电镀阳极和防腐蚀的方法

电镀阳极和防腐蚀的方法
【专利摘要】提供了一种牺牲电镀阳极、一种包括所述牺牲阳极的阳极组件，以及一种阴极保护混凝土结构中的钢筋免遭腐蚀的方法。所述牺牲电镀阳极包含至少一个牺牲金属螺旋线圈。所述电镀阳极易于制造，且占据钢筋混凝土结构中的最小化的体积，同时为牺牲腐蚀提供最大化的表面积。
【专利说明】电镀阳极和防腐蚀的方法

【背景技术】
[0001]腐蚀是自然发生的现象，通常被定义为由于与环境反应造成的物质(通常为金属)或物质的性能的劣化。与其他自然灾害(如地震或恶劣天气干扰)一样，腐蚀会对从车辆和家用电器至废水系统、管道、桥梁、道路和公共建筑的任何事物造成危险且昂贵的损坏。然而，不同于与天气有关的灾害，存在预防和控制腐蚀的久经考验的方法，所述方法能够降低或排除其对公共安全、经济和环境的影响。
[0002]2001年美国联邦公路管理局资助的腐蚀的成本研宄，“美国的腐蚀成本和预防性战略”，确定了腐蚀的年直接成本为令人吃惊的2760亿美元。此项研宄涵盖了大量的经济行业，包括运输基础设施、电力工业、运输和储存。
[0003]腐蚀的间接成本保守地估计等于直接成本，直接成本和间接成本共计超过6000亿美元或GDP的6%。该成本被认为是保守的估计，因为在此研宄中仅使用了被文件记载的成本。除对公共安全造成严重损害和威胁之外，腐蚀扰乱作业并需要对故障器材进行大量的维修和更换。
[0004]美国联邦公路管理局估算在美国几乎200，000座桥梁或三分之一的桥梁是结构有缺陷的或功能过时的。此外，全部桥梁中超过四分之一的桥梁超过50年(桥梁的平均设计寿命)。
[0005]在美国，道路和桥梁基础设施塌落，数以千计的桥梁被评为不安全的并需要更换或大修。这些情况中的许多，腐蚀在破坏安全性方面起着重要作用。防腐措施有助于阻止进一步的问题。正在采取措施处理美国的老化的基础设施。例如，在寻求联邦基金以建造新桥梁或改造现有桥梁时，2009年3月出台的众议院法案1682号决议，“桥梁寿命延长法案2009 (Bridge Life Extens1n Act 2009) ”要求国家提交一份用于阻止和减轻由腐蚀造成的损失的计划。
[0006]许多钢筋混凝土结构经受了过早的老化。混凝土嵌入的钢筋通过在其表面形成稳定的氧化膜进行最初的防腐蚀。这种膜或钝化层通过高碱性混凝土孔隙水与钢之间的化学反应形成。氯化物的存在会破坏由碱性条件提供的钝化。氯离子使金属局部去钝化并促进活性金属溶解。钢的腐蚀通常是可以忽略的，直到氯离子达到引发腐蚀的阈值。阈值浓度取决于许多因素，包括，例如，钢微环境、孔隙溶液PH、来自孔隙溶液中的其他离子的干扰、钢筋的电势、氧浓度和离子迀移率。氯化物充当催化剂，这是因为它在腐蚀反应中不被消耗，并保持活性以再次参与腐蚀反应。
[0007]对钢筋混凝土结构的损害主要由氯离子穿透混凝土到达钢筋周围的区域引起。氯化物的来源有许多，包括混凝土混合物的添加物，例如含氯的速凝剂。氯化物还可存在于所述结构的环境中，如海洋环境或除冰盐。氯化物的存在对混凝土自身没有直接的副作用，但是会促进钢筋的腐蚀。在钢筋上形成的腐蚀产物占据了比钢筋更大的空间，造成压力从内部施加于混凝土上。这种内部压力随着时间的推移而累积，并最终导致混凝土的开裂和剥落。钢筋的腐蚀还降低钢筋的强度并减小混凝土结构的承载能力。
[0008]除氯离子浓度之外，影响钢的腐蚀速率的其他因素包括pH、氧可获得性、钢的电势，以及周围的混凝土的电阻率。这些因素相互作用，以致对一个因素的限制未必阻止腐蚀，并且，接近一个因素的阈值水平的水平将与另一个因素协同作用，从而使腐蚀发生。例如，即使具有高的氯化物水平，如果没有足够的氧可用，腐蚀将不会发生。随着PH降低，腐蚀的氯化物阈值变小。在非常高的电阻率的混凝土中，由于离子流动的困难增大，不仅碳化作用和氯化物侵蚀减慢，腐蚀反应也降低。正如其他化学反应，温度也与腐蚀活性有关。
[0009]混凝土中的钢筋的阴极保护是为金属提供腐蚀保护的一种公认的方法，特别是当氯离子以显著的浓度存在于混凝土中时。阴极保护涉及电路的形成，其中钢筋充当与阳极电连接的阴极。当存在足够大的电势差时，阴极的腐蚀被降低或被阻止。
[0010]已知可通过外加电流阴极保护的方法和通过原电池的方法在阳极和阴极之间建立电势差。外加电流阴极保护涉及阳极、采用外部DC电源或AC电源施加的电流、以及整流器的使用。电源在可靠性和与持续电力消耗、监控和维修需求有关的成本的方面存在挑战。
[0011]对于外加电流阴极保护体系是一个巨大的挑战。所供应的能量(不论是恒定电流或电压ICCP)的量随着温度、水含量、氯化物暴露和pH变化而变化，且必须被调整为通过不同的区域以防止过保护(氢脆、酸形成等)或欠保护(腐蚀)。
[0012]还可通过原电池的方法提供阴极保护，其中，由于不同的材料形成牺牲阳极和阴极而产生电势。当金属连接至更活泼的或更阳极的金属时，发生牺牲阴极保护。阳极由不使用电源即能提供保护电流的牺牲金属组成，这是由于在它们的使用期间所反生的反应是热力学有利的。牺牲阳极体系的缺点包括有限的可用保护电流和有限的寿命。牺牲阳极经历持续的腐蚀或电镀金属(galvanic metal)的消耗，并且根据腐蚀的程度，通常需要在某一时刻进行更换。
[0013]由于钢筋混凝土结构的腐蚀对于人类生活存在危害且维修成本高，因此需要用于满足实现新的防腐技术和用于后代的保护基础设施的需要的改进的体系和方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为牺牲阴极保护体系的一个示例性实施方案的横截面视图。
[0015]图2示出了其中嵌入牺牲阳极的一个示例性实施方案的钢筋混凝土制品中的一个维修位点。
[0016]图3A为牺牲阳极的一个示例性实施方案的透视图。
[0017]图3B为牺牲阳极的一个示例性实施方案的分解图。
[0018]图4A为牺牲阳极的一个示例性实施方案的透视图。
[0019]图4B为牺牲阳极的一个示例性实施方案的透视图。
