EA005454B1

EA005454B1 - Способ обеспечения коррозионной устойчивости железобетонной конструкции со стальной арматурой (варианты) и система для обеспечения ее коррозионной устойчивости

Info

Publication number: EA005454B1
Application number: EA200300488A
Authority: EA
Inventors: Ефим Я. Люблинский
Original assignee: Кор/Сай, Элэлси
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2005-02-24
Also published as: EP1334221A4; CN1246499C; CZ295222B6; AR034170A1; IL155559A0; EP1334221A1; KR20030044019A; SK5692003A3; CA2426289C; AU2002211789A1; BR0114993A; CZ20031374A3; CN1476490A; US6419816B1; CA2426289A1; JO2219B1; WO2002033148A1; EA200300488A1

Abstract

Совместное использование создающего электроосмотический эффект постоянного тока (ЕР), величиной менее 1 мА на 1000 смбетона, с анодом (8), помещенным рядом с внешней поверхностью железобетона (1), пропитанного в основном нейтральным раствором соли, эффективно снижает концентрацию агрессивных ионов в бетоне, даже если величина постоянного тока составляет от 0,01 мА до менее чем 1 мА, а напряжение составляет менее 100 В. Далее, при использовании такой электроосмотической обработки в качестве первого этапа обработки и проведении сразу же после нее катодной защиты было установлено, что плотность тока СР, необходимая для катодной защиты, неожиданно мала и в сочетании с низкими затратами на установку и эксплуатацию новой системы повышение эффективности обычной системы катодной защиты составляет от 3 до 30 раз. Оба процесса могут происходить одновременно без взаимных помех со стороны обеих цепей.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящая заявка относится к осуществляемым периодически либо непрерывно способам предотвращения коррозии стальной арматуры железобетонных конструкций. Приспособления, необходимые для осуществления этих способов, могут быть введены в конструкцию в процессе строительства, либо при доработке существующих конструкций. В частности, изобретение относится к системе, в которой объединено электроосмотическое удаление агрессивных анионов из бетона и катодная защита заделанных в бетон металлических элементов, например, в фундаментах стальных мостов, основаниях телекоммуникационных вышек и, в частности, для защиты упрочняющих бетон элементов, называемых арматурным прутком в обычных железобетонных конструкциях.

Уровень техники

Системы катодной защиты широко используются, и хорошо известно, что электроосмос изменяет концентрацию ионов в среде, находящейся под действием тока достаточной величины для создания электроосмотического эффекта. Под электроосмотическим эффектом понимается движение ионов в воде вдоль поверхности твердых частиц бетона в бетонной конструкции.

Упомянутый выше арматурный пруток производится из мягкой стали (также называемой черной сталью), содержащей менее 1% углерода и в сумме менее 2% легирующих элементов. Удаление ионов, например, хлоридов, было описано Д.Е. Слейтером в статье Электрохимическое удаление хлоридов из бетонного мостового полотна, опубликованной в журнале Ма1:епа1 РсгГогшапсс. ноябрь 1976, сс.21-26. Между арматурой и электролитом на поверхности бетона прикладывалось электрическое поле отрицательным полюсом к арматуре. Ионы хлоридов мигрируют сквозь бетон и либо реагируют с электролитом, либо окисляются на аноде до хлора, который выделяется в виде газа. Катодная защита обычно осуществляется либо с использованием а) расходуемого анода, или с использованием Ь) подаваемого тока с (ί) управлением потенциалом или (ίί) управлением током, причем арматура является при этом реагирующим катодом, а анод по существу инертен. Загрязнение бетона приводит к реакции катода с загрязняющими веществами, и, конечно, при этом происходит окисление стали.

Как правило, недавно построенные конструкции со стальной арматурой, например мосты, здания, включая электростанции, морские сооружения, например, доки, и дороги, скорее всего сразу же оснащаются катодной защитой посредством подаваемого тока. Но давно построенные сооружения, имеющие внутреннюю арматуру и/или предварительно напряженные бетонные конструкции, которые подверглись повреждению из-за химической реакции с окислителями из окружающей атмосферы, не могут быть надлежащим образом защищены без предварительной нейтрализации или устранения причины повреждений. Задача защиты старых железобетонных конструкций существенно отличается от катодной защиты недавно зацементированного арматурного прутка и других металлических элементов в бетонной конструкции.

