BR112014029254B1 - Ânodo galvânico, sistema e método para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto - Google Patents
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Abstract
corpo de ânodo, corpo de ânodo sacrificial, sistema e método para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto. são providos um ânodo galvânico sacrificial, uma montagem anódica incluindo o ânodo sacrificial e um método de se proteger da corrosão, catodicamente, reforço de concreto em estruturas de concreto. o ânodo galvânico sacrificial compreende pelo menos uma bobina helicoidal de metal sacrificial. o ânodo galvânico é facilmente fabricável e ocupa um volume mínimo no interior de uma estrutura de concreto reforçada com aço enquanto provê uma área de superfície máxima para corrosão sacrificial.
Description
[0001] A corrosão é um fenômeno naturalmente ocorrente comumente definido como a deterioração de uma substância (normalmente um metal) ou suas propriedades como resultado de uma reação com seu ambiente. Como outros perigos naturais, tais como terremotos ou distúrbios metereológicos graves, a corrosão pode causar danos perigosos e caros a tudo, desde veículos a utensílios domésticos, passando por sistemas de tratamento de águas residuais, encanamentos, pontes, estradas e construções públicas. Diferentemente de desastres relacionados às condições climáticas, entretanto, há métodos comprovados pelo uso de prevenção e controle da corrosão que podem reduzir ou eliminar seu impacto na segurança pública, na economia e no meio ambiente.
[0002] O estudo de custos da corrosão de 2001, patrocinado pela Administração Federal de Autoestradas dos Estados Unidos, "Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States," determinou que o custo anual direto da corrosão é de impressionantes $276 bilhões de dólares. O estudo cobriu um grande número de setores econômicos, incluindo a infraestrutura de transporte e a indústria de fornecimento e armazenamento de energia elétrica.
[0003] O custo indireto da corrosão foi estimado conservadoramente como igual ao custo direto, dando um custo total direto mais indireto de mais que $600 bilhões, ou 6 por cento de GDP. Este custo é considerado como uma estimativa conservadora, uma vez que apenas custos bem documentados foram usados no estudo. Além de causar danos graves e ameaças à segurança pública, a corrosão perturba operações e requer reparo e substituição extensivos de bens estragados.
[0004] A Administração Federal de Autoestradas dos Estados Unidos avaliou quase 2.000 pontes, ou uma em cada três pontes nos Estados Unidos, como estruturalmente deficiente ou funcionalmente obsoleta. Além disso, mais de um quarto de todas as pontes têm mais que 50 anos, a vida projetada média de uma ponte.
[0005] A infraestrutura de estradas e pontes nos Estados Unidos está desmoronando, com milhares de pontes avaliadas como inseguras e em necessidade de substituição ou grandes reparos. Em muitos desses casos, a corrosão tem participação significativa no comprometimento da segurança. Medidas de proteção contra a corrosão podem ajudar a minimizar ou evitar problemas adicionais. Percorrem-se etapas para abordar a infraestrutura em processo de envelhecimento da América. Por exemplo, House bill H.R. 1682, a "Bridge Life ExtensionAct 2009," apresentada em maio de 2009, tornaria necessário aos estados submeter um plano para a prevenção e mitigação de danos causados pela corrosão quando se busca verba federal para construir uma nova ponte ou reabilitar uma ponte existente.
[0006] Muitas estruturas reforçadas de concreto sofrem de degradação prematura. Reforço de aço com concreto embutido é inicialmente protegido de corrosão pelo desenvolvimento de uma película de óxido estável em sua superfície. Essa película, ou camada de passivação, é formada por uma reação química entre a água de poro de concreto altamente alcalina e o aço. A passividade provida pelas condições alcalinas pode ser destruída pela presença de cloreto. Os íons cloreto despassivam localmente o metal e promovem dissolução de metal ativa. A corrosão do aço é normalmente negligenciável até que os íons cloreto alcancem uma concentração em que se inicie a corrosão. A concentração-limite depende de diversos fatores, incluindo, por exemplo, o microambiente do aço, o pH de solução do poro, a interferência de outros íons na solução de poro, o potencial elétrico do aço de reforço, a concentração de oxigênio e a mobilidade iônica. O cloreto age como um catalisador em que não é consumido na reação de corrosão, mas permanece ativo para participar novamente na reação de corrosão.
[0007] Danos a estruturas de concreto reforçadas são causados primariamente pela permeação de íons cloreto pelo concreto para a área que envolve o reforço de aço. Há diversas fontes de cloretos, incluindo adições a misturas de concreto, tais como admisturas aceleradoras que contêm cloreto. O cloreto também pode estar presente no ambiente da estrutura, tais como condições marinhas ou sais degelantes. A presença de cloreto não surte efeito diretamente adverso no concreto em si, mas promove a corrosão do reforço de aço. Os produtos de corrosão que se formam no reforço de aço ocupam mais espaço que o reforço de aço, fazendo com que seja exercida pressão sobre o concreto a partir de dentro. A pressão interna aumenta ao longo do tempo e ocasionalmente leva à fissuração e fragmentação do concreto. A corrosão do reforço de aço também reduz a força do aço de reforço e diminui a capacidade de suporte de carga da estrutura de concreto.
[0008] Outros fatores além da concentração de íons cloreto afetam a taxa de corrosão do aço, incluindo o pH, a disponibilidade de oxigênio e o potencial elétrico do aço, bem como a resistência do concreto ao redor. Esses fatores interagem de modo que uma limitação em um não evita necessariamente a corrosão, e níveis que se aproximam do limiar dos níveis de um entrarão em sinergia com outro para possibilitar a corrosão. Por exemplo, mesmo com um alto nível de cloreto se oxigênio insuficiente estiver disponível, não haverá corrosão. À medida que cai o pH, o limiar de cloreto para a corrosão se torna mais baixo. Em concreto de resistividade muito alta, não apenas a carbonação e o ingresso de cloreto se tornam mais lentos, mas a reação de corrosão é diminuída devido à dificuldade aumentada de fluxo de íons. A temperatura também está envolvida na atividade de corrosão, assim como qualquer outra reação química.
[0009] A proteção catódica do reforço de aço em concreto é um método aceitado de se prover a proteção de corrosão para o metal, especialmente onde íons cloreto estão presentes como concentrações significativas no concreto. A proteção catódica envolve a formação de um circuito com o aço de reforço que age como um cátodo que é eletricamente conectado a um ânodo. Quando existe uma diferença de potencial suficientemente grande, a corrosão do cátodo é reduzida ou evitada.
[00010] Sabe-se que cria uma diferença potencial entre um ânodo e um cátodo tanto por meio de proteção de corrente catódica impressa quanto por meio de uma célula galvânica. A proteção de corrente catódica impressa envolve o uso de um ânodo e uma corrente elétrica aplicada empregando-se um suprimento externo de energia DC ou uma fonte de energia externa AC. O suprimento de energia apresenta desafios em termos de confiabilidade e custos associados a consumo de energia contínuos, e requerimentos de consumo, monitoramento, controle e manutenção.
[00011] O controle da corrente para sistemas de proteção catódica de corrente impressa é um grande desafio. A quantidade de energia suprida, seja em corrente constante ou ICCP de voltagem, muda conforme a temperatura, o conteúdo de umidade, a exposição de cloreto e a mudança de pH e pode ser ajustada por meio de diferentes zonas a fim de evitar a superproteção (fragilização de hidrogênio, formação de ácido etc.) ou subproteção (corrosão).