[0020]图5为描述合并锌-无屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的连接电势与即时断开测量之间的差异的图表。
[0021]图6为描述合并锌-屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的连接电势与即时断开测量之间的差异的图表。
[0022]图7为描述合并混合物锌/镁-无屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的连接电势与即时断开之间的差异的图表。
[0023]图8为描述合并混合物锌/镁-屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的连接电势与即时断开之间的差异的图表。
[0024]图9为描述合并锌-无屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的非连接与连接阳极电势之间的差异的图表。
[0025]图10为描述合并锌-屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的非连接与连接阳极电势测量值之间的差异的图表。
[0026]图11为描述合并混合物锌/镁-无屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的非连接与连接阳极电势测量之间的差异的图表。
[0027]图12为描述合并混合物锌/镁-屏蔽的牺牲阳极的示例性阴极-阳极组件的非连接与连接阳极电势测量之间的差异的图表。
[0028]图13为描述在短时间尺度内的阳极试样之间的阳极电势的比较的图表。
[0029]图14为描述所评估的原型(prototype)牺牲阳极的腐蚀电流的比较的图表。
[0030]图15为描述在短时间尺度内评估的原型牺牲阳极的腐蚀电流的比较的图表。
[0031]应注意的是，图表中的缺口代表阳极和阴极的去极化-断开，以确定极化的量和阳极体系在断开一段时间后是否恢复功能。

【具体实施方式】
[0032]提供了牺牲阳极、牺牲阳极体系和一种用于钢筋混凝土结构中的钢筋的阴极保护的方法。根据某些示例性实施方案，牺牲阳极体包含(a)至少一个包含牺牲金属的具有纵向轴线的螺旋线圈，以及(b)至少一个电连接至所述螺旋线圈的细长的电导体，以及(C)包围所述螺旋线圈的至少一部分和所述至少一个细长的电导体的一部分的包装材料，其中，所述至少一个细长的电导体的一部分发出于所述包装材料。
[0033]根据某些示例性实施方案，牺牲阳极体包含(a)至少一个包含牺牲金属的具有纵向轴线的螺旋线圈，以及(b)至少一个电连接至所述螺旋线圈的细长的电导体，以及(C)包围所述螺旋线圈的至少一部分的包装材料。
[0034]根据其他实施方案，牺牲阳极体包含(a)包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(b)第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，(C)至少一个电连接至所述第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及(d)包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分和所述至少一个细长的电导体的一部分的包装材料，其中所述至少一个细长的电导体的一部分发出于包装材料。
[0035]根据其他实施方案，牺牲阳极体包含(a)包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(b)第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，(C)至少一个电连接至第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及(d)包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分的包装材料。
[0036]根据其他实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系包含(a)包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈的阳极体，所述螺旋线圈包含电化学活性高于钢的牺牲金属，(b)至少部分地被包装材料覆盖的至少一个螺旋线圈，以及(C)至少一个将阳极体电连接至(d)钢筋元件的电导体。
[0037]根据其他实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系包含(a)包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈的阳极体，所述螺旋线圈包含电化学活性高于钢的牺牲金属，(13)至少一个电连接至阳极体的电导体，(￠3)至少部分地被包装材料覆盖的至少一个螺旋线圈和至少一个电导体，以及((1)将至少一个螺旋线圈电连接至位于混凝土结构中的钢筋元件的至少一个电导体。
[0038]根据其他实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系包含(幻包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(幻第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中，所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，(0)至少一个电连接至第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及⑷包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分的包装材料。