Несмотря на то, что процедура удаления агрессивных анионов из старого и загрязненного бетона и катодная защита либо посредством расходуемого анода, либо посредством подаваемого тока, являются весьма распространенными, воздействие сначала электроосмотическим током для снижения концентрации агрессивных ионов в бетоне, и затем защита элементов арматуры в бетоне с пониженной концентрацией анионов подаваемым катодным током, никогда ранее не рассматривалось. Также ранее не рассматривалось для защиты элементов арматуры использование сначала электроосмотического тока для уменьшения количества агрессивных ионов с последующим отключением электроосмотического тока и одновременным пропусканием подаваемого катодного тока.

Усовершенствования в исходном процессе Слейтера раскрыты, среди прочего, в патентах США №№ 4,823,803; 4,865,702; 5,141,607; 5,228,959. Электроосмотический ток также использовался для удаления воды из строительных материалов на основе пористого бетона или кирпича для кладки, для снижения ущерба, наносимого влагой. В патенте США № 6,126,802, типичном для технологий, имеющих дело с влагой в подобных материалах, показано, что процесс останавливается при повышении потенциала на электродах. При этом условия, при которых постоянный ток приложен к обрабатываемому материалу, и на первый взгляд небольшие отличия в составе и состоянии обрабатываемого материала, оказывают непропорционально сильное воздействие на результаты обработки. В упомянутых источниках не предполагается, что для электроосмотического удаления агрессивных ионов элементы арматуры не должны быть катодом, и что электроосмотический ток эффективно снижает концентрацию анионов в бетоне, даже когда электролит представляет собой соляной раствор с в основном нейтральным показателем рН (рН 7-8); также в упомянутых источниках не предполагается, что когда элементы арматуры внутри бетона не используются в качестве катода, используемый постоянный ток сравнительно много слабее; кроме того, когда ионы из загрязненного бетона удалены, нет необходимости ни извлекать образцы из толщи бетона, ни проводить анализ электролита на наличие остаточных агрессивных ионов бетона; более того, не наблюдается повышения потенциала на электродах и не требуется модуляции.

Обеспечивается система для управления коррозией железобетона, загрязненного атмосферными загрязнителями, например, оксидами серы, оксидами азота, сероводородом, солями, используемыми для обработки дорожного покрытия, например, хлоридом натрия и хлоридом калия, которые впитываются в бетон и воздействуют на стальной арматурный пруток. В настоящем изобретении объединены либо (а) -1005454 электроосмотическая обработка с катодной защитой, использующей расходуемый анод, либо (Ь) электроосмотическая обработка с катодной защитой, использующей подаваемый ток. В последнем способе производится удаление ионов, вредных для стали, и снижается коррозионная агрессивность среды, окружающей сталь.

Поскольку электроосмотическое воздействие снижает концентрацию ионов в толще бетона, тем самым повышая его сопротивление, было бы логично заключить, что в таких условиях ток, необходимый для поддержания катодной защиты, должен увеличиться; в конце концов проводимость уменьшилась бы настолько, что поддержание плотности тока катодного тока стало нерентабельным и ток должен быть отключен. Поэтому не является очевидным, что электроосмотическая обработка железобетона будет способствовать снижению требований к уровню потребляемой энергии для поддержания достаточной коррозионной защиты арматурного прутка.

В качестве общего критерия для сравнения эффекта объединения процессов, в которых условия различны, выбрана эффективность процессов в борьбе с коррозией. Считается, что эффективность равна нулю, когда отсутствует какая-либо защита; эффективность определяется как количество металла, которое не было потеряно в результате защиты, отнесенное к количеству металла, который был бы потерян в отсутствие защиты, или:

(скорость коррозии без защиты) - (скорость коррозии с защитой), деленное на (скорость коррозии без защиты).

В настоящем описании используются следующие термины:

Е_с обозначает коррозионный потенциал арматурного прутка. Е_с измеряется относительно электрода сравнения, соединенного с круговой поверхностью образца бетона. Он записывается со знаком минус относительно стандартного водородного электрода.

Е_р обозначает потенциал, при котором должен подаваться эффективный подаваемый ток для катодной защиты.

ΟΌ - плотность тока для катодной защиты = ток, деленный на площадь поверхности арматурного прутка, имеющей контакт с бетоном.