[00012] A proteção também pode ser provida por meio de uma célula galvânica em que o potencial surge como resultado de diferentes materiais formando um ânodo sacrificial e um cátodo. A proteção catódica sacrificial ocorre quando um metal é acoplado a um metal mais reativo ou mais anódico. O ânodo consiste de um metal sacrificial capaz de prover corrente protetora sem o uso de uma fonte de energia, uma vez que as reações que ocorrem durante seu uso são termodinamicamente favorecidas. Desvantagens de sistemas de ânodos sacrificiais incluem corrente de proteção limitada e vida limitada. ânodos sacrificiais são sujeitos a corrosão contínua ou consumo do metal galvânico, e geralmente necessitam de substituição em algum ponto, dependendo do grau da corrosão.
[00013] Uma vez que a corrosão de estruturas de concreto de aço reforçado apresenta perigos à vida humana e é de reparo muito custoso, sistemas e métodos melhorados para satisfazer a necessidade de implementação de novas tecnologias anticorrosão e proteger infraestrutura para gerações futuras são necessários.
[00014] FIG. 1 é uma vista seccional cruzada de uma realização ilustrativa do sistema de proteção catódica galvânico.
[00015] FIG. 2 mostra um local de reparos em um artigo de concreto reforçado com uma realização ilustrativa de um ânodo sacrificial embutido no mesmo.
[00016] FIG. 3A é uma vista em perspectiva de uma realização ilustrativa do ânodo galvânico.
[00017] FIG. 3B é uma vista explodida de uma realização ilustrativa do ânodo galvânico.
[00018] FIG. 4A é uma vista em perspectiva de uma realização ilustrativa do ânodo galvânico.
[00019] FIG. 4B é uma vista em perspectiva de uma realização ilustrativa do ânodo galvânico.
[00020] FIG. 5 é um gráfico que ilustra a diferença entre o potencial conectado e as medições instantâneas pontuais para uma montagem de cátodo- ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial não blindado por zinco.
[00021] FIG. 6 é um gráfico que ilustra a diferença entre o potencial conectado e as medições instantâneas pontuais para uma montagem de cátodo- ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial blindado por zinco.
[00022] FIG. 7 é um gráfico que ilustra a diferença entre o potencial conectado e as medições instantâneas pontuais para uma montagem de cátodo- ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial não blindado pelo híbrido zinco/magnésio.
[00023] FIG. 8 é um gráfico que ilustra a diferença entre o potencial conectado e as medições instantâneas pontuais para uma montagem de cátodo- ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial blindado pelo híbrido zinco/magnésio.
[00024] FIG. 9 é um gráfico que ilustra a diferença entre o potencial de ânodo não conectado e conectado para uma montagem de cátodo-ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial não blindado por zinco.
[00025] FIG. 10 é um gráfico que ilustra a diferença entre as medições de potencial de ânodo não conectado e conectado para uma montagem de cátodo-ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial blindado por zinco.
[00026] FIG. 11 é um gráfico que ilustra a diferença entre as medições de potencial de ânodo não conectado e conectado para uma montagem de cátodo-ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial não blindado pelo híbrido zinco/magnésio.
[00027] FIG. 12 é um gráfico que ilustra a diferença entre as medições de potencial de ânodo não conectado e conectado para uma montagem de cátodo-ânodo ilustrativa que incorpora o ânodo sacrificial blindado pelo híbrido zinco/magnésio.
[00028] FIG. 13 é um gráfico que ilustra uma comparação se os potenciais anódicos entre as espécimes de ânodo com uma escala de tempo reduzida.
[00029] FIG. 14 é um gráfico que ilustra uma comparação das correntes de corrosão para os ânodos sacrificiais prototípicos avaliados.
[00030] FIG. 15 é um gráfico que ilustra uma comparação das correntes de corrosão para os ânodos sacrificiais prototípicos avaliados com uma escala de tempo reduzida.
[00031] Deve-se notar que os intervalos nos gráficos representam despolarizações-desconexão do ânodo e do cátodo para determinar a quantia de polarização e se o sistema de ânodo retorna à função após algum tempo desconectado.
[00032] São providos um ânodo galvânico, um sistema de ânodos galvânicos e um método para a proteção catódica do aço de reforço em uma estrutura de concreto reforçada com aço. De acordo com determinadas realizações ilustrativas, o corpo do ânodo sacrificial compreende (a) pelo menos uma bobina helicoidal compreendendo um metal sacrificial possuidor de um eixo longitudinal, e (b) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado à bobina helicoidal, e (c) um material invólucro ao redor de pelo menos uma porção da bobina helicoidal e uma porção do pelo menos um condutor elétrico alongado, em que uma porção do pelo menos um condutor elétrico alongado emana do material do invólucro.
[00033] De acordo com determinadas realizações ilustrativas, o corpo de ânodo sacrificial compreende (a) a pelo menos uma bobina helicoidal compreendendo um metal sacrificial possuidor de um eixo longitudinal e (b) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado à bobina helicoidal, e (c) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção da bobina helicoidal.
[00034] De acordo com outras realizações, um corpo de ânodo sacrificial compreende (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo materiais sacrificiais e uma porção do pelo menos um condutor elétrico alongado, em que uma porção de dito pelo menos um condutor elétrico alongado emana do material de invólucro.
[00035] De acordo com outras realizações, um corpo de ânodo sacrificial compreende (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo metais sacrificiais.
[00036] De acordo com realizações adicionais, um sistema para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço compreende (a) um corpo de ânodo compreendendo pelo menos uma bobina helicoidal possuidora de um eixo longitudinal, a bobina helicoidal compreendendo um metal sacrificial mais eletroquimicamente ativo que aço, (b) a pelo menos uma bobina helicoidal pelo menos parcialmente coberta com um material de invólucro e (c) pelo menos um condutor elétrico conectando eletricamente o corpo de ânodo a (d) um elemento de reforço de aço.
[00037] De acordo com realizações adicionais, um sistema para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço compreende (a) um corpo de ânodo compreendendo pelo menos uma bobina helicoidal possuidora de um eixo longitudinal, a bobina helicoidal compreendendo um metal sacrificial mais eletroquimicamente ativo que aço, (b) pelo menos um condutor elétrico eletricamente conectado ao corpo de ânodo, (c) a pelo menos uma bobina helicoidal e o pelo menos condutor elétrico pelo menos parcialmente coberto com um material de invólucro e (d) o pelo menos um condutor elétrico conectando eletricamente a pelo menos uma bobina helicoidal a um elemento de reforço de aço localizado na estrutura de concreto.
[00038] De acordo com outras realizações, o sistema para reduzir a corrosão do reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço compreende (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo metais sacrificiais.
[00039] De acordo com outras realizações, o sistema para reduzir a corrosão do reforço de aço em uma estrutura de concreto com reforço de aço compreende (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo metais sacrificiais e pelo menos uma porção do pelo menos um condutor elétrico.
[00040] De acordo com realizações ilustrativas adicionais, um método para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço compreende conectar eletricamente um corpo de ânodo sacrificial compreendendo pelo menos uma bobina helicoidal possuidora de um eixo longitudinal, a bobina helicoidal compreendendo um metal sacrificial, em que o corpo de ânodo é pelo menos parcialmente coberto em um metal de invólucro, ao reforço de aço em uma estrutura de concreto com reforço de aço.
[00041] De acordo com outras realizações ilustrativas, um método para reduzir a corrosão do reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço compreende conectar eletricamente um corpo de ânodo sacrificial compreendendo (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo metais sacrificiais.
[00042] De acordo com outras realizações ilustrativas, o método para reduzir a corrosão do reforço de aço em uma estrutura de concreto com reforço de aço compreende conectar eletricamente um corpo de ânodo sacrificial que compreende (a) uma bobina helicoidal compreendendo um primeiro metal sacrificial e um eixo longitudinal e (b) um segundo metal sacrificial, dito segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial, em que dito primeiro metal sacrificial e o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que aço, (c) pelo menos um condutor elétrico alongado eletricamente conectado a pelo menos um dos primeiro e segundo metais sacrificiais e (d) um material de invólucro que cerca pelo menos uma porção de ditos primeiro e segundo metais sacrificiais e pelo menos uma porção do pelo menos um condutor elétrico.