[0039]根据其他实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系包含(幻包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(幻第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，(0)至少一个电连接至第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及⑷包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分和所述至少一个电导体的至少一部分的包装材料。
[0040]根据其他示例性实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法包括:将包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈(所述螺旋线圈包含牺牲金属)的牺牲阳极体电连接至钢筋混凝土结构中的钢筋，其中所述阳极体至少部分地被包装材料覆盖。
[0041]根据其他示例性实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法包括:电连接牺牲阳极体，所述牺牲阳极体包含仏)包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(幻第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，化)至少一个电连接至第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及((1)包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分的包装材料。
[0042]根据其他示例性实施方案，用于减少钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法包括:电连接牺牲阳极体，所述牺牲阳极体包含仏)包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈，以及(幻第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和第二牺牲金属的电化学活性高于钢，化)至少一个电连接至第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体，以及(山包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分和所述至少一个电导体的至少一部分的包装材料。
[0043]根据某些实施方案，阳极体包括第一牺牲金属和第二牺牲金属，其中，第一和第二牺牲金属的电化学活性均高于嵌在混凝土结构中的钢筋。与第二牺牲金属相比，第一牺牲金属的电化学活性更高。从电化学活性较高的第一金属积累的氧化产物(如果不是被吸收或可溶解的)可通过以类似于绝缘层或绝缘垫的方式进一步将第二金属的直接导电通道与钢离子通道绝缘来进一步提高电化学活性较低的第二金属的腐蚀的电荷分布。因此，镁氧化产物倾向于增加绝缘垫的整体效力。来自镁氧化物的膨胀产物还可在钢筋和阳极之间被释放到绝缘垫的可压缩的粘合剂中，而不产生可导致周围修复砂浆或混凝土结构的破裂的膨胀力。
[0044]阴极保护可用于控制嵌在钢筋混凝土结构中的钢的腐蚀。本公开内容的阴极保护体系运作形成阳极和钢筋之间的电解电势差。该差别引起电流流经电连接和离子流经混凝土和/或包装材料，足以防止或降低钢筋的腐蚀，同时引起阳极的腐蚀。
[0045]阴极保护通过将金属表面上的阳极位点或活性位点转换成阴极位点或惰性位点来防止混凝土中的钢筋的腐蚀。
[0046]可通过原电池的方法提供牺牲阴极保护，其中由于形成牺牲阳极和阴极的不同材料产生电势。阳极体由不需外加电流即可代替钢材料发生腐蚀的牺牲材料形成。其被称为牺牲体系，这是由于电镀阳极被牺牲以保护结构钢免遭腐蚀。牺牲阳极包括可腐蚀的金属件或牺牲金属件，其电连接至被保护的金属表面并通过电解作用被优先消耗。
[0047]根据某些实施方案，本公开内容的牺牲阳极组件代替钢筋提供阳极反应发生的位置。因此，在电镀体系运行时，阳极而非钢筋降解。
[0048]根据本公开内容的方面，提供牺牲体系，其中阳极体由至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈形成，并由牺牲金属组成。牺牲金属代替钢发生腐蚀，而无需提供或使用外加电流。阳极体可至少部分地被包装材料覆盖。细长的金属导体电连接至阳极体并发出于包装材料以将所述阳极体电连接至嵌在混凝土中的钢筋。
[0049]本公开内容克服了已知的内嵌的电镀阳极的体积大并占据混凝土修复应用中的相当大量的空间的缺点。为了使十分拥挤的钢筋混凝土中所需的修复空间最小化，许多已知的电镀阳极减少阳极中的牺牲金属的量。牺牲金属的量的减少降低了牺牲阳极的表面积，因而限制阳极的有效性。
[0050]本公开内容的包含牺牲金属螺旋线圈的阳极体满足提供有效量的牺牲金属并通过提供增加的表面积维持较小的修复体积的竞争性目标。当被嵌入时，本公开内容的电镀阳极占据钢筋混凝土结构中的最小化的体积，并为牺牲腐蚀提供最大化的表面积，从而在嵌入时产生高的电镀活性和耐用的性能。