СР - подаваемый для катодной защиты ток, обозначаемый по разному в разных случаях.

ЕР - постоянный ток для электроосмотической обработки, при которой из бетона выводятся анионы-загрязнители;

ЕЬ обозначает агрессивный соляной раствор, имеющий в основном нейтральный показатель рН, служащий электролитом, в который погружаются образцы.

Сущность изобретения

Было установлено, что при сочетании электроосмотического постоянного тока (ЕР), подаваемого при значении менее 1 мА на 1000 см³ (миллиампер/1000 см³ бетона), а в предпочтительном варианте выполнения менее 0,2 мА на 1000 см³, при безопасном для человека напряжении, и анода, контактирующего с наружной поверхностью бетона, пропитанного в основном нейтральным соляным раствором, эффективно снижается концентрация агрессивных анионов в бетоне, даже если величина постоянного тока находится в интервале от 0,01 мА до менее чем 1 мА, и напряжении менее 100 В, а в предпочтительном варианте выполнения, менее 70 В. Далее, при использовании такой электроосмотической обработки в качестве первого этапа обработки, пока значение тока не покажет снижение концентрации вредных анионов, и затем, по прошествии менее шести месяцев, при проведении катодной защиты, в предпочтительном варианте выполнения посредством подаваемого катодного тока (СР) при сравнительно низком напряжении, плотность тока СР, необходимая для катодной защиты, оказывается неожиданно малой. Такое снижение требуемой плотности тока подаваемого тока СР, в сочетании с низкими затратами на монтаж и эксплуатацию новой системы, многократно, от 3 до 30 раз, повышает эффективность обычной системы катодной защиты, использующей как подаваемый ток, так и расходуемые аноды. Более того, хотя электроосмотическую обработку можно осуществить, используя элементы арматуры в бетоне в качестве катода, в предпочтительном варианте выполнения катод располагается снаружи бетонной конструкции; такой внешний катод для электроосмотического тока (ЕР) уже не является элементом арматуры в бетоне.

Поэтому общей задачей настоящего изобретения является осуществление электроосмотической обработки в комбинации с системой катодной защиты для обеспечения практического отсутствия коррозии в старой конструкции из загрязненного ионами бетона, с использованием значительно меньшего тока, чем был бы необходим для осуществления той же степени защиты в обычной системе катодной защиты. Перенос ионов-загрязнителей из бетона под действием электрического поля, за которым сразу же следует катодная защита, и повторение этой последовательности при необходимости оказалось эффективным. Одновременное выполнение и электроосмотической обработки и катодной защиты неожиданно оказывается еще более эффективным, чем последовательная обработка, при этом работа одной цепи практически не влияет на работу другой.

Частной задачей изобретения является создание способа для последовательной защиты, с использованием раздельных цепей электроосмотической обработки и катодной защиты, конструкций, сильно поврежденных в результате длительного пребывания в кислотной атмосфере. Электроосмотическая обра

-2005454 ботка начинается, когда сопротивление постоянному ЕР току низко настолько, чтобы обеспечить прохождение тока плотностью более 1000 мкА на 1000 см³ при напряжении 36 В. Ток ЕР отключается, когда значение тока падает ниже уровня около 200 мкА на 1000 см³, что означает падение концентрации ионов до приемлемо низкого уровня. Подаваемый ток СР включается на безопасном уровне напряжения менее 100 В для поддержания потенциала Е_р требуемой величины, обычно превышающей приблизительно на 150-300 мВ (численное значение, относительно водородного электрода имеющее отрицательный знак) коррозионный потенциал арматурного прутка. Ток СР поддерживается до тех пор, пока плотность тока не превысит величины, считающейся экономически выгодной (порога рентабельности). Например, когда плотность тока превышает приблизительно 300 мА/м², затраты на проведение катодной защиты обычно считаются экономически нецелесообразными; желательно, чтобы плотность тока СР не превышала 200 мА/м². По достижении порога рентабельности ток СР отключается и активируются цепи электроосмотической обработки до тех пор, пока не будет удалено достаточное количество ионов, чтобы сделать рентабельной катодную защиту с использованием только подаваемого тока СР. Такая чередующаяся последовательность может быть повторена столько раз, сколько необходимо для того, чтобы удерживать коррозию металла в допустимых пределах в течение неопределенного времени. Концентрация солей в бетоне определяется путем измерения плотности тока, протекающего при выбранном безопасном напряжении, и не требуется никакого анализа для определения содержания оставшихся в бетоне ионов. Управление системой осуществляется программируемыми средствами управления, связанными с источником энергии.