[00043] De acordo com determinadas realizações, o corpo de ânodo inclui um primeiro metal sacrificial e um segundo metal sacrificial, em que tanto o primeiro como o segundo metal sacrificial são mais eletroquimicamente ativos que o reforço de aço embutido na estrutura de concreto. O primeiro metal sacrificial é mais eletroquimicamente ativo comparado ao segundo metal sacrificial. O acúmulo do produto de oxidação do primeiro metal mais eletroquimicamente ativo (se não absorvido ou solúvel) pode melhorar ainda mais a distribuição de carga da corrosão do segundo metal menos eletroquimicamente ativo isolando ainda mais o caminho direto de condução do segundo metal ao caminho iônico de um modo semelhante à camada isolante ou espaçadora. Assim, os produtos de oxidação de magnésio podem tender a aumentar a eficácia geral do espaçador isolante. Os produtos expansivos da oxidação de magnésio também podem ser aliviados entre o aço de reforço e o ânodo para dentro do adesivo compressível do espaçador isolante em vez de gerar forças expansivas que poderiam resultar na fissuração da argamassa de reparo ao redor ou da estrutura de concreto.
[00044] A proteção catódica pode ser aplicada para controlar a corrosão de aço embutido na estrutura de concreto reforçada. O sistema de proteção catódica da presente invenção opera para formar uma diferença eletrolítica potencial entre um ânodo e o reforço de aço. A diferença faz com que a corrente flua por meio de uma conexão elétrica e íons fluam pelo concreto e/ou material de invólucro em volume suficiente para evitar ou reduzir a corrosão do reforço de aço enquanto causa corrosão do ânodo.
[00045] A proteção catódica evita a corrosão do reforço de aço no concreto convertendo os locais anódicos ou ativos na superfície do metal em locais catódicos ou passivos.
[00046] A proteção catódica sacrificial também pode ser provida por meio de uma célula galvânica em que o potencial surge como resultado dos diferentes materiais formando um ânodo sacrificial e um cátodo. O corpo do ânodo é formado a partir de um material sacrificial que se corrói em vez do material de aço sem necessitar de uma corrente impressa. Isso é referido como um sistema sacrificial, uma vez que o ânodo galvânico é sacrificado para proteger o aço estrutural de corrosão. O ânodo sacrificial compreende uma peça de metal corrosível ou sacrificial eletricamente conectado à superfície metálica a fim de ser protegido, e que é preferencialmente consumido por ação eletrolítica.
[00047] De acordo com determinadas realizações, a montagem de ânodo sacrificial da presente invenção provê locais para reações anódicas acontecerem em substituição ao aço de reforço. Consequentemente, enquanto o sistema galvânico está em serviço, o ânodo, em vez do aço de reforço, degradará.
[00048] De acordo com aspectos da presente invenção, provê-se um sistema galvânico em que o corpo de ânodo é formado a partir de pelo menos uma bobina helicoidal que possui um eixo longitudinal, e é feito de um metal sacrificial. O metal sacrificial se corrói em vez do aço, sem a provisão ou uso de uma corrente impressa. O corpo de ânodo pode ser pelo menos parcialmente coberto por um material de invólucro. Os condutores de metal alongado são eletricamente conectados ao corpo de ânodo e emanam do material de invólucro para conectar eletricamente o corpo de ânodo ao aço de reforço que está embutido no concreto.
[00049] A presente invenção supera as desvantagens de ânodos galvânicos conhecidos que são volumosos e ocupam uma quantia comparativamente grande de espaço em aplicações de reparo de concreto. Em um esforço para minimizar o espaço de reparo necessário em concreto com reforço de aço firmemente congestionado, muitos ânodos galvânicos conhecidos reduzem a quantia de metal sacrificial no ânodo. Reduzir a quantia de metal sacrificial diminui a área de superfície do ânodo sacrificial, limitando assim a eficácia do ânodo.
[00050] O corpo de ânodo compreendendo uma bobina helicoidal de metal sacrificial da presente invenção satisfaz os objetivos de competição de prover uma quantia eficaz de metal sacrificial e manter um volume de reparo menor provendo uma área de superfície aumentada. O presente ânodo galvânico ocupa um volume mínimo dentro de uma estrutura de concreto reforçada com aço enquanto oferece uma área de superfície máxima para que a corrosão sacrificial produza alta atividade galvânica e desempenho robusto quando embutida.
[00051] De acordo com determinadas realizações ilustrativas do corpo de ânodo, a quantia de metal sacrificial presente em um dado volume pode ser aumentada, por exemplo, diminuindo-se o espaçamento entre laços individuais da bobina helicoidal do metal sacrificial ou interfolhando duas ou mais bobinas juntas. As bobinas helicoidais interfolhadas podem compreender o mesmo metal sacrificial, por exemplo, zinco ou ligas de zinco. As bobinas interfolhadas podem compreender diferentes metais sacrificiais, por exemplo, uma primeira bobina helicoidal pode compreender zinco ou ligas do mesmo, e uma segunda bobina helicoidal pode compreender magnésio ou ligas do mesmo.
[00052] Em outras realizações ilustrativas do corpo de ânodo, a quantia de metal sacrificial presente em um dado volume pode ser aumentada, por exemplo, incluindo uma massa sólida de metal sacrificial dentro de uma bobina elétrica de metal sacrificial ou dentro de boninas helicoidais de metal sacrificial interfolhadas. Em uma realização, a massa sólida de metal sacrificial é apropriadamente projetada para caber dentro ou em torno da bobina ou das bobinas helicoidais. A massa dos sólidos de metal sacrificial tem uma largura que pode ser a mesma que a largura da bobina helicoidal, ou pode ser ligeiramente mais curta ou ligeiramente mais longa. De acordo com determinadas realizações, a massa sólida do segundo metal sacrificial, tal como magnésio, é curvada ao redor de uma porção da superfície externa da bobina helicoidal. Enquanto o segundo metal sacrificial se oxida, o produto de oxidação pode ser absorvido pelo espaçador que é posicionado entre o segundo metal sacrificial e o cátodo (isto é, o reforço de aço). A massa sólida de metal sacrificial tem uma largura que é ligeiramente menor que o diâmetro interno ou ligeiramente maior que o diâmetro externo da bobina elétrica, a fim de permitir que a massa sólida seja posicionada dentro da bobina ou formada ao redor da superfície externa de uma porção da bobina helicoidal. A massa sólida pode compreender o mesmo metal sacrificial que a bobina ou as bobinas helicoidais ou cada uma das bobinas e o sólido pode compreender diferentes metais sacrificiais.
[00053] Pelo menos um condutor elétrico alongado conecta eletricamente o corpo de ânodo ao reforço de aço em uma estrutura de concreto reforçada com aço. O condutor elétrico alongado pode ser enrolado ou envolto ao redor de uma porção do eixo longitudinal do corpo de ânodo, provendo diversos pontos de conexão físicos e elétricos entre o corpo de ânodo galvânico e o reforço de aço. Por exemplo, e não em limitação, um laço de fio de aço pode ser enrolado ou envolto ao redor da bobina helicoidal de metal sacrificial e envolto ao redor do reforço de aço. O condutor elétrico pode ser envolto ao redor da bobina helicoidal de metal sacrificial ao longo de uma porção da extensão da bobina helicoidal de metal sacrificial. Alternativamente, o condutor elétrico pode ser envolto ao redor da bobina helicoidal de metal sacrificial ao longo de toda a extensão da bobina helicoidal. Os múltiplos pontos de contato elétrico proveem uma conexão segura que facilita a produção de uma distribuição de carga uniforme e evita a formação de produto de corrosão entre o conector elétrico alongado e a bobina helicoidal de metal sacrificial.