[0051]根据阳极体的某些示例性实施方案，通过例如减小牺牲金属螺旋线圈的各环之间的间距或通过将两个或多个线圈交错在一起，可增加以给定的体积中存在的牺牲金属的量。交错的螺旋线圈可包含相同的牺牲金属，例如锌或锌合金。交错的线圈可包含不同的牺牲金属，例如第一螺旋线圈可包含锌或锌合金，第二螺旋线圈可包含镁或镁合金。
[0052]在阳极体的其他示例性实施方案中，通过例如在牺牲金属螺旋线圈或交错的牺牲金属螺旋线圈内包括牺牲金属的实体(8011(1 1112188)，可增加以给定的体积存在的牺牲金属的量。在一个实施方案中，牺牲金属的实体的尺寸被适当地设定成与螺旋线圈或线圈内部或周围相适应。牺牲金属的实体具有可与螺旋线圈的长度相同的长度，或可稍短于或稍长于螺旋线圈的长度。根据某些实施方案，第二牺牲金属的实体，如镁，缠绕螺旋线圈的外表面的一部分。随着第二牺牲金属氧化，氧化产物可被位于第二牺牲金属和阴极(即，钢筋)之间的垫吸收。牺牲金属的实体的宽度稍小于螺旋线圈的内径或稍大于螺旋线圈的外径，从而允许所述实体被放置于线圈内或围绕所述螺旋线圈的一部分的外表面形成。所述实体可包含与螺旋线圈或线圈或线圈之一相同的牺牲金属，并且所述实体可包含不同的牺牲金属。
[0053]至少一个细长的电导体将阳极体电连接至钢筋混凝土结构中的钢筋。所述细长的电导体可卷绕或缠绕阳极体的纵向轴线的一部分，从而提供牺牲阳极体和钢筋之间的多个物理连接点和电连接点。例如，但不限于，钢扎线可交织或缠绕牺牲金属螺旋线圈，并缠绕钢筋。所述电导体可沿着牺牲金属的螺旋线圈的长度的一部分缠绕牺牲金属的螺旋线圈。或者，所述电导体可沿着螺旋线圈的整个长度缠绕牺牲金属的螺旋线圈。电接触的多个点提供促进产生均匀的电荷分布的安全连接，并避免细长的电导体和牺牲金属螺旋线圈之间的腐蚀产物形成。
[0054]已知的扎线配置包括围绕在钢扎线周围的牺牲金属的模制品，以及采用螺栓或铆钉的机械连接牺牲金属至扎线的机械连接件。本公开内容的细长的电导体可卷绕或缠绕阳极体，从而提供牺牲阳极体和钢筋之间的多个物理连接点和电连接点而不使用螺栓、铆钉或其他机械紧固件。通过提供例如容易构建的、安全的多点连接，本公开内容克服了已知的扎线连接方法的缺点。
[0055]根据某些实施方案，提供了一种电镀阳极体系，其中阳极体由至少两种牺牲金属形成，所述牺牲金属相对于钢腐蚀，无需提供或使用外加电流。所述阳极体可包含第一螺旋线圈和第二螺旋线圈。所述阳极体可至少部分地被包装材料覆盖。在一些实施方案中，细长的金属导体可连接至阳极体并发出于包装材料，从而将所述阳极体电连接至嵌在混凝土中的钢筋。
[0056]在其他示例性实施方案中，提供了一种双重作用阳极组件或阳极体，其中电化学活性较高的牺牲金属可建立高的初始活性，从而在所附着的钢筋周围建立碱性的无氯的环境。该初始的高活性阶段之后是电化学活性较高的第一金属的消耗或钝化之后的利用电化学活性较低的牺牲金属的长期的保护。
[0057]在一个实施方案中，第一牺牲金属可附着于电化学活性较低的第二牺牲金属。首先，活性较高的第一牺牲金属可提供初始的较高的动电电流0111-1-6111:)以引发阳极反应。其次，电化学活性较低的第二牺牲金属可提供足够的电流以长期地充分地保护钢筋。本公开内容的阳极组件可包含如镁、锌、铝、它们的合金等的牺牲金属的组合。
[0058]根据一个实施方案，阳极组件可包括包含第一牺牲金属的第一螺旋线圈和包含第二牺牲金属的第二螺旋线圈。所述第一和第二螺旋线圈可彼此交错，从而占据约一个线圈的空间。螺旋线圈形状增加阳极材料的表面积，从而提高阳极的效率。
[0059]在一些实施方案中，阳极组件可包括包含第一牺牲金属的螺旋线圈和包含例如块、圈、圆柱、线、棒、盘或条的实体的第二牺牲金属。第一牺牲金属螺旋线圈可缠绕第二牺牲金属，从而所述第一牺牲金属至少部分地围绕第二牺牲金属。例如，锌螺旋线圈可缠绕镁条或锌线。一个或多个细长的电导体可交织或缠绕牺牲金属。
[0060]在一个实施方案中，第一牺牲金属螺旋线圈可被放置为毗邻第二牺牲金属，并随后被细长的钢电连接件缠绕。例如，锌螺旋线圈被放置为毗邻并接触镁条。一个或多个细长的电连接件可卷绕或缠绕并电接触螺旋线圈和镁条。
[0061]在另一实施方案中，第一牺牲金属可包含镁。镁迅速反应引起初始极化强度，并建立钢周围的碱性环境。此初始极化促使氯离子的远离钢的扩散。随着镁被消耗或用尽，第二牺牲金属，例如锌，用于维持钢筋的惰性条件。该体系可以达到无需复杂的线路、电池或外部电源而外加电流体系的益处。
[0062]根据本公开内容的某些方面，阳极表面积有效释放足够的电流以保护所述结构，并且当释放电流时，阳极重量足以持续预期的使用寿命。本公开内容的电镀阳极体系基于所附着的毗邻的钢的初始腐蚀活性为自动调节的。来自第一牺牲金属和/或第二牺牲金属的腐蚀产物还可充当电通道间隔或离子通道间隔以优化阳极周围的电荷分布。
[0063]无论是钢筋的腐蚀还是牺牲阳极的腐蚀，腐蚀速率取决于温度、湿度、离子环境和导电性。牺牲阳极的材料可被选择为比钢优先腐蚀以提供钢上的保护性阴极电荷。随着腐蚀条件变得更加有利，阳极的腐蚀速率增加，从而为钢提供成比例增加的腐蚀保护。在这一竞争性化学反应中，优选的反应可通过感应电荷防止二次腐蚀的发生。
[0064]由于增加的活性造成氧化产物的沉积快于可将该氧化产物除去的例如包装材料中的吸收、溶解或螯合作用机制，阳极还会在运行中被钝化。将阳极与钢隔离可降低保护性电流的强度，并降低阳极钝化的倾向。随着腐蚀发生，氧化产物可沉积在阳极的牺牲金属的表面上。如果这些腐蚀产物没有被清除，则它们将通过阻止离子流通过电解液来阻止电化学反应，这已知为阳极的钝化。通过使氧化产物可溶，所述阳极可继续发挥预期的功能。腐蚀产物的溶解性由包装材料控制。所述包装材料提供一种用于从阳极体的牺牲金属的表面清除腐蚀产物的机制，并提供用于离子从钢筋(阴极)流至腐蚀的牺牲金属阳极的离子通道。