С другой стороны, электроосмотическая обработка и катодная защита конструкции из бетона, содержащего хлор и серу, может быть начата одновременно путем использования двух раздельных электрических цепей, функционирующих параллельно, используя различные аноды и катоды, пока величины электроосмотического тока и подаваемого катодного тока не превысят экономически выгодного уровня. После этого для эффективной катодной защиты достаточно использовать только катодную защиту с расходуемым анодом, либо с подаваемым током низкой плотности.

Указанные выше, а также другие задачи и преимущества изобретения будут лучше понятны на примере приведенного ниже подробного описания, сопровождаемого схематическими иллюстрациями предпочтительных вариантов выполнения изобретения, где одни и те же элементы имеют одинаковые цифровые обозначения.

Перечень фигур чертежей

Фиг. 1 схематически изображает обычную систему катодной защиты посредством подаваемого тока, причем электрод сравнения используется для измерения потенциала арматурного прутка;

фиг. 2 схематически изображает обычную систему катодной защиты с расходуемым анодом, врытым в землю рядом с бетонной конструкцией;

фиг. 3 схематически изображает обычную систему катодной защиты с несколькими расходуемыми анодами, помещенными в бетонной конструкции;

фиг. 4 схематически иллюстрирует контейнер, в котором проводились эксперименты с образцами бетона, упрочненного арматурным прутком;

фиг. 5 схематически иллюстрирует систему катодной защиты подаваемым током, в которой используется по существу инертный, нерастворимый анод, выполняющий двойную функцию обеспечения, с одной стороны, необходимой цепи для катодной защиты и, с другой стороны, необходимой цепи для электроосмотической обработки бетона;

фиг. 6 схематически иллюстрирует систему защиты с расходуемым анодом, в которой растворяемый анод выполняет двойную функцию обеспечения, с одной стороны, необходимой цепи для катодной защиты и, с другой стороны, необходимой цепи для электроосмотической обработки бетона;

фиг. 7 представляет графическую зависимость эффективности (%) от плотности тока, выраженной в мА/м² (миллиампер/кв.метр), начинающуюся с нулевого подаваемого тока, для обычного случая использования подаваемого катодного тока в образцах железобетона, погруженных в раствор с практически нейтральным рН;

фиг. 8 представляет графическую зависимость скорости коррозии (мкм/год) от плотности тока, выраженной в мА/м² (миллиампер/квадратный метр), для обычного случая использования подаваемого катодного тока в образцах железобетона, погруженных в раствор с практически нейтральным рН.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Когда кислота, щелочь или соль растворены в воде или каком-либо ином диссоциирующем растворителе, молекулы растворенного вещества частично или полностью распадаются на ионы, из которых одни несут положительный заряд и называются катионами, а равное число других несут отрицательный заряд и называются анионами. Свежеприготовленный, жидкий бетон имеет, в основном, ионы Са⁺ и ОН^-. В старой бетонной конструкции, подкисленной обычными загрязнителями окружающей среды, ионами которых, в основном, являются 8О4^2- или 8О3^2-, СО₃ ^2- и С1^-, ни анионы ОН^-, если они и есть, ни катионы Са²⁺ или Н⁺ опасности не представляют. Поскольку при электроосмотической обработке постоянным током на некоторое количество анионов, выведенных из бетона, соответствующее число полезных катионов уходит из анода, постоянный ток очищает сильно загрязненный бетон.