[00054] Configurações de laço de fio incluem a moldagem de um metal sacrificial em torno de um laço de fio de aço e atrelamento mecânico do metal sacrificial a um laço de fio com parafusos ou rebites. Os presentes conectores elétricos alongados podem ser enrolados ou envoltos ao redor do corpo de ânodo provendo múltiplos pontos de conexão física e elétrica entre o corpo de ânodo galvânico e o reforço de aço sem o uso de parafusos, rebites ou outros fixadores mecânicos. A invenção atual supera as desvantagens de métodos de ligação de laços de fio conhecidos provendo, por exemplo, uma ligação multipontos segura facilmente construída.
[00055] De acordo com determinadas realizações, provê-se que um sistema de ânodo galvânico no qual o corpo de ânodo é formado a partir de pelo menos dois metais sacrificiais, que se corroem em relação ao aço, sem a provisão ou uso de uma corrente impressa. O corpo de ânodo pode compreender uma primeira bobina elétrica e uma segunda bobina elétrica. O corpo de ânodo pode ser pelo menos parcialmente coberto por um material de invólucro. Em algumas realizações, os condutores de metal alongado podem ser eletricamente conectados ao corpo de ânodo e emanam do material de invólucro para conectar eletricamente o corpo de ânodo ao aço de reforço embutido no concreto.
[00056] Em outras realizações ilustrativas, provê-se uma montagem ou corpo de ânodo de ação dual em que um metal sacrificial mais eletroquimicamente ativo pode estabelecer alta atividade inicial para criar um ambiente alcalino sem cloretos na vizinhança do aço de reforço atrelado. Este estágio inicial de alta atividade pode ser seguido por proteção a longo prazo utilizando-se o metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo seguido do consumo ou passivação do primeiro metal mais eletroquimicamente ativo.
[00057] Em uma realização, um primeiro metal sacrificial pode ser atrelado a um segundo metal sacrificial menos eletroquimicamente ativo. O primeiro metal sacrificial, mais ativo, pode prover uma corrente galvânica inicialmente mais alta para iniciar a reação anódica. O segundo metal sacrificial, menos eletroquimicamente ativo, pode prover corrente suficiente para proteger adequadamente o aço de reforço ao longo de um período de tempo maior. A montagem de ânodo da presente invenção pode compreender combinações de metais sacrificiais tais como magnésio, zinco, alumínio, ligas dos mesmos e semelhantes.
[00058] De acordo com uma realização, a montagem de ânodo pode compreender uma primeira bobina elétrica compreendendo um primeiro metal sacrificial e uma segunda bobina elétrica compreendendo um segundo metal sacrificial. As primeira e segunda bobinas helicoidais podem ser interfolhadas uma à outra de modo a ocupar aproximadamente o espaço de uma única bobina. A forma de bobina helicoidal aumenta a área de superfície do material de ânodo, aumentando assim a eficiência do ânodo.
[00059] Em algumas realizações, a montagem de ânodo pode compreender uma bobina helicoidal, um primeiro metal sacrificial e um segundo metal sacrificial compreendendo uma massa sólida, por exemplo, um espaçador, uma lavadora, um cilindro, um fio, uma barra, um disco ou uma faixa. Uma primeira bobina helicoidal de metal sacrificial pode ser enrolada em volta de um segundo metal sacrificial de modo que o primeiro sacrificial pelo menos parcialmente cerque o segundo metal sacrificial. Por exemplo, uma bobina helicoidal de zinco pode ser enrolada em torno de uma faixa de magnésio ou um fio de magnésio. Um ou mais conectores elétricos alongados podem ser enrolados ou envoltos em torno dos metais sacrificiais.
[00060] Em uma realização, uma primeira bobina helicoidal de metal sacrificial pode ser colocada adjacente a um segundo metal sacrificial e então envolta com um conector elétrico de aço alongado. Por exemplo, uma bobina helicoidal de zinco pode ser posicionada adjacente a, e em contato com uma faixa de magnésio. Um ou mais conectores elétricos alongados podem ser enrolados ou envoltos em contato elétrico com a bobina helicoidal e a faixa de magnésio.
[00061] Em outra realização, o primeiro metal sacrificial pode compreender magnésio. O magnésio reage rapidamente, causando uma intensidade de polarização inicial, e cria um ambiente alcalino em torno do aço. Esta polarização inicial força a difusão de íons cloreto para longe do aço. Conforme o magnésio é consumido ou despendido de outro modo, o segundo metal sacrificial, por exemplo, cobre, opera para manter a condição passiva do aço de reforço. O sistema pode alcançar os benefícios de sistemas de corrente impressos sem fiação complexa, baterias ou fontes de energia externas.
[00062] De acordo com determinados aspectos da presente invenção, a superfície de área do ânodo é eficaz para descarregar corrente suficiente para proteger a estrutura e o peso de ânodo é suficiente para durar o tempo de vida desejado quando descarrega corrente. O sistema de ânodo galvânico da presente invenção se autorregula baseado na atividade de corrosão incipiente do aço adjacente atrelado. Os produtos de corrosão dos primeiro e segundo metais sacrificiais também podem agir como um espaçador de caminho elétrico ou iônico para otimizar a distribuição de carga em torno do ânodo.
[00063] A taxa de corrosão depende da temperatura, da umidade, do ambiente iônico e da condutividade, independentemente de se é a corrosão de aço de reforço ou de um ânodo sacrificial. O material do ânodo sacrificial pode ser escolhido para se corroer preferencialmente comparado ao aço para prover uma carga catódica protetora no aço. Conforme as condições de corrosão se tornam mais favoráveis, a taxa de corrosão do ânodo aumenta, provendo proteção contra corrosão proporcionalmente aumentada ao aço. Nesta reação química competidora, a reação preferida pode evitar que a segunda ocorra por meio de uma carga elétrica induzida.
[00064] Um ânodo também pode passivar em serviço devido à atividade aumentada, fazendo com que produtos de oxidação se depositados mais rápido, por exemplo, que a velocidade com que mecanismos de absorção, dissolução ou quelação no material de invólucro podem transmiti-los para fora. Espaçar o ânodo do aço pode reduzir a intensidade da corrente protetora e reduzir a tendência do ânodo de passivar. Os produtos da oxidação podem ser depositados na superfície do metal sacrificial do ânodo conforme é corroído. Se esses produtos de corrosão não forem removidos, eles evitarão que a reação eletroquímica bloqueie o fluxo de íons pelo eletrólito, o que é conhecido como passivação do ânodo. Tornando os produtos da oxidação solúveis, o ânodo pode continuar a funcionar conforme pretendido. A solubilidade dos produtos de corrosão é controlada pelo material de invólucro. O material de invólucro provê um mecanismo para a remoção dos produtos da corrosão da superfície dos metais sacrificiais do corpo de ânodo, bem como um caminho iônico para que íons fluam do reforço de aço (o cátodo) para o ânodo de metal sacrificial que se corrói.
[00065] De acordo com determinadas realizações, um material de invólucro pode compreender, por exemplo, ligantes, geopolímeros, argamassas e semelhantes. Sem limitação, e apenas à guisa de ilustração, o material de invólucro pode compreender uma argamassa cimentícia. Alternativamente, o material de invólucro pode compreender uma argamassa ionicamente condutível e compressível, em que a matriz seja suficientemente compressível para absorver os produtos da corrosão do ânodo de metal sacrificial. O material de invólucro pode ser de uma química de ativação apropriada, por exemplo, por meio de haletos, quelação ou pH, e de porosidade suficiente para possibilitar a absorção dos produtos de corrosão, assim evitando ou reduzindo a passivação.
