專利名稱：采用電滲處理的增強混凝土中鋼的陰極保護的制作方法
技術領域：
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)中的金屬元件進行陰極保護兩種功能結合在一起的系統(tǒng)，而且更特別地，本申請在于保護傳統(tǒng)增強混凝土結構中稱為“鋼筋”的增強混凝土元件。
背景技術：
對抑制混凝土結構中鋼腐蝕的斷續(xù)性或連續(xù)性方法進行了描述。實現(xiàn)這些方法必需的裝置可以在結構建造或現(xiàn)存結構的加固過程中組合到該結構內。該技術中通常使用陰極保護系統(tǒng)，眾所周知，在經受足夠大電流以產生電滲效應的環(huán)境中，電滲作用將改變環(huán)境中離子的濃度。“電滲效應”是指離子在水中沿混凝土結構中固態(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)中的金屬元件進行陰極保護兩種功能結合在一起的系統(tǒng)，而且更特別地，本申請在于保護傳統(tǒng)增強混凝土結構中稱為“鋼筋”的增強混凝土元件。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。在增強元件和混凝土的表面的電解液之間應用電場，以增強元件為負極。氯離子遷移穿過混凝土并與電解液反應或者在陽極被氧化為氯氣而被釋放。陰極保護的實現(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，增強元件作為反應陰極，陽極是惰性的?；炷恋奈廴緦е玛帢O與污染物進行反應，當然鋼發(fā)生氧化。
典型地，增強的鋼結構如橋梁、包括電站在內的建筑、海洋建筑如碼頭、以及新近修建的公路，最好立即應用外加電流進行陰極保護。但是老化之后，由于與周圍氣氛中酸性成分反應而被損壞的內部增強或預應力混凝土結構，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。對老化增強混凝土結構的保護問題與對混凝土結構中新埋入的鋼筋和其它金屬元件的陰極保護明顯不同。
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，以及應用犧牲陽極或外加電流進行陰極保護，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行保護，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用電滲電流以消耗腐蝕性離子，然后在不關斷電滲電流的同時應用外加陰極電流以保護增強元件。
在美國專利4,823,803；4,865,702；5,141,607；5,228,959中已經披露了基本Slater過程的改進。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，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，對處理結果具有不成比例地大的影響。參考文獻并不是說明，對于電滲清除腐蝕性陰離子不需要以增強元件作為陰極，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；參考文獻也并不說明，當混凝土中的增強元件不用作陰極時，使用的直流電相對更低，以及，當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，或者，(b)電滲處理與采用外加電流的陰極保護。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論在這樣的條件下維持陰極保護需要的電流將增大；最終導電率如此低以至于陰極電流的電流密度將是不經濟的并且不得不關斷。因此，增強混凝土經受電滲處理將可能降低用于保持鋼筋的腐蝕保護的能量需求，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，抗腐蝕方法的效率被用作共同參數。在沒有任何保護時“效率”被規(guī)定為0；效率被定義為因保護而未損失的金屬數量除以沒有保護時將損失的金屬的數量，或者[(沒有保護的腐蝕速率)-(有保護時的腐蝕速率)]/(沒有保護的腐蝕速率)。
本說明中使用了下列術語“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行測量。相對于標準氫電極，Ec被記為負。
“Ep”為陰極保護中應用有效外加電流時的電位。
“CD”用于陰極保護的電流密度＝電流除以與混凝土接觸的鋼筋的表面積。
“CP”用于陰極保護的外加電流，在不相同時分別標識。
“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，應用直流電滲電流(EP)，結合陽極(靠近被中性鹽溶液浸濕的增強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，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，隨首先進行的處理之后進行陰極保護，最好在同樣低電位下進行外加陰極電流(CP)陰極保護，陰極保護所要求的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)。而且，盡管電滲處理可以應用混凝土中增強元件作為陰極，但最好是應用混凝土結構外面的陰極；該用作電滲電流(EP)的“外部”陰極并不是混凝土中的增強元件。