[0065]根据某些实施方案，包装材料可包含，例如，粘合剂、矿物聚合物(8601)017111610、砂浆等。不加以限制并仅以示例的方式，包装材料可包含水泥砂浆。或者，包装材料可包含离子导电性可压缩砂浆，其中基质可充分压缩以吸收牺牲金属阳极的腐蚀产物。包装材料可为合适的活化化学物质，例如，通过卤化物、螯合作用或邱；并且具有充分的孔隙率，从而能够吸收腐蚀产物，并因此防止或降低钝化。
[0066]在其他实施方案中，包装材料可包括保湿剂、潮解剂和/或吸湿性材料以吸收足够的水分以维持阳极周围的导电性，从而确保在阳极的运行期间电流的充分输出，并保持阳极和阴极(钢筋)之间的界面电化学有效。
[0067]根据某些示例性实施方案，用于电镀阳极体的合适的包装材料包含约75%石膏、约20%膨润土和约5%硫酸钠的混合物。该包装材料提供降低阳极的自身消耗的均一的环境。不囿于任何具体的理论，认为硫酸盐活化阳极体的锌金属，膨润土充当保湿剂。
[0068]本发明的电镀保护体系的牺牲金属螺旋线圈易于制造，并克服了例如那些使用熔融锌构造已知阳极体的困难。利用市售的材料(例如锌线)和自动的线圈缠绕生产工艺，可使制造过程自动化。与已知的分立电镀阳极体系相比，本发明的包含至少一个螺旋线圈的阳极体的长度可延长至任何合适的长度，以适应基于预期的修复位点的不同长度要求。螺旋线圈的其他尺寸易于根据要求被改变和剪裁以用于具体的应用。
[0069]本公开内容的方面适用于对被挖掘而暴露出钢筋的现有混凝土的一部分的修补，并适用于包括电镀阳极组件和独立修补片的布置。
[0070]在某些实施方案中，阳极组件被嵌在混凝土中，且其安装与混凝土修复所涉及的一般施工实践相容，因此不需要专业化的安装培训。这些步骤可包括向下挖掘已损坏的混凝土至略低于钢筋的深度，使阳极组件附着于钢筋，以及用合适的包埋砂浆或修补砂浆回填被挖掘的混凝土区域。
[0071]根据某些示例性实施方案，本公开内容的牺牲阳极体系被塑造成类似于钢筋的短件的形状，并且可被放置在紧邻钢筋处。该构造优化了拥挤的修补区域中所达到的间距，并允许较少和较低廉的混凝土维修。
[0072]根据其他示例性实施方案，用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法包括:提供不同材料的至少两种牺牲金属的双重作用牺牲阳极组件，每一种金属的电化学负性均高于钢。所述阳极可至少部分地被包装材料覆盖。细长的电导体连接至阳极体并且电导体的至少一部分发出于包装材料。可将双重作用阳极组件插入所述混凝土结构中形成的孔洞中。阳极体组件的包装材料被放置于钢筋的表面附近。通过将细长的电导体缠绕于钢筋上而将阳极组件固定在位。
[0073]可利用合适的材料(如粘结性修补砂浆)回填被固定的阳极组件。回填材料可包含单一材料或两种或多种材料的组合。根据某些实施方案，粘结性砂浆可包含低电阻率砂浆。或者，可使用低电阻率砂浆来封装被固定的阳极组件，然后将所述砂浆嵌在高电阻率修补材料中，从而所述低电阻率包埋砂浆封装被固定的阳极组件，并提供通向毗邻修补区域的原始混凝土的离子导电通道。例如，根据某些示例性实施方案，回填材料可包括建立活化作用的材料和捕获附着的氯化物的另一种材料。
[0074]如图1所示，阴极保护体系100包括包含阳极体102的阳极组件，所述阳极体102包含牺牲金属110。牺牲金属110可包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈。细长的电导体116、118或扎线可缠绕并电接触牺牲金属110。阳极体102可至少部分地被包装材料108包覆或覆盖。细长的电导体116、118连接至阳极体102并发出于包装材料108。在安装期间，通过将导体116、118的端部缠绕钢筋114，电导体116、118被固定至钢筋114。
[0075]转向图2，阴极保护体系200包含在钢筋混凝土结构204中形成修补片202。利用细长的电导体116、118将阳极组件102固定至钢筋114。
[0076]如图3八所示，阳极体包括包含具有纵向轴线的螺旋线圈104和106的牺牲金属110。阳极体包含与第二螺旋线圈106交错的第一螺旋线圈104，如图所示。交错意指第一线圈104和第二线圈106交替地排布或穿插。交错的线圈被布置为一个线圈104的环或圈嵌入另一线圈106的环之间的空间。螺旋线圈104、106可包含相同的牺牲金属。在一个实施方案中，螺旋线圈104可包含活性较低的牺牲金属(1688 8801-1^10181，螺旋线圈106可包含活性较高的牺牲金属01101*6 8801-1^10181 ，反之亦然。根据一个实施方案，阳极体102的牺牲金属110包括包含牺牲金属或牺牲金属的组合的单一螺旋线圈104。
[0077]图38示出了包含两种不同的牺牲金属的阳极体110的分解图。牺牲金属110可包含交替排布或穿插或彼此交错的螺旋线圈104、106。至少一个细长的电导体或扎线缠绕并电接触交错的线圈104、106，从而将阳极体110电连接至位于混凝土结构中的钢筋。
[0078]如图4八和48所示，示例性阳极体包含牺牲金属110。牺牲金属110可包含如图3八和38所示的具有纵向轴线的螺旋线圈104或交错的线圈104、106。细长的电导体116、118或扎线可缠绕并电接触包含螺旋线圈104或交错的线圈104、106的牺牲金属110。
[0079]在其他实施方案中，牺牲金属110可包含缠绕第二牺牲金属的第一牺牲金属螺旋线圈，使得第一牺牲金属螺旋线圈至少部分地围绕第二牺牲金属。例如，锌螺旋线圈缠绕镁条或锌线。
[0080]在其他实施方案中，牺牲金属可包含毗邻第二牺牲金属且大致与第二牺牲金属共同延伸的第一牺牲金属螺旋线圈。所述毗邻的且大致共同延伸的第一和第二牺牲金属被细长的电导体缠绕。例如，锌螺旋线圈可放置为毗邻并接触镁条。细长的钢电导体可卷绕或缠绕并电接触同位的螺旋线圈和镁条。
[0081]本公开内容克服了已知的牺牲阴极保护体系的缺点，其容易制造，并且占据钢筋混凝土结构中的最小化的体积，同时为牺牲腐蚀提供最大化的表面积。在一个实施方案中，两种牺牲金属的使用提供了用于钢筋的初始极化的较高的电流以及随后的更持久的较低的电流，以维持阴极保护。由活性较高的金属引起的钢筋的初始极化倾向于移除氯离子并恢复被保护的钢筋附近的碱性。然后，第二牺牲金属仅需要维持这些钝化条件，从而提供双重作用电镀保护。
