графиках нулевое время представляет собой время установки модификатора. Контрольный образец не имел модификатора.

Сначала не было заметно положительного влияния модификатора (Фиг.10). Действительно, казалось, что эффект отрицателен. Контрольный образец с увлажненным известковым тестом, по-видимому, производил существенно больший ток, чем образец с увлажненным тестом и модификатором. Однако, по мере того как тесто начало высыхать и затвердевать, стал очевиден существенный положительный эффект модификатора.

Для того, чтобы объяснить это наблюдение, следует отметить, что гальванический ток 3 мА является относительно высоким током для такой маленькой сборки жертвенного анода в цементном строительном растворе. Он эквивалентен катодной плотности тока модификатора 550 мА/м². Теоретически допускают, что для катода модификатора трудно поддерживать такую высокую плотность тока в очень влажном известковом тесте, так как кислород из воздуха должен прийти в контакт с углеродом на катоде модификатора, чтобы поддерживать катодную реакцию восстановления. В этом случае катод модификатора может блокировать такую высокую плотность тока. По мере того, как тесто высыхает, кислород имеет более легкий доступ к катоду модификатора, в то время как анодные реакции (растворение цинка) становятся более затрудненными. Таким образом, модификатор имеет тенденцию поддерживать ток по мере высыхания и затвердения известкового теста. Это наблюдение указывает, что для работы модификатора с воздушным катодом необходимы как электролит, так и воздух.

Через 2,6 суток сборку жертвенного анода в каждом образце цементного строительного раствора покрыли цементным строительным раствором, который заполнил оставшуюся часть отверстия. Два образца были помещены на открытом воздухе и подвергнуты воздействию погодных условий центральных графств Великобритании. Сначала погода была солнечной и сухой, и в конце дня на образцы падал прямой солнечный свет, и образцы достаточно быстро высыхали. Такая погода стояла до одиннадцатого дня. Температура дневного максимума воздуха возросла с 17°C на третий день до 26°C на восьмой и девятый день. На двенадцатые сутки над регионом прошла первая серия холодных фронтов, и температура дневного максимума упала до такого низкого значения, как 13°C. Также стало более облачно и менее солнечно. На пятнадцатый день начался дождь, и значительные ливни увлажняли образцы. Перемежающиеся ливни продолжались до девятнадцатого дня. На семнадцатые сутки контрольный блок и блок из строительного раствора с цинк-воздушным модификатором поменяли местами, чтобы свести к минимуму действие любых изменений микроклимата. Дневной максимум температуры воздуха возросло 17°С на двадцатые сутки.

Гальванические токи двух образцов с шестого по двадцать первый день приведены на Фиг.11. Эти данные предполагают, что модификатор оказывает существенное положительное воздействие на выработку гальванического тока сборки анода. Наличие модификатора привело к среднему гальваническому току в течение любого 24-часового периода с шестого дня и далее, который был в 1,6-5,6 раз выше, чем у контрольного образца. Влияние дневных изменений температуры воздуха и дождя с пятнадцатого дня также является очевидным по этим данным, и указывает, что присутствие модификатора поддерживает и усиливает благоприятное поведение в отношении выработки защитного тока в ответ на изменения агрессивной природы цементного строительного раствора. Наиболее выраженные дневные изменения происходили между седьмым и двенадцатым днями, когда в конце дня солнечное излучение прямо нагревало образцы. Эти выраженные изменения исчезли, когда погода стала облачной. Влияние смачивания образца дождевой водой представляет собой более медленный процесс, который происходил после пятнадцатого дня.

Гальванические токи двух образцов между пятнадцатым и шестьдесят пятым днем приведены на Фиг.11. Эти данные предполагают, что влияние модификатора продолжалось до сорок пятого дня. После того, как возможности модификатора были исчерпаны, жертвенный анод продолжал давать ток, сходный по величине с контрольным образцом. Таким образом, можно получить сборку анода с модификатором, в которой модификатор производит начальное увеличение выработки тока жертвенным анодом, без какого-либо существенного отрицательного влияния на более долговременную выработку гальванического тока жертвенным анодом.

Изобретение относится к способу и устройству коррозионной защиты стали в бетоне. Устройство содержит расходуемый анод, модификатор электрического поля и наполнитель с ионной проводимостью, устанавливают в полости, образованной в бетонном элементе, и расходуемый анод непосредственно соединяют со сталью. Модификатор включает элемент со стороной, которая является анодом, поддерживающим реакцию окисления, в электронном контакте со стороной, которая является катодом, поддерживающим реакцию восстановления. Катод модификатора обращен к расходуемому аноду и отделен от него наполнителем. Наполнитель содержит электролит, который соединяет расходуемый анод с катодом модификатора. Анод модификатора обращен от расходуемого анода. Реакция восстановления на катоде модификатора, по существу, включает восстановление кислорода из воздуха. Обеспечивается увеличение выработки тока дискретным расходуемым анодом и усиление защитного эффекта и возможность подачи вырабатываемого тока в предпочтительном направлении для улучшения распределения тока при гальванической защите стали в элементах из отвержденного железобетона, контактирующих с воздухом. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 12 ил., 3 пр.