因此，本發(fā)明的一般目標就是提供一種與陰極保護系統(tǒng)相結合的電滲處理方法，以保持老化的、被離子污染的混凝土結構基本不被腐蝕，所使用的電流僅僅為保持同樣水平保護時傳統(tǒng)陰極保護系統(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，隨后立即進行陰極保護，并在需要時重復該次序。電滲處理和陰極保護同時應用，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電路，對長時間處于酸性氣氛而被嚴重損害的結構進行順序保護的方法。當直流EP電流的電阻低至允許在36V時大于1000μA/Mcm3的電流流過時，進行電滲處理。當電流降低到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(數字上，盡管相對于氫電極記為負電位)并在大約150mV到小于300mV的范圍內。CP一直維持到電流密度升高到被認為經濟的水平。例如，當電流密度升高到大約300mA/m2，陰極保護的成本通常被認為不經濟；最好在CP的電流密度不高于200mA/m2時進行操作。當被認為不經濟時關斷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用外加電流CP的陰極保護是經濟的。這種轉換順序可以在必要時經常重復，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行確定，不需要進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構的電滲處理和陰極保護，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行，直到電滲電流和外加陰極電流的水平太高而被認為不經濟。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才是充分的陰極保護所必要的。


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行的詳細描述得到最好地理解，其中同樣的參考標號表示同樣的元件，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)陰極保護系統(tǒng)，犧牲陽極被埋在混凝土結構以外的地方。
圖1(c)示意說明使用埋在混凝土結構中多個犧牲陽極的傳統(tǒng)陰極保護系統(tǒng)。
圖2示意說明使用鋼筋增強混凝土試樣進行試驗操作的容器。
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
當酸、堿或鹽溶解在水中或者其它分離溶劑中，被溶解物質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，相當數量的離子帶負電荷，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構中，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”嚴重污染的混凝土使有效的。
與電滲處理一起，外加陰極保護現(xiàn)在被用于從增強混凝土主體中清除腐蝕性物質如氯化物、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，這依賴于污染的程度；污染越嚴重，電流越高。當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構中并與鋼筋實行電連結；或者使用鍍鋅鋼筋；在任一種方式中，所需陽極的質量為該時期內金屬發(fā)生溶解的量，金屬的這個量為流經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進行保護，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，比如100年，需要犧牲陽極的質量很大。而且，周期性陽極替換以提供持續(xù)保護是很不方便的，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，結構的使用壽命不受限于鋼增強體的腐蝕。
在陰極保護中，外加電流流動經過陽極到電解液然后到結構中的鋼筋。這種以鋼筋作為陰極的保護，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，當外加電流達到200μA時，關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)時的腐蝕速率為大約450μm/yr；當電流密度為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，增強混凝土柱1中的鋼筋2和外部陽極3被連結到控制系統(tǒng)7；外部陰極6也連結到控制系統(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，新的腐蝕保護系統(tǒng)用于被酸性污染物嚴重損害的老化結構。進行電滲處理，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到合格水平；然后關斷電流。緊隨其后，在少于6個月內更好，最好在不超過1個月之內，以被認為經濟的電流密度采用外加電流進行陰極保護，而且外加電流一直維持到污染物的形成被認為有害時止。隨后，重新進行電滲處理。
對新建筑物使用時，最好使用外加電流陰極保護直到污染物的構成被認為有害時為止。緊隨其后，在少于6個月內更好，進行電滲處理，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同時進行，包括，將第一陰極負極性地連結電位源，該電位具有足夠的電負性以供給上述混凝土中離子進行電滲，第一陰極放置在上述混凝土結構的外部附近；維持離子從上述混凝土中電滲轉移，直到上述混凝土的導電率降低到使電流密度達到大約200mA/m2或更??；將鋼筋負極性地連結到負電位源，該負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定的范圍；將上述電位源的陽極連結到靠近上述鋼筋放置的陽極上；而且，以數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生響應，以提供如鋼筋的腐蝕電位、混凝土的pH值和在結構種的不同位置鹽的濃度等數據。