[0082]实验部分
[0083]构造了原型牺牲电镀阳极，并评价了使用原型电镀阳极的阴极-阳极组件的半电池电势、腐蚀电流和电阻率。电镀阳极和阴极-阳极组件的构造和评估方法描述如下。应注意的是，以下对阳极组件、阴极-阳极组件、评估方法和结果的描述仅仅为了说明所公开的主题。以下对阳极构造、阴极-阳极组件和评估方法的描述不应被理解为以任何方式限制所公开的主题。
[0084]测试容器
[0085]使用五(5)加仑(201)的塑料桶容纳用于评估的电镀阳极样品。将过滤织物放置在各个塑料桶的底部，并在塑料桶的底壁钻出一个排水孔，以允许模拟的混凝土孔隙水溶液的排放。
[0086]混凝土孔隙溶液
[0087]模拟的混凝土孔隙溶液由包含以下物质的混合物制备:
[0088]7^ 水泥
[0089]311? 自来水
[0090]1.4410% 的恥?:1 溶液。
[0091]搅拌所述混合物并使其沉淀。倾析液被过滤并被用作评估全部电镀阳极样品的模拟的混凝土孔隙水溶液。模拟的孔隙溶液中的氯化钠水平对应于每23001--3混凝土中有94 ^01的氯化物含量。选择该氯化物水平作为如在钢筋腐蚀区域内通常经历的足够严重的氯化物暴露。
[0092]钢丝网阴极
[0093]包含具有1/2英寸开口、0.135英寸线径和共计62%开口面积的额外的刚性平面钢丝布的可腐蚀的钢丝网92431381)被选为用于评估电镀阳极的阴极。钢丝网基于小空间中的高表面积，以及所有的开口允许接近所述钢丝网的所有表面而进行选择。将钢丝网切割成3(^ 30(3111的工件。将切割成型的钢丝网弯曲以放入5加仑的桶中。通过以下步骤制备钢丝网:喷砂处理、601:下在10%的氢氧化钠溶液中酸洗2处，随后用去离子水和丙酮清洗。
[0094]沙
[0095]将钢丝网阴极放置在所述样品容器(即，塑料桶)中，所述塑料桶装满沙。沙是一种用于评估电镀阳极的合适的介质，这是因为其成本低、保持水分、提供用于发生腐蚀的充足的氧并且可被移除以视觉测试阳极样品。
[0096]电化学电池
[0097]通过缠绕将14规格(1.63^直径)的实心铜导线连接至钢丝网的上网(七叩界116)，随后焊接并利用环氧树脂(购自8八1:1011 - 81111(11118 3781:61118，商品名为
1420)涂覆连接处。推荐采用目前市售的电镀阳极(对于1阳极，每0.502的钢筋面积中有0.027102的锌表面积，或钢表面积与锌表面积之比为18.4)的阳极间距，经计算，钢丝网阳极的表面积为0.15702，其约为钢面积的1/6钢。钢表面积与锌表面积之比被称为阴极与阳极之比。基于12418的钢丝网阴极件的重量，根据法拉第定律，通过将铁完全氧化至+3价，可释放289，455库仑。
[0098]测试原型
[0099]制备4个原型电镀阳极芯样品用于评估。这些样品由两种电镀阳极结构(锌金属以及混合物)和两种连接方法(屏蔽的和无屏蔽的)构成。
[0100]由具有0.125英寸(3.125^)的直径的13英寸(333^)长的锌线制备两个锌金属电镀阳极芯样品，所述锌线形成直径约为且长度约为的线圈。该电镀阳极芯导致阴极与阳极的比例为48.3。锌的质量为18.68，对应于54，874库伦，并且具有3，2661^2的表面积。
[0101]用经类似于制备钢丝网阴极的方式喷砂、在烧碱中浸渍和用丙酮清洗的钢扎线的两个反向倾斜(顺时针和逆时针螺旋缠绕)的工件缠绕各个电镀阳极芯样品。通过缠绕、焊接和环氧树脂涂覆连接处，将电连接件连接至14规格的实心铜导线，随后将所述电连接件用于监控阳极极化和电化学电池中的腐蚀电流。阴极与阳极之比基于给定的钢筋表面积所需的市售8111^80^ 0？ 150阳极的间距，锌表面积约为所推荐的阴极的38%。
[0102]通过使用尼龙拉链带(211) ^16)将锌电镀阳极芯样品之一放置在远离钢丝网阴极约1111111处，以隔绝阳极芯与钢丝网的电接触。该样品被指定为锌-无屏蔽的。
[0103]通过使用4(^宽的丁基橡胶带和双面泡沫胶带的工件，将另一大致相同的锌电镀阳极芯样品与钢丝网阴极隔离，以模拟屏蔽。该样品被指定为锌-屏蔽的。
[0104]均利用尼龙拉链带将这两个锌阳极芯样品连接至钢丝网阴极，以将阳极固定至阴极钢。
[0105]由镁和锌制备另外两个电镀阳极芯样品。线圈由直径为0.091英寸(2.31^)且重量为6.58的220臟长的锌线和直径为0.125英寸(3.125^)的70臟的直锌线(锌的总重量为10.知)，以及重量为的95^ 1.1臟的镁板制备。对于4435臟2的总的表面积和12.48的总的阳极重量，锌的总表面积为2288臟2，镁的表面积为2148臟2。这对应于46736库伦的混合物锌-镁阳极(30682库伦的锌和16054库伦的镁)和35.5的阴极与阳极之比。阴极与阳极之比基于给定的钢筋表面积所需的市售8111^80^ 0？ 150阳极的间距，锌表面积约为所推荐的阴极的50%。
[0106]通过使用尼龙拉链带将混合物锌-镁电镀阳极芯样品之一放置在远离钢丝网阴极约1111111处，以隔绝阳极芯与钢丝网的电接触。该样品被指定为混合物-无屏蔽的。
[0107]通过使用4(^宽的丁基橡胶带和双面泡沫胶带的工件，将另一大致相同的锌电镀阳极芯样品与钢丝网阴极隔离，以模拟屏蔽。该样品被指定为混合物-屏蔽的。
[0108]均利用尼龙拉链带将这两个混合物锌-镁阳极芯样品连接至钢丝网阴极，以将阳极固定至阴极钢。
[0109]在将所述4个电镀阳极-阴极样品组装之后，将它们放置在指定的塑料桶中，并用模拟的混凝土孔隙水浸湿沙子。对于第一个24小时，阳极和阴极不接触，从而在阳极-阴极组件周围产生腐蚀性环境。将阳极至阴极的连接线连接，阳极开始为阴极提供保护。