[00066] Em outras realizações, o material de invólucro pode incluir materiais umectantes, deliquescentes e/ou higroscópicos para absorver umidade suficiente para manter a condutividade ao redor do ânodo para assegurar que saída suficiente de corrente seja mantida durante a vida do ânodo e para manter a interface entre o ânodo e o cátodo (reforço de aço) eletronicamente ativa.
[00067] De acordo com determinadas realizações ilustrativas, um material de invólucro apropriado para o corpo de ânodo galvânico compreende uma mistura de cerca de 75% de gesso, cerca de 20% de argila de bentonita e cerca de 5% de sulfato de sódio. Este material de invólucro provê um ambiente uniforme que reduz o autoconsumo do ânodo. Sem limitação de qualquer teoria em particular, crê-se que o sulfato ativa o metal de zinco do corpo de ânodo e a argila de bentonita atua como um umectante.
[00068] As bobinas helicoidais do metal sacrificial do presente sistema de proteção galvânico são facilmente fabricadas e superam as dificuldades de corpos de ânodo conhecidos, por exemplo, aqueles construídos usando-se zinco derretido. O processo de fabricação pode ser automatizado utilizando-se materiais comercialmente disponíveis, por exemplo, fio de zinco, e procedimentos de produção de enrolamento automático de bobina. Em oposição a sistemas discretos de ânodo galvânico conhecidos, a extensão do presente corpo de ânodo que compreende pelo menos uma bobina helicoidal pode ser estendido a qualquer extensão apropriada para acomodar diversas necessidades de extensão baseado no local de reparos pretendido. Outras dimensões da bobina helicoidal podem ser facilmente variadas sob demanda e adaptadas para um uso específico.
[00069] Aspectos da presente invenção são aplicáveis a reparos em que uma seção de concreto existente é escavada para expor o reforço de aço e para arranjos que incluem a montagem de ânodo galvânico e um remendo de reparo discreto.
[00070] Em determinadas incorporações, a montagem de ânodo é embutida no concreto e sua instalação é compatível com as práticas normais da construção envolvidas na reabilitação de concreto e não requer, assim, nenhum treinamento de instalação especializado. Esses procedimentos podem incluir a escavação de concreto danificado até uma profundidade ligeiramente abaixo do reforço de aço, atrelagem da montagem de ânodo ao reforço de aço e de volta, preenchendo a área de concreto escavada com um embutido apropriado ou uma argamassa de reparo.
[00071] De acordo com determinadas realizações ilustrativas o sistema de ânodo sacrificial da presente invenção tem a forma similar à de uma peça curta de aço de reforço e pode ser posicionada imediatamente adjacente ao aço de reforço. Essa configuração otimiza o espaçamento alcançado em áreas de reparo congestionadas e possibilita um reparo de concreto menor e menos custoso.
[00072] De acordo com outras realizações ilustrativas, um método para reduzir a corrosão de reforço de aço em uma estrutura de concreto compreende prover uma montagem de ânodo sacrificial de ação dual de pelo menos dois metais sacrificiais de diferentes materiais, ambos mais eletroquimicamente ativos que aço. O ânodo pode ser pelo menos parcialmente coberto por um material de invólucro. Os condutores elétricos alongados são conectados ao corpo de ânodo e pelo menos uma porção dos conectores elétricos emana do material de invólucro.
[00073] A montagem de ânodo de ação dual pode ser inserida em um buraco formado em uma estrutura de concreto. O material de invólucro da montagem de ânodo é colocado próximo à superfície do reforço de aço. A montagem de ânodo é mantida no lugar enrolando-se os conectores elétricos alongados em torno do reforço de aço.
[00074] A montagem de ânodo fixa pode ser preenchida com materiais apropriados, tal como argamassas de reparo cimentícias. O material de preenchimento pode compreender um único material ou uma combinação de dois ou mais materiais. De acordo com determinadas realizações, a argamassa cimentícia pode compreender uma argamassa de baixa resistividade. Alternativamente, uma argamassa de baixa resistividade pode ser usada para encapsular a montagem de ânodo fixada e então embutida dentro de um material de reparo de alta resistividade contanto que o embutido de argamassa de baixa resistividade encapsule a montagem de ânodo fixada e proveja um caminho ionicamente condutor ao concreto original adjacente à área de reparo. Por exemplo, de acordo com determinadas realizações ilustrativas, o material de preenchimento pode incluir um material para criar ativação e outro material para capturar cloretos atraídos.
[00075] Conforme mostrado na FIG. 1, o sistema de proteção catódica 100 inclui uma montagem de ânodo compreendendo um corpo de ânodo 102 que inclui um metal sacrificial 110. O metal sacrificial 110 pode compreender pelo menos uma bobina helicoidal possuidora de um eixo longitudinal. Os condutores elétricos alongados 116, 118 ou laços de fio podem ser enrolados, e estar em contato elétrico com o metal sacrificial 110. O corpo de ânion 102 pode ser pelo menos parcialmente revestido ou coberto por um material de invólucro 108. Os condutores de metal alongados 116, 118 são conectados ao corpo de ânodo 102 e emanam do material de invólucro 108. Durante a instalação, os condutores elétricos 116, 118 são fixados ao aço de reforço 114 envolvendo os términos dos condutores 116, 118 em torno do reforço de aço 114.
[00076] Voltando-nos à FIG. 2, o sistema de proteção catódico 200 compreende formar um remendo de reparo 202 em uma estrutura de concreto reforçado com aço 204. A montagem de ânodo 102 é fixada ao aço de reforço 114 com condutores elétricos alongados 116, 118.
[00077] Conforme mostrado na FIG. 3A, o corpo de ânodo compreende um metal sacrificial 110 que compreende bobinas helicoidais 104, 106 possuidoras de um eixo longitudinal. O corpo de ânodo compreende uma primeira bobina helicoidal 104 interfolhada com uma segunda bobina helicoidal 106, conforme mostrado. Por interfolhado, quer-se dizer que a primeira bobina 104 e a segunda bobina 106 são dispostas ou intercaladas alternadamente. As bobinas interfolhadas podem ser dispostas de modo que os laços ou voltas de uma bobina 104 caibam nos espaços entre os laços da outra bobina 106. As bobinas helicoidais 104, 106 podem compreender o mesmo metal sacrificial. Em uma realização, a bobina helicoidal 104 pode compreender um metal menos sacrificial e a bobina helicoidal 106 pode compreender um metal mais sacrificial ou vice-versa. De acordo com uma realização, o metal sacrificial 110 do corpo de ânion 102 compreende uma única bobina helicoidal 104 que compreende um metal sacrificial ou uma combinação de metais sacrificiais.
[00078] FIG. 3B mostra uma vista explodida do corpo de ânion 110 que compreende dois metais sacrificiais diferentes. O metal sacrificial 110 pode compreender as bobinas helicoidais 104, 106 dispostas ou intercaladas alternadamente ou interfolhadas uma à outra. Pelo menos um condutor elétrico alongado, ou laço de fio, pode ser envolto e estar em contato elétrico com as bobinas interfolhadas 104, 106 a fim de conectar eletricamente o corpo de ânion 110 ao aço de reforço localizado na estrutura de concreto.
[00079] Conforme mostrado nas FIGS. 4A e 4B, um corpo de ânion ilustrativo compreende um metal sacrificial 110. O metal sacrificial 110 pode compreender a bobina helicoidal 104 ou as bobinas interfolhadas 104, 106, possuidoras de um eixo longitudinal conforme mostrado nas FIGS. 3A e 3B. Os condutores elétricos alongados 116, 118 ou laços de fio podem ser enrolados, e estar em contato elétrico com o metal sacrificial 110 que compreende a bobina elétrica 104 ou as bobinas interfolhadas 104, 106.