一種用于維持鋼筋增強混凝土結構基本免于鋼筋腐蝕的系統(tǒng)，包括，混凝土，其中柵格內鋼筋互相電連結；響應可編程控制裝置的外部電源，數據從按串聯(lián)關系連結的傳感裝置傳輸到可編程控制裝置，響應外部電源、傳感裝置；用于外部電源正極性地連結到靠近上述鋼筋放置的陽極上的裝置；用于將第一陰極負極性地連結到外部電源的裝置，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)模式進行操作，圖3(a)中說明的系統(tǒng)操作如下電源5被連結到埋在混凝土柱1附近泥土中的陰極6上，并且也連結到不可溶解的陽極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期間，使用參考電極跟蹤鋼筋的腐蝕電位(Ec)。
當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，并連結鋼筋2到電源5的負極。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。
為了應用犧牲陽極連續(xù)操作，控制系統(tǒng)7的負極被連結到埋在混凝土柱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EP電流足夠低時，關斷EP。然后將鋼筋連結到控制系統(tǒng)7中的負極端，陰極保護由犧牲陽極3提供。和前面一樣，需要時可以重復該次序。
應用外加電流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)，在陰極保護電路在鋼筋和陽極之間提供電連結的同時，維持電滲電流EP。當外加電流CP和EP聯(lián)合使用時，兩個單獨電路在pH值中性的介質中同時運行。
每個經編號的試樣為直徑10cm、高度20cm的增強混凝土圓柱，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點的頂頭，以減小由于在試驗室內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，這種損害通常在數十年的周期內達到，所有的試樣在有侵蝕性合成氣氛的試驗室內進行30天周期的預處理。試驗室內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的濃度進行測試，典型地每2hr。根據試樣的表面積計算出Cl-離子的濃度并在30天內保持恒定。通過測量每個試樣中pH值隨時間變化對試驗室內老化的影響進行評定，其中發(fā)現(xiàn)在如下面的表1中列出的每個周期內，試樣與試樣之間，顯示的pH值范圍不同。
表1

然后在指定的保護條件下，通過浸入電解液中，對試樣進行測試以確定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的不導電的塑料容器10，增強混凝土試驗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)并連結到電源13的負極端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。陽極14和14’懸掛在試樣兩邊的電解液中并連結到電源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，連結到電源的負極端。每對接線端為用于不同目的的電路(一個用于陰極保護，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，將它斷開然后進行外加電流陰極保護，直到電流密度升高到被認為不經濟的水平；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是對比標準氫電極而記錄的。
在第一系列試驗中，在容器10中經過10天、140天和180天后對電解液對試樣的腐蝕效果進行了測試，其中沒有對每個試樣浸入的鹽電解液EL-1產生的腐蝕作用進行保護；每天測量Ec值。在指定的周期(比如10天)結束后，取出一個試樣，充分進行破碎以取出鋼筋，然后清理鋼筋以去除所有粘附的混凝土和銹，進行腐蝕效果測量。接下來對清潔后的鋼筋進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。
結果列于下面的表2中表2-沒有保護時的腐蝕速率


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平均為220μm/year的恒定速率。
效率被定義為沒有保護時為0。
在第二系列試驗中，為了測試電滲電流產生電滲處理的作用，每個新的經預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。結果列于下面的表3中表3-應用EP電流、沒有陰極保護時的腐蝕速率

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，該電流范圍內腐蝕速率為45μm/yr。顯然經過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)陰極保護的作用，每個新的預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毫伏)開啟外加陰極電離CP，以為鋼筋提供陰極保護。給出的Ec和Ep是180天之后測得的值。結果列于下面的表4中表4-有陰極保護時的腐蝕速率