1. Устройство для электрохимической защиты стали в отвержденных железобетонных элементах, контактирующих с воздухом, содержащее дискретный расходуемый анод и модификатор электрического поля, в котором
расходуемый анод выполнен из металла, менее благородного, чем сталь,
включает соединительное устройство для электронного соединения его с находящейся в бетоне сталью, и
окружен модификатором,
при этом модификатор включает элемент со стороной, представляющей собой анод, поддерживающий реакцию окисления, и находится в электронном контакте с другой стороной, представляющей собой катод, поддерживающий реакцию восстановления, причем катод модификатора обращен к расходуемому аноду и отделен от него, а анод модификатора обращен от расходуемого анода.

2. Устройство по п. 1, в котором катод модификатора содержит воздушный катод для поддержания реакции восстановления, которая, по существу, включает восстановление кислорода из воздуха.

3. Устройство по п. 2, которое дополнительно включает воздухопроницаемый гидрофобный материал для содействия перемещению кислорода воздуха к воздушному катоду.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором у расходуемого анода и у модификатора имеется соответствующий срок службы, причем срок службы расходуемого анода существенно больше, чем срок службы модификатора, и устройство включает траекторию для ионного соединения расходуемого анода с бетонным элементом с помощью электролита, по меньшей мере, после завершения срока службы модификатора.

5. Устройство по п. 4, в котором модификатор содержит материал, который расходуется в течение срока службы модификатора, причем по мере расходования материала модификатор превращается в пористый материал, и траектория для соединения расходуемого анода с бетонным элементом включает траекторию, обеспечиваемую порами пористого материала.

6. Устройство по п. 4, в котором траектория для соединения расходуемого анода с бетонным элементом включает отверстия, оставленные посредством частичного окружения расходуемого анода модификатором.

7. Устройство по п. 4, в котором траектория для соединения расходуемого анода с бетонным элементом включает зазоры или пустоты в модификаторе.

8. Устройство по п. 1, в котором катодная сторона модификатора обращена к расходуемому аноду.

9. Устройство по п. 1, в котором расходуемый анод содержит металл, выбранный из группы, состоящей из цинка и цинкового сплава.

10. Устройство по п. 1, в котором анод модификатора включает материал, выбранный из группы, состоящей из цинка, алюминия, магния, цинкового сплава, алюминиевого сплава и магниевого сплава.

11. Устройство по п. 1, в котором катод модификатора включает материал, выбранный из группы, состоящей из диоксида марганца, углерода, серебра и никеля.

12. Устройство по п. 1, которое дополнительно включает активирующий агент для активации расходуемого анода.

13. Устройство по п. 1, которое дополнительно включает наполнитель с ионной проводимостью, соединяющий расходуемый анод с модификатором.

14. Блок для электрохимической защиты стали в отвержденных железобетонных элементах, контактирующих с воздухом, отличающийся тем, что он содержит устройство по любому из пп. 1-13 и наполнитель в виде засыпки, содержащей электролит.

15. Способ электрохимической защиты стали в отвержденном железобетонном элементе, контактирующем с воздухом, с использованием устройства по любому из пп. 1-13 или блока по п.14, включающий:
электронное соединение расходуемого анода со сталью в железобетонном элементе посредством проводника с электронной проводимостью,
соединение катода модификатора с расходуемым анодом посредством электролита и
соединение анода модификатора с бетонным элементом посредством электролита.

16. Способ по п. 15, в котором катод модификатора содержит воздушный катод для поддержания реакции восстановления, которая, по существу, включает восстановление кислорода из воздуха.

17. Способ по п. 15 или 16, в котором у расходуемого анода и у модификатора имеется соответствующий срок службы, причем срок службы расходуемого анода существенно больше, чем срок службы модификатора, и в устройстве имеется траектория ионной проводимости между расходуемым анодом и бетонным элементом с помощью электролита, по меньшей мере, после завершения срока службы модификатора.

18. Способ по п. 15, который дополнительно включает формирование полости в бетоне для размещения устройства внутри полости.

19. Способ по п. 18, который дополнительно включает размещение модификатора по отношению к расходуемому аноду с обеспечением улучшения протекания тока в направлении от участка стали, при этом полость в бетоне представляет собой полость в подвергаемой ремонту области бетона с оставшейся незащищенной сталью, и стадия электронного соединения со сталью включает соединение электронного соединения с оставшейся незащищенной сталью.

20. Способ по п. 19, который дополнительно включает связывание поверхности упомянутого устройства с участком стали в подвергаемой ремонту области бетона и размещение модификатора относительно расходуемого анода с обеспечением улучшения протекания тока в направлении от поверхности упомянутого устройства, связанной со сталью.

21. Способ по п. 20, который дополнительно включает размещение модификатора относительно расходуемого анода с обеспечением улучшения протекания тока в противоположном направлении от направления поверхности упомянутого устройства, связанной со сталью.

22. Способ по п. 18, в котором стадия формирования полости включает формирование полости с размером, достаточным для размещения в ней упомянутого устройства.

23. Способ по п. 22, который дополнительно включает обеспечение материала засыпки и установку упомянутого устройства в полости в материале засыпки, причем материал засыпки содержит электролит, используемый для соединения анода модификатора с бетонным элементом.

24. Способ по п. 23, в котором материал засыпки содержит электролит, используемый для соединения расходуемого анода с катодом модификатора.