[00080] Em realizações adicionais, o metal sacrificial 110 pode compreender uma primeira bobina helicoidal de metal sacrificial enrolada em volta de um segundo metal sacrificial de modo que o primeiro a primeira bobina helicoidal de metal sacrificial pelo menos parcialmente cerque o segundo metal sacrificial. Por exemplo, uma bobina helicoidal de zinco pode ser enrolada em torno de uma faixa de magnésio ou um fio de magnésio.
[00081] Em ainda outras realizações adicionais, o metal sacrificial pode compreender uma primeira bobina helicoidal de metal sacrificial adjacente a e substancialmente coextensível em relação a um segundo metal sacrificial. Os primeiros metais sacrificiais adjacente e substancialmente coextensível são envolvidos com conectores elétricos alongados. Por exemplo, uma bobina helicoidal de zinco pode ser posicionada adjacente a, e em contato com uma faixa de magnésio. Conectores elétricos alongados podem ser enrolados ou envoltos em contato elétrico com a bobina helicoidal colocalizada e a faixa de magnésio.
[00082] A presente invenção supera as desvantagens de sistemas de proteção catódica galvânica conhecidos, uma vez que é facilmente fabricável e ocupa um volume mínimo no interior de uma estrutura de concreto reforçada com aço enquanto provê uma área de superfície máxima para corrosão sacrificial. Em uma realização, o uso de dois metais sacrificiais provê tanto corrente inicial mais alta para a polarização inicial do aço de reforço como em seguida uma corrente mais baixa de maior duração para manter a proteção catódica. A polarização inicial do aço de reforço pelo metal mais ativo tende a remover íons cloreto e restaurar a alcalinidade na vizinhança do aço de reforço protegido. O segundo metal sacrificial então precisa meramente manter essas condições passivas, assim provendo uma proteção galvânica de ação dual.
[00083] Ânodos galvânicos sacrificiais prototípicos foram construídos e montagens de cátodo-ânodo usando os ânodos galvânicos prototípicos foram avaliadas para potencial de meia célula, corrente de corrosão e resistividade. A construção dos ânodos galvânicos e das montagens de cátodo-ânodo e os métodos de avaliação são descritos abaixo. Deve-se notar que a seguinte descrição das montagens de ânodo, das montagens de cátodo-ânodo e os métodos e resultados da avaliação são meramente destinados a ilustrar o assunto da matéria divulgada. As seguintes descrições da construção de ânodo, montagem de cátodo-ânodo e método de avaliação não devem ser interpretadas como limitantes do assunto da matéria divulgada de qualquer modo.
[00084] Cinco (5) galões (20L) de baldes de plástico foram usados para conter espécimes de ânodos galvânicos para as avaliações. Um tecido de filtro foi colocado no fundo de cada balde de plástico e um furo de drenagem foi feito na parede inferior do balde de plástico para possibilitar a drenagem de solução simulada de água de poro de concreto.
[00085] A solução simulada de solução de poro de concreto foi preparada a partir de uma mistura de 7kg de cimento 31 kg de água da torneira 1.4 kg de solução de NaCl a 10%.
[00086] A mistura foi mesclada e deixada para descansar. O líquido decantado foi filtrado e usado como a solução simulada de água de poro de concreto para todas as avaliações de espécimes de ânodo galvânico. O nível de cloreto de sódio na solução de poro simulada corresponde a um conteúdo de cloreto de 9 kg de NaCl por 2300 kg/m3 de concreto. Este nível de cloreto foi escolhido como exposição suficientemente forte de cloreto, conforme será comumente experimentado no campo em que aço de reforço se encontraria em corrosão.
[00087] Uma tela de aço corrosível (McMaster- Carr 9243T381) compreendendo um fio de aço simples extra rígido possuidor de aberturas de 1/2 polegada, diâmetro de fio de 0.135 polegadas com um total de 62% de área aberta foi escolhido como o cátodo para as avaliações do ânodo galvânico. A tela de aço foi escolhida com base em sua alta área de superfície em um espaço pequeno, e uma vez que todas as aberturas permitiram acesso a todas as superfícies da tela. A tela de aço foi cortada em pedaços de 30 x 30 cm. As telas de aço medidas e cortadas foram dobradas para se encaixar no balde de 5 galões. A tela de aço foi preparada por jateamento e decapagem em 10% de solução de hidróxido de sódio a 60°C por 24 horas, seguido por enxague em água deionizada e acetona.
[00088] O cátodo da tela de aço é posicionado no interior do contêiner de espécime (isto é, o balde plástico) e o balde é preenchido com areia. Areia é um meio apropriado para avaliar ânodos galvânicos, uma vez que tem baixo custo, permanece úmida, provê amplo oxigênio para que a corrosão ocorra e pode ser removida para exame visual das espécimes de ânodo.
[00089] Um fio de cobre e chumbo sólido de calibre 14 (diâmetro de 1.63 mm) foi atrelado ao fio superior da tela de aço por envolvimento, seguido por soldagem e cobertura da conexão com um epóxi (comercialmente disponível da BASF Corporation — Building Systems sob o nome comercial CONCRESIVE 1420). A área de superfície do ânodo de tela de aço foi calculada como sendo 0.157m2, ou seja, cerca de 1/6 da área da tela de aço recomendada para o espaçamento do ânodo usando-se os ânodos galvânicos atualmente comercialmente disponíveis (1 ânodo de área de superfície de zinco de 0.0271 m2 por área de aço de reforço de 0.5 m2 ou uma razão de 18.4 de área de superfície de aço para área de superfície de zinco). A razão entre a área de superfície de aço para área de superfície de zinco é tratado como a razão de cátodo para ânodo. Baseado no peso da peça de cátodo de tela de aço de 1241 g, 289.455 coulombs poderiam ser liberados por oxidação completa para a valência +3 de ferro, de acordo com a lei de Faraday.
[00090] Quatro espécimes de núcleo de ânodo galvânico prototípicas foram preparadas para avaliação. Estas consistiam de duas configurações de ânodo galvânico (metal de zinco e híbrido) e dois métodos de atrelagem (protegido e desprotegido).
[00091] Os dois espécimes de núcleo de ânodo de metal de zinco galvânico foram preparadas a partir de uma extensão de 13 polegadas de fio de zinco possuidor de um diâmetro de 0.125 polegadas (3.125 mm) que foi formado em uma bobina de aproximadamente 15 mm de diâmetro e 75 mm em comprimento. Este núcleo de ânodo galvânico resultou em uma razão de cátodo para ânodo de 48.3. A massa de zinco era de 18.6 g, correspondente a 54,874 coulombs, e tem uma área de superfície de 3,226 mm 2.
[00092] Cada espécime de núcleo de ânodo galvânico foi envolvida com duas peças de pneu de aço opostamente espaçadas (em espiral de envoltura em sentido horário e anti-horário) que havia sido jateada, decapada em soda cáustica e lavada com acetona de um modo semelhante ao da preparação do cátodo da malha de aço. Os conectores elétricos foram conectados a um fio de cobre e chumbo sólido de calibre 14 por envoltura, soldagem e cobertura de epóxi da conexão que foi então usada para monitorar a polarização do ânodo e a corrente de corrosão na célula eletroquímica. A área de superfície de zinco é de cerca de 38% da razão recomendada de cátodo para ânodo baseado no espaçamento do ânodo comercialmente disponível BASF EMACO Intact CP 150 necessário para uma dada área de superfície de aço de reforço.
[00093] Um dos espécimes de núcleo de ânodo galvânico de zinco foi espaçado cerca de 1 mm distante do cátodo de tela de aço usando-se um cabo de nylon com braçadeira para isolar o núcleo do ânodo do contato elétrico com o cátodo de tela de aço. Este espécime é designado como Desprotegido por Zinco.