-3005454

Катодная защита посредством подаваемого тока вместе с электроосмотической обработкой в настоящее время используется для удаления таких агрессивных частиц, как хлориды, сульфаты и сульфиды, из толщи железобетона. Сначала используется ток, пропускаемый между внешним катодом и внешним анодом для электроосмотической обработки бетона; в предпочтительном варианте выполнения это осуществляется при максимальном напряжении, считающемся допустимым и безопасным, и максимальном значении тока, соответствующем выбранному напряжению при данном сопротивлении бетона. По соображениям безопасности, выбираемое напряжение не должно представлять опасности для человека, составляя в предпочтительном варианте от 10 до 70 В, желательно 30-50 В. Ток, необходимый в типовых условиях, мал, обычно менее 1 мА, желательно, менее 0,1 мА, с плотностью в интервале от приблизительно 200 до 1000 мкА на 1000 см³ бетона, в зависимости от степени загрязнения: чем сильнее загрязнение, тем больше ток. При значительном снижении концентрации вредных ионов, ток обычно падает ниже 200 мкА на 1000 см³.

В качестве расходуемых анодов используются стержни из алюминия или сплавов с большим содержанием алюминия, магния или сплавов с большим содержанием магния, цинка или сплавов с большим содержанием цинка, которые располагаются вблизи конструкции или внутри нее, и имеют гальваническую связь со стальным арматурным прутком; либо используется арматурный пруток с цинковым покрытием. В любом случае, необходимая масса анода равна количеству металла, который постепенно растворяется, причем это количество металла пропорционально количеству электричества, прошедшего через гальваническую цепь, и времени, за которое произошло растворение металла (закон Фарадея). Поскольку защита планируется на долгий срок, а скорость растворения анода при возникновении коррозии обычно достаточно высока, необходимая масса расходуемого анода для длительного периода, например, 100 лет, также велика. Более того, периодическая замена анодов для осуществления постоянной защиты в лучшем случае неудобна, а зачастую невозможна. Поэтому использование подобных расходуемых анодов уступило место применению источников тока, создающих подаваемый катодный ток через разъедаемый металл. Благодаря управлению подаваемым током, срок службы конструкции не ограничивается коррозией ее стальной арматуры.

В системе катодной защиты подаваемый ток пропускается через анод, расположенный в электролите, а затем через арматурный пруток в конструкции. В распространенной форме такая защита, в которой роль катода выполняет стальной арматурный пруток, требует больших затрат, так как для достижения требуемого низкого уровня коррозии необходима значительно более высокая плотность тока, чем при достижении того же уровня коррозионной защиты арматурного прутка, находящегося в среде, концентрация агрессивных ионов в которой была снижена. Установлено, что когда концентрация агрессивных ионов в бетоне низка, плотность подаваемого тока также низка, менее 100 мА/м²; при увеличении концентрации агрессивных ионов возрастает также и плотность тока. Когда ток достигает приблизительно 200 мкА, подаваемый ток отключается и включается электроосмотический ток.

Как показано на фиг. 1 и 2, обычная система катодной защиты с расходуемым анодом содержит арматурный пруток 2, заделанный в бетонную колонну 1, причем расходуемый анод 3 в системе, изображенной на фиг. 2, расположен снаружи бетона, а в системе, изображенной на фиг. 3, заделан в бетон. Каждая из этих систем в целом не столь эффективна, как система с подаваемым током, что обусловлено низкой отдаваемой мощностью. Причина более низкой отдаваемой мощности связана с низкой разностью напряжений или потенциалов между расходуемым анодом и разъедаемой в соляной среде в бетоне сталью. Потенциал обычно составляет менее 1 В, а часто около 0,5 В. Поскольку бетон имеет сопротивление более высокое, чем обычная сырая земля, достигающее 100 000 Ом-см, сопротивление в цепи составляет сотни или тысячи Ом. При высоком сопротивлении отдаваемый ток мал.

В обычной системе, использующей подаваемый ток, например, показанной на фиг. 1, арматурный пруток 2, заделанный в бетонную колонну 1, соединен в качестве катода с источником 5 энергии, к которому также подключен внешний инертный анод 6. На поверхности бетонной колонны располагается электрод 4 сравнения.

Скорость коррозии при отсутствии тока (отсутствие защиты) составляет приблизительно 450 мкм/год; при плотности тока 200 мА/м² скорость коррозии составляет около 20 мкм/год, что уже считается пренебрежимо малой величиной. Таким образом, для достижения приблизительно 95% эффективности защиты, требуемая плотность тока составляет 200 мА/м², при этом эффективность определяется как скорость коррозии при заданной плотности тока, отнесенной к скорости коррозии в отсутствие тока. Для достижения 80% эффективности требуется плотность тока около 120 мА/м². Использование новой системы позволяет избежать высоких затрат, присущих обычной защите.