[0110]获得了每个样品的阴极和阳极两者相对于铜/硫酸铜参比电极￠3?的半电池电势和腐蚀电流的测量值。需要将半电池电势与嫩⑶的腐蚀电池中的极化电压相比较。目前的嫩⑶3？0169-2007第61章强调三种阴极保护(⑶)标准，即，(1)-850-相对于施加0？电流的饱和铜/硫酸铜电极，或-850-考虑电压降(1?的通电电位，(2)-85011^断电电位或极化电位，以及(3) 100^极化。
[0111]评估的目的是为了实现钢丝网阴极的部分保护，以在易于发生腐蚀的环境中(即，室温、高湿度和氯化物腐蚀阈值水平之上的氯化物的存在)通过不利的阳极与阴极之比来促进阳极的输出。除半电池电势和腐蚀电流测量之外，还测定了各个阴极-阳极样品的温度、邱值和电阻率。由于腐蚀是电化学反应，提高温度将增加反应的速率(在此情况下为腐蚀电流)。监控1)?值以确保阴极-阳极样品保持碱性，以模拟在其被嵌在修复混凝土中时存在的一般条件。测定电阻率以确保该体系中存在用于腐蚀发生的足够的水分。
[0112]评估结果
[0113]阳极电势
[0114]所有的四个阴极-阳极组件样品均被评估56天以上。若所测得的即时断开电势和连接电势之差? 10011^，则表明充分的牺牲阳极的功效。若来自阴极的即时断开值和连接值之差不存在，则表明预期不利的阴极与阳极表面积之比不允许通过牺牲阳极的优先腐蚀而对阴极提供充分的保护。这些测试的结果绘制在图5-8所示的图表中。
[0115]图8-12为描绘各个测试样品的连接阳极电势和即时断开阳极电势的图表。测量的电势之差较大表明阳极输出较高。图表上的两条线合并而成的间隔为去极化，在所述间隔处，阳极和阴极保持不连接一段时间以测量阳极在断电周期中的恢复，如断电周期可发生在现场安装时的冷冻或干燥条件下。如图表所示，所有的四个原型牺牲阳极(锌-无屏蔽的、锌屏蔽的、混合物锌/镁-无屏蔽的、混合物锌/镁屏蔽的)展示了连接阳极电势和未连接阳极电势之差适合为钢丝网阳极提供保护。应注意的是，锌和混合物锌/镁阳极的屏蔽实施方案显示了未连接阳极电势和连接阳极电势之差较大。
[0116]图13示出短时间尺度内的锌-无屏蔽的、锌屏蔽的、混合物锌/镁-无屏蔽的、混合物锌/镁屏蔽的原型牺牲阳极的阳极电势的对比。
[0117]腐蚀电流
[0118]腐蚀电流是阳极输出的另一指标，并且是电镀金属消耗速率的函数。当腐蚀电流接近0时，阳极停止运行，停止牺牲金属的消耗，而且产生钝化(即，通过牺牲金属表面的氧化产物的不溶性膜的形成或由氧化产物在阳极和阴极之间形成短路)。图14的图表示出了锌-无屏蔽的、锌屏蔽的、混合物锌/镁-无屏蔽的、混合物锌/镁屏蔽的原型牺牲阳极的腐蚀电流的测量值。图15示出了在较短时间内由来自混合物锌/镁阳极的牺牲镁所提供的额外的初始电流。应注意的是，混合物锌/镁屏蔽的阳极展示了略低的电流，但是混合物锌/镁-无屏蔽的阳极持续了较长的时间。
[0119]虽然已结合多种示例性实施方案描述了阳极组件、阴极保护体系和方法，但应理解的是，可采用其他类似的实施方案或对所描述的实施方案进行修改和补充以实现本文中所公开的相同的功能而不背离本公开内容的范围。上述实施方案不一定是相互替代的，可将多种实施方案进行组合以提供预期的特性。因此，阴极保护体系和方法不应局限于任何单一的实施方案，而应按照所附的权利要求书的详述的广度和范围加以理解。
【权利要求】
1.一种阳极体，包含: 至少一个包含牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈； 至少一个电连接至所述螺旋线圈的细长的电导体；以及 包围所述至少一个螺旋线圈的至少一部分和任选地所述至少一个细长的电导体的一部分的包装材料。
2.权利要求1的阳极体，其中所述牺牲金属的电化学活性高于钢。
3.权利要求2的阳极体，其中所述牺牲金属包含镁、锌、铝和/或它们的合金。
4.权利要求1的阳极体，其中所述牺牲金属包含电动金属或金属合金。
5.权利要求1的阳极体，其中所述至少一个细长的电导体螺旋缠绕所述至少一个螺旋线圈的所述纵向轴线的至少一部分。
6.权利要求1的阳极体，进一步包含与螺旋线圈的外表面毗邻的屏蔽。
7.—种阳极体，包括: 包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈； 第二牺牲金属，所述第二牺牲金属的电化学活性低于第一牺牲金属低，其中所述第一牺牲金属和所述第二牺牲金属的电化学活性高于钢； 至少一个电连接至所述第一和第二牺牲金属至少之一的细长的电导体；以及 包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分和任选地所述至少一个细长的电导体的一部分的包装材料。
8.权利要求7的阳极体，其中所述第二牺牲金属包含具有纵向轴线的第二螺旋线圈。
9.权利要求8的阳极体，其中所述第一螺旋线圈与所述第二螺旋线圈交错。
10.权利要求9的阳极体，其中所述至少一个细长的电导体螺旋缠绕所述第一和第二螺旋线圈的所述纵向轴线的至少一部分。
11.权利要求9的阳极体，进一步包含与交错的螺旋线圈的外表面毗邻的屏蔽。
12.权利要求7的阳极体，其中所述第二牺牲金属包含设置为与所述螺旋线圈的外表面毗邻接触的具有纵向轴线的实体。
13.权利要求12的阳极体，其中所述电导体缠绕所述螺旋线圈和所述实体的纵向轴线的至少一部分以固定所述实体至所述螺旋线圈。
14.权利要求7的牺牲阳极体，其中所述第一牺牲金属包含镁或镁合金。
15.权利要求7的牺牲阳极体，其中所述第二牺牲金属包含锌或锌合金。
16.权利要求7的牺牲阳极体，其中所述第一牺牲金属包含镁或镁合金，且所述第二牺牲金属包含锌或锌合金。
17.权利要求13的阳极体，进一步包含与交错的螺旋线圈的外表面毗邻的屏蔽。