[00094] Um outro espécime substancialmente idêntico ao espécime de núcleo de ânodo galvânico de zinco foi isolado do cátodo de tela de aço usando- se uma peça de 4cm de largura de fita butil e fita de espuma dupla face para simular a proteção. Este espécime é designado como Protegido por Zinco.
[00095] Ambos os espécimes de núcleo de ânodo de zinco foram atrelados ao cátodo da tela de aço com cabos de nylon com braçadeira para manter o ânodo preso ao cátodo de aço.
[00096] Dois espécimes de núcleo de ânodo galvânico adicionais foram preparados a partir de magnésio e zinco. Uma bobina preparada a partir de um fio de zinco de 220 mm de comprimento possuidor de um diâmetro de 0.091 polegadas (2.31 mm) que pesa 6.5 g junto a 70 mm de fio reto de zinco possuidor de um diâmetro de 0.125 polegadas (3.125 mm) para um peso de zinco total de 10.4 g, e uma placa de magnésio de 10 x 95 x 1.1 mm de peso de 2 g. A área total de superfície de zinco foi de 2288 mm2 e a área de superfície de magnésio foi de 2148 mm2 para uma área de superfície total de 4435 mm2 e um peso de ânodo total de 12.4 g. Isso corresponde a 46736 coulombs para o ânodo híbrido de zinco- magnésio (30682 coulombs de zinco e 16054 coulombs de magnésio) e uma razão de cátodo para ânodo de 35.5. A área de superfície de zinco é de cerca de 50% da razão recomendada de cátodo para ânodo baseado no espaçamento do ânodo comercialmente disponível BASF EMACO Intact CP 150 necessário para uma dada área de superfície de aço de reforço.
[00097] Um dos espécimes de núcleo de ânodo galvânico de híbrido de zinco-magnésio foi espaçado cerca de 1 mm distante do cátodo de tela de aço usando-se um cabo de nylon com braçadeira para isolar o núcleo do ânodo do contato elétrico com o cátodo de tela de aço. Este espécime é designado como Desprotegido por Zinco.
[00098] Um outro espécime substancialmente idêntico ao espécime de núcleo de ânodo galvânico híbrido de zinco-magnésio foi isolado do cátodo de tela de aço usando-se uma peça de 4cm de largura de fita butil e fita de espuma dupla face para simular a proteção. Este espécime é designado como Protegido por Híbrido.
[00099] Ambos os espécimes de núcleo de ânodo híbrido de zinco- magnésio foram atrelados ao cátodo da tela de aço com cabos de nylon com braçadeira para manter o ânodo preso ao cátodo de aço.
[000100] Após a montagem dos quatro espécimes galvânicos ânodo- cátodo, eles foram posicionados em baldes de plástico designados e a areia foi umedecida com água de poro de concreto simulada. Pelas primeiras 24 horas, o ânodo e o cátodo foram deixados desconectados para produzir um ambiente corrosivo em torno das montagens de ânodo-cátodo. Os fios conectores do ânodo ao cátodo foram ligados e o ânodo começou a prover proteção ao cátodo.
[000101] Medições do potencial de meia célula vs. eletrodo de referência de cobre/sulfato de cobre (CSE) tanto para o cátodo como para o ânodo e a corrente de corrosão foram obtidos para cada espécime. Um potencial de meia célula é necessário para comparar a voltagem de polarização em uma célula de corrosão com NACE. A atual Seção 61 de NACE SP0169-2007 enfatiza três critérios de proteção catódica (CP), a saber, (1) -850 mV vs. eletrodo de cobre/sulfato de cobre saturado com corrente CP aplicada, ou -850 mV de potencial ligado considerando quedas de tensão (IR), (2) -850 mV de potencial desligado ou potencial polarizado, e (3) 100mV de polarização.
[000102] O objetivo da avaliação era o de alcançar a proteção parcial do cátodo de tela de aço para forçar a saída dos ânodos por meio de uma razão de ânodo para cátodo desfavorável em um ambiente suscetível à corrosão (isto é, temperatura ambiente, alta umidade e presença de cloretos acima do nível limite de corrosão de cloreto). Além do potencial de meia célula e das medições de corrente de corrosão, a temperatura, o pH e a resistividade de cada espécime cátodo-ânion foi medida. Uma vez que a corrosão é uma reação eletroquímica, aumentar a temperatura aumentará a taxa da reação, neste caso, a corrente de corrosão. O pH foi monitorado para assegurar que os espécimes cátodo-ânodo permanecessem alcalinos para simular as condições normais presentes quando embutido em concreto de reparo. A resistividade foi medida para assegurar que umidade suficiente estivesse presente para que a corrosão ocorresse no sistema.
[000103] Todos os quatro espécimes de cátodo-ânodo foram avaliados por mais de 56 dias. Uma diferença mensurável entre o instante desligado e o potencial conectado de >100 mV indica função adequada do ânodo sacrificial. Uma falta de diferença entre os valores do instante desligado e conectados dos cátodos indica que o cátodo desfavorável pretendido para a área de superfície do ânodo não permite que seja provida proteção suficiente ao cátodo por corrosão preferencial do ânodo sacrificial. Os resultados dessas medições são plotados nos gráficos mostrados nas FIGS. 5-8.
[000104] FIGS. 8-12 são gráficos que ilustram os potenciais conectados e no instante desligado do ânodo para cada espécime de teste. Uma diferença maior entre os potenciais medidos indica uma maior saída de ânodos. Os vãos em que as duas linhas se misturam no gráfico são despolarizações, em que o ânodo e o cátodo foram deixados desconectados por algum período de tempo para mensurar a recuperação do ânodo durante um ciclo desligado, tal como ocorreria em condições de congelamento ou secagem em instalações de campo. Como mostrado nos gráficos, todos os quatro ânodos sacrificiais prototípicos (desprotegido por zinco, protegido por zinco, desprotegido por híbrido zinco/magnésio, protegido por híbrido zinco/magnésio) demonstraram diferenças entre potencial de ânodo conectado e desconectado apropriadas para prover proteção ao ânodo de tela de aço. Nota-se que as realizações de proteção dos ânodos de zinco e híbrido zinco/magnésio demonstraram uma diferença maior entre o potencial de ânodo desconectado e conectado.
[000105] FIG. 13 mostra uma comparação dos potenciais de ânodo do ânodo sacrificial prototípico desprotegido por zinco, protegido por zinco, desprotegido por híbrido zinco/magnésio e protegido por híbrido zinco/magnésio com uma escala temporal reduzida.
[000106] A corrente de corrosão é outra medida de saída de ânodo e é uma função da taxa de consumo do metal galvânico. Quando a corrente de corrosão se aproximar de zero, então o ânodo deixou de funcionar, seja por consumo do metal sacrificial, seja por passivação (por exemplo, pelo desenvolvimento de um filme insolúvel de produto de oxidação na superfície do metal sacrificial ou pelo produto de oxidação que cria um curto-circuito entre o ânodo e o cátodo). O gráfico da FIG. 14 mostra as medições de corrente de corrosão para os ânodos sacrificiais desprotegidos por zinco, protegidos por zinco, desprotegidos por híbrido zinco/magnésio e protegidos por híbrido zinco/magnésio. FIG. 15 mostra corrente inicial adicional provida pelo magnésio sacrificial a partir dos ânodos híbridos zinco/magnésio ao longo de um período de tempo reduzido. Note-se que o ânodo protegido por híbrido zinco/magnésio exibe uma corrente ligeiramente mais baixa, mas por uma duração mais longa que o ânodo desprotegido por zinco/magnésio.