Несмотря на то, что представленная на фиг. 2 система с расходуемым анодом может быть использована с внешним катодом, как это показано на фиг. 6, она не столь эффективна, как система с подаваемым током. В показанной на фиг.6 системе арматурный пруток 2 упрочняет бетонную колонну 1, а внешний анод 3 соединен с системой 7 управления; внешний катод 6 также соединен с системой 7 управления. Низкая выдаваемая мощность системы делают ее менее эффективной, чем системы с подаваемым током.

-4005454

Таким образом, предпочтительно использование системы катодной защиты с подаваемым током, например, показанной на фиг. 1, в сочетании с дополнительным катодом, как показано на фиг. 5. Как на фиг. 5, так и на фиг. 6, электроды сравнения не показаны, чтобы избежать путаницы.

Новая система защиты от коррозии обычно используется в старых конструкциях, серьезно поврежденных кислотными загрязнениями. Сначала проводится электроосмотическая обработка до тех пор, пока концентрация агрессивных загрязнителей не упадет до удовлетворительного уровня, что определяется по снижению тока (ЕР) до плотности менее 200 мкА, а, желательно, до менее, чем 100 мА; после этого ток отключается. Сразу же после этого, желательно, менее чем через шесть месяцев, а лучше, менее чем через один месяц, выполняется катодная защита посредством подаваемого тока при плотностях тока, представляющихся экономически выгодными. Подаваемый ток поддерживается до тех пор, пока количество накапливающихся загрязнителей не достигнет вредного уровня. После этого, возобновляется электроосмотическая обработка.

При выполнении катодной защиты нового сооружения, в предпочтительном варианте она обеспечивается подаваемым током до тех пор, пока количество накапливающихся загрязнителей не достигнет уровня, считающегося вредным. Сразу же после этого, желательно, в пределах шести месяцев, начинается электроосмотическая обработка, продолжающаяся до тех пор, пока концентрация агрессивных загрязнителей не снизится до приемлемого уровня.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения электроосмотическая обработка и катодная защита выполняются одновременно, включая катодное соединение первого катода с источником напряжения, имеющим достаточный отрицательный потенциал для обеспечения электроосмоса ионов внутри упомянутого бетона, причем первый катод располагается снаружи упомянутой бетонной конструкции в непосредственной близости от нее; поддержание электроосмотического переноса ионов от упомянутого бетона до тех пор, пока проводимость упомянутого бетона не снизится настолько, чтобы достичь плотности тока, равной приблизительно 200 мА/м² или менее; катодное соединение арматурного прутка с источником электроотрицательного потенциала, величина которого позволяет создать подаваемый ток достаточной величины для снижения катодного потенциала упомянутого арматурного прутка в заданных пределах; анодное соединение упомянутого источника потенциала с анодом, расположенным вблизи к упомянутому арматурному прутку; и поддержание тока от источника электроотрицательного потенциала при потенциале, численно превышающем на величину от приблизительно 150 до менее 300 мВ коррозионный потенциал упомянутого датчика коррозионного потенциала, до тех пор, пока плотность тока не превысит 100 мА/м². В предпочтительном варианте выполнения производится непрерывное измерение коррозионного потенциала на поверхности арматурного прутка относительно электрода сравнения на поверхности бетона.

Программируемые средства управления, соединенные с источником энергии, получают данные от датчиков, расположенных внутри бетонной конструкции или на ее поверхности, либо и там, и там, для получения информации, касающейся коррозионного потенциала на арматурном прутке, уровня рН бетона и концентрации солей в различных точках внутри конструкции, и действуют согласно этим данным.

Система для обеспечения коррозионной устойчивости стальной арматуры железобетонной конструкции содержит бетонную массу, в которой размещены прутки (стальные элементы), имеющие электрическое соединение друг с другом; внешний источник энергии, управляемый и связанный с программируемыми средствами управления, которые связаны с последовательно включенными датчиками с возможностью действия на основании данных от внешнего источника энергии и от датчиков; средства анодного подсоединения внешнего силового источника потенциала к аноду, расположенному в непосредственной близости к упомянутому арматурному прутку; средства катодного соединения первого катода с внешним источником энергии для создания электроосмотического потока ионов из бетона посредством подаваемого от упомянутого внешнего источника тока; средства катодного соединения арматурного прутка с упомянутым внешним источником энергии для снижения катодного потенциала стали до заданных пределов посредством создания упомянутым внешним источником электроотрицательного потенциала относительно измеренного постоянного потенциала; и средства поддержания тока от источника электроотрицательного потенциала при потенциале, численно превышающем на величину от приблизительно 150 до менее 300 мВ коррозионный потенциал датчика коррозионного потенциала.