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。當電流為2倍(電流以因數2增加的消耗)時關斷陰極保護電流CP。該CP電流升高水平是基于經濟考慮隨意確定的；其中電流的成本低，因數選擇可以為3或者更高。仍然經濟的相對高的電流(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，它相當于大約50年。因為沒有保護時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有令人吃驚的效果，進行了第四系列試驗。在第四系列試驗中，為了測試僅僅經過10天EP電流離子清除之后陰極保護的效果，試樣經受如第二系列試驗中一樣的36V下電滲電流。
在試樣經過10天部分去除腐蝕性離子之后關斷EP，然后試樣經受180天的陰極保護外加電流。使用參考電極測量該期間的腐蝕電位Ec。結果列于下面的表5中
表5-EP處理10天之后有陰極保護時的腐蝕速率

現(xiàn)在可以看到，通過電滲處理從預處理混凝土中進行初始離子“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，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的外加電流密度進行陰極保護，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，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，為結構的表面提供中性的電解液；在結構中的鋼和靠近結構外表面放置的電極之間應用第一直流電流，以使離子向電極遷移，直到電流恒定；關斷第一直流電流；應用外加陰極電流，直到電流升高到不經濟的水平，重復第一步。該次序可以重復任意長時間。顯然，從初始短時間的電滲處理開始，隨后進行外加電流陰極保護(直到電流為2倍)，應用這樣的循環(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，污染的試樣首先經受36V的EP電流，直到達到表明混凝土中腐蝕性離子主要部分已經被清除出混凝土的水平。然后，代替在開啟CP電流之前關斷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達到100μA和50μA)時，提供數據。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，同時應用EP和CP電流提供與相繼應用所獲得的腐蝕速率幾乎相同或更低，并且電流密度更低。
前述鋼增強混凝土結構的處理方法包括，對結構的表面供給中性電解液，在結構中的鋼和靠近結構外表面放置的電極之間應用第一直流電流，以使離子向電極遷移，而且，同時應用外加陰極電流。
該系統(tǒng)包括，混凝土主體，其中鋼元件互相電連結；。結構外面的陽極，相對于鋼最近放置并連結到外部電源。第一陰極也連結到外部電源，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。鋼負極性地連結到外部電源上，該電源所測得的穩(wěn)定電位具有足夠的電負性以增加鋼筋的陰極電位到預定的范圍內；以及，電源在低于上述鋼筋腐蝕電位、從50mV到小于300mV的電位范圍內維持外加電流。
通過對比為新系統(tǒng)運行提供極好保護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)在都是經濟上不切實際的)以獲得相當保護的傳統(tǒng)陰極保護，圖示說明了應用本發(fā)明的系統(tǒng)在經濟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的腐蝕速率。
權利要求
1.一種處理鋼增強混凝土結構的方法，包括，(a)為結構的表面提供基本中性的電解液，(b)在結構中的鋼和靠近結構外表面放置的電極之間應用第一直流電流，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)應用外加陰極電流，直到電流升高到不經濟的水平，以及，(e)重復步驟(a)。
2.根據權利要求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.根據權利要求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。
4.一種處理鋼增強混凝土結構的方法，包括，向結構的表面提供基本中性的電解液，在結構中的鋼和靠近結構外表面放置的電極之間應用第一直流電流，以使離子向電極遷移，并且同時應用外加陰極電流。
5.一種用于維持鋼元件增強混凝土結構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；響應可編程控制裝置的外部電源，數據從按串聯(lián)關系連結的傳感裝置傳輸到可編程控制裝置，可編程控制裝置響應外部電源和傳感裝置；用于將外部電源正極性地連結到相對于鋼元件靠近放置的陽極上的裝置；用于將第一陰極負極性地連結到外部電源的裝置，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；用于將鋼元件負極性地連結到外部電源的裝置，該電源相對于測得的穩(wěn)定電位具有足夠的電負性以抑制鋼的陰極電位在預定的范圍內；以及，用于維持負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有限責任公司