[000107] Enquanto a montagem de ânodos, o sistema de proteção catódica e o método foram descritos em conexão com diversas realizações ilustrativas, deve-se entender que outras realizações semelhantes podem ser usadas ou modificações e adições podem ser feitas às realizações descritas para executar a mesma função divulgada neste documento sem desvio das mesmas. As realizações descritas acima não estão necessariamente na alternativa, uma vez que diversas realizações podem ser combinadas para prover as características desejadas. Consequentemente, o sistema e o método de proteção catódica não devem ser limitados a nenhuma realização única, mas antes interpretados em extensão e escopo de acordo com o disposto nas reivindicações apenas.
Claims (36)
1. ÂNODO GALVÂNICO, caracterizado por compreender: um corpo de ânodo (102) compreendendo pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106) que compreende um metal sacrificial (110) e um eixo longitudinal; pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) eletricamente conectado a pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106), pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) é helicoidalmente envolvido em torno de pelo menos uma porção do eixo longitudinal de pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106), pelo menos um conector elétrico alongado provendo múltiplos pontos de conexão ao corpo de ânodo (102); um material de invólucro (108) que cerca pelo menos uma porção de pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106) e uma porção de pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118).
2. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo metal sacrificial (110) ser mais eletroquimicamente ativo que aço.
3. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo metal sacrificial (110) compreender magnésio, zinco, alumínio e/ou ligas dos mesmos.
4. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo metal sacrificial (110) compreender um metal ou uma liga de metal eletromotor.
5. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ainda compreender uma proteção adjacente à superfície externa da bobina helicoidal (104, 106).
6. ÂNODO GALVÂNICO, caracterizado por compreender: uma bobina helicoidal (104, 106) que compreende um primeiro metal sacrificial (110) e um eixo longitudinal; um segundo metal sacrificial (110), o segundo metal sacrificial (110) menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial (110), em que o primeiro metal sacrificial (110) e o segundo metal sacrificial (110) são mais eletroquimicamente ativos que aço; pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) conectado eletricamente a pelo menos um dentre os primeiro e segundo metais sacrificiais, pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) é helicoidalmente envolvido em torno de pelo menos uma porção do eixo longitudinal de pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106), pelo menos um conector elétrico alongado provendo múltiplos pontos de conexão ao corpo de ânodo (102); e um material de invólucro (108) que cerca pelo menos uma porção dos primeiro e segundo metais sacrificiais e opcionalmente uma porção de pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118).
7. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo segundo metal sacrificial (110) compreender uma segunda bobina helicoidal (106) possuidora de um eixo longitudinal.
8. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela primeira bobina helicoidal (104) é interfolhada com a segunda bobina helicoidal (106).
9. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) ser helicoidalmente envolvido em torno de pelo menos uma porção do eixo longitudinal da segunda bobina helicoidal (106).
10. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por compreender ainda uma proteção adjacente às superfícies externas das bobinas helicoidais (104, 106) interfolhadas.
11. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo segundo metal sacrificial (110) compreender uma massa sólida possuidora de um eixo longitudinal posicionado em contato adjacente com a superfície externa da bobina helicoidal (104, 106).
12. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo conector elétrico ser enrolado em torno de pelo menos uma porção do eixo longitudinal da bobina helicoidal (104, 106) e da massa sólida para manter a massa sólida presa a dita bobina helicoidal (104, 106).
13. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) compreender magnésio ou uma liga de magnésio.
14. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo segundo metal sacrificial (110) compreender zinco ou uma liga de zinco.
15. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) compreender magnésio ou uma liga de magnésio e o segundo metal sacrificial (110) compreender zinco ou uma liga de zinco.
16. ÂNODO GALVÂNICO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) ser interfolhado com o segundo metal sacrificial (110) e ainda compreender uma proteção adjacente às superfícies externas dos primeiro metal sacrificial (110) e segundo metal sacrificial (110) interfolhados.
17. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), caracterizado por compreender um ânodo galvânico, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 16, compreendendo: um corpo de ânodo (102) que compreende uma primeira bobina helicoidal (104) compreendendo um metal sacrificial (110) mais eletroquimicamente ativo que aço; pelo menos um condutor elétrico (116, 118) conectando eletricamente o corpo de ânodo (102) a um elemento de reforço de aço (114); e um material de invólucro (108) que cerca pelo menos uma porção de primeiro e segundo metais sacrificiais (110).
18. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo metal sacrificial (110) compreender magnésio, zinco e/ou ligas dos mesmos.
19. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo material de invólucro (108) ser uma argamassa porosa.
20. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por compreender ainda uma segunda bobina helicoidal (106) que compreende um segundo metal sacrificial (110), o segundo metal sacrificial (110) é menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial (110), em que o segundo metal sacrificial (110) é mais eletroquimicamente ativo que aço.
21. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pela primeira bobina helicoidal (104) ser interfolhada com a segunda bobina helicoidal (106).
22. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por pelo menos um condutor elétrico alongado (116, 118) ser helicoidalmente enrolado em torno de pelo menos uma porção de dito eixo longitudinal das primeira e segunda bobinas helicoidais (104, 106).
23. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 22, caracterizado por compreender ainda um espaçador isolante adjacente às superfícies externas das bobinas helicoidais (104, 106) interfolhadas.
24. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por compreender aindauma massa sólida de um segundo metal sacrificial (110), o segundo metal sacrificial (110) sendo menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial (110), em que o primeiro metal sacrificial (110) e o segundo metal sacrificial (110) são mais eletroquimicamente ativos que aço.
25. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) compreender magnésio ou uma liga de magnésio.
26. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo segundo metal sacrificial (110) compreender zinco ou uma liga de zinco.
27. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) compreender magnésio ou uma liga de magnésio e o segundo metal sacrificial (110) compreender zinco ou uma liga de zinco.
28. SISTEMA PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 27, caracterizado por compreender ainda um espaçador isolante adjacente à superfície externa da massa sólida do segundo metal sacrificial (110).
29. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), caracterizado por: conectar eletricamente um corpo de ânodo sacrificial, conforme definido na reivindicação 1, que compreende pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106) possuidora de um eixo longitudinal, a bobina helicoidal (104, 106) compreendendo um metal sacrificial (110) que é mais eletroquimicamente ativo que aço, em que corpo de ânodo (102) é pelo menos coberto por um metal de invólucro, para o reforço de aço (114) em uma estrutura de concreto (204) reforçada com aço.
30. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 29, caracterizado por compreender ademais: introduzir o ânodo em um buraco formado na estrutura de concreto (204).
31. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 30, caracterizado por compreender ainda: posicionar o corpo de ânodo sacrificial em proximidade ao reforço de aço (114).
32. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo corpo de ânodo (102) compreender ainda um segundo metal sacrificial (110) menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial (110).
33. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 29, caracterizado por pelo menos uma bobina helicoidal (104, 106) compreender uma primeira bobina helicoidal (104) compreendendo um primeiro metal sacrificial (110) e uma segunda bobina helicoidal (106) compreendendo um segundo metal sacrificial (110), o segundo metal sacrificial (110) menos eletroquimicamente ativo que o primeiro metal sacrificial (110), e em que o primeiro metal sacrificial (110) e o segundo metal sacrificial (110) são mais eletroquimicamente ativos que aço.
34. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo primeiro metal sacrificial (110) e o segundo metal sacrificial (110) compreenderem metais ou ligais de metal eletromotor.
35. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelos metais eletromotores compreenderem lítio, potássio, cálcio, sódio, magnésio, alumínio, zinco, cromo e combinações ou ligas dos mesmos.
36. MÉTODO PARA REDUZIR A CORROSÃO DE REFORÇO DE AÇO (114) EM UMA ESTRUTURA DE CONCRETO (204), de acordo com a reivindicação 35, caracterizado por compreender ainda: ou o primeiro metal sacrificial (110) ou o segundo metal sacrificial (110) sendo magnésio, em uma quantidade eficaz para causar a migração de íons cloreto para longe do reforço de aço (114) da estrutura de concreto (204).
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