18.一种用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，包括: 包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈的阳极体，所述螺旋线圈包含电化学活性高于钢的牺牲金属； 至少一个将所述阳极体电连接至钢筋元件的电导体；以及 包围所述第一和第二牺牲金属的至少一部分和任选地所述至少一个细长的电导体的一部分的包装材料。
19.权利要求18的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述牺牲金属包含镁、锌和丨或它们的合金。
20.权利要求18的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述包装材料为多孔砂浆。
21.权利要求18的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中细长的电导体电连接至所述阳极体并发出于所述包装材料的相对面。
22.权利要求18的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，包含第一牺牲金属和纵向轴线的第一螺旋线圈；和包含第二牺牲金属的第二螺旋线圈，所述第二牺牲金属的电化学活性低于所述第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和所述第二牺牲金属的电化学活性高于钢。
23.权利要求22的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述第一螺旋线圈与所述第二螺旋线圈交错。
24.权利要求23的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述至少一个细长的电导体螺旋缠绕所述第一和第二螺旋线圈的所述纵向轴线的至少一部分。
25.权利要求24的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，进一步包含与交错的螺旋线圈的外表面毗邻的绝缘垫。
26.权利要求25的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述第二牺牲金属包含与所述螺旋线圈的外表面毗邻接触的具有纵向轴线的实体。
27.权利要求18的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，包括:包含第一牺牲金属和纵向轴线的螺旋线圈；和第二牺牲金属的实体，所述第二牺牲金属的电化学活性低于所述第一牺牲金属，其中所述第一牺牲金属和所述第二牺牲金属的电化学活性高于钢。
28.权利要求27的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述第一牺牲金属包含镁或镁合金。
29.权利要求27的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述第二牺牲金属包含锌或锌合金。
30.权利要求27的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，其中所述第一牺牲金属包含镁或镁合金，且第二牺牲金属包含锌或锌合金。
31.权利要求30的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的体系，进一步包含与所述第二牺牲金属的实体的外表面毗邻的绝缘垫。
32.—种用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，包括: 将包含至少一个具有纵向轴线的螺旋线圈的牺牲阳极体电连接至钢筋混凝土结构中的钢筋，所述螺旋线圈包含电化学活性高于钢的牺牲金属，其中所述阳极体至少部分地被包装材料覆盖。
33.权利要求32的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，进一步包括: 将所述阳极插入所述混凝土结构中形成的孔洞中。
34.权利要求33的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，进一步包括: 将所述牺牲阳极体放置为接近所述钢筋。
35.权利要求32的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，其中所述阳极体进一步包含电化学活性低于所述第一牺牲金属的第二牺牲金属。
36.权利要求32的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，其中所述至少一个螺旋线圈包括:包含第一牺牲金属的第一螺旋线圈和包含第二牺牲金属的第二螺旋线圈，所述第二牺牲金属的电化学活性低于所述第一牺牲金属，且其中所述第一牺牲金属和所述第二牺牲金属的电化学活性高于钢。
37.权利要求36的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，其中所述第一牺牲金属和所述第二牺牲金属包含电动金属或金属合金。
38.权利要求37的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，其中所述电动金属包含锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌、铬，及它们的组合或合金。
39.权利要求38的用于减少混凝土结构中的钢筋的腐蚀的方法，进一步包括: 以有效的量提供不同材料的至少两种牺牲金属一一其中一种为镁一一的牺牲阳极，以引起远离所述混凝土结构的所述钢筋的氯离子的迀移。
【文档编号】C23F13/10GK104508188SQ201380040384
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2012年7月30日
【发明者】F·R·古德温 申请人:建筑研究和技术有限公司