Для обеспечения последовательного (первого) режима с применением подаваемого тока СР, система, представленная на фиг. 5, работает следующим образом.

Источник 5 энергии соединен с катодом 6, зарытым в землю рядом с бетонной колонной 1, и также соединен с нерастворимым анодом 8, расположенным в непосредственной близости к бетону, желательно, имеющим контакт с поверхностью бетона. Используемый ток при напряжении 36 В имеет величину, обеспечивающую получение электроосмотического эффекта, достаточного для оттягивания анионов С1и других анионов к аноду 8, в то время как катионы Να' и другие катионы мигрируют к катоду 6. Измерения, выполняемые посредством электрода сравнения, отслеживают коррозионный потенциал (Е_с) арматурного прутка как во время электроосмотической обработки, так и выполнения катодной защиты.

Когда сопротивление бетонной колонны еще достаточно высоко для того, чтобы обеспечить протекание тока ЕР при достаточно низком токе, составляющем около 200 мкА, а, желательно, менее 100

-5005454 мА/м², катод 6 отсоединяется от источника 5 энергии, что останавливает процесс электроосмоса, а арматурный пруток 2 соединен с отрицательным полюсом источника 5 энергии. Продолжительность времени, в течение которого должен выполняться каждый шаг, изменяется в зависимости от среды, окружающей арматурный пруток в бетоне и характеристик почвы вокруг колонны, имеющей в основном нейтральный показатель рН.

Для обеспечения последовательного режима с использованием расходуемого анода отрицательный полюс системы 7 управления соединяется с катодом 6, врытым в землю рядом с бетонной колонной 1, и, желательно, имеющим контакт с ее поверхностью, а положительный полюс системы 7 соединяется с расходуемым анодом 3. Используется ток ЕР, достаточный для обеспечения электроосмотического эффекта, оттягивающего анионы С1^- и другие анионы к аноду 3, в то время как катионы Να' и другие катионы мигрируют к катоду 6. Как и прежде, когда величина тока ЕР становится достаточно малой, он отключается. Затем арматурный пруток подсоединяется к отрицательному полюсу системы 7 управления и катодная защита обеспечивается использованием расходуемого анода 3. Как и ранее, при необходимости эта последовательность процессов может повторяться.

Было установлено, что при использовании как подаваемого тока СР, так и расходуемого анода, та же самая скорость коррозии достигается при плотности тока, составляющей менее половины той, что требуется в обычной системе катодной защиты, как с подаваемым током, так и с расходуемым анодом.

Для обеспечения одновременного (второго) режима, в системах, показанных на фиг. 5 и 6, поддерживается электроосмотический ток ЕР, и при этом в цепи катодной защиты обеспечивается гальваническое соединение между арматурным прутком и анодом. Когда подаваемый ток СР используется в комбинации с ЕР, две отдельные цепи функционируют одновременно в общей среде, обладающей в основном нейтральным рН.

Каждый пронумерованный образец представлял собой железобетонный цилиндр, диаметром 10 см и высотой 20 см, сделанный с использованием 300 кг Портланд-цемента на кубометр бетона. В центре каждого цилиндра вдоль оси заделан чистый, без ржавчины, стержень из углеродистой стали диаметром

1,5 см и длиной 25 см. Каждый стержень в каждом образце был взвешен перед заделкой. Кроме того, в каждый образец, рядом с центральным стержнем был заделан рН электрод для измерения величины показателя рН в функции времени. После каждого испытательного цикла верхняя часть каждого арматур ного прутка, используемого для электрического соединения в качестве второго катода, отрезается заподлицо с верхом бетонного цилиндра для уменьшения ошибки, обусловленной коррозией верхней части, подверженной непосредственному воздействию агрессивных элементов в испытательной камере, но не пользовавшейся защитным действием бетона.

Для ускорения атмосферного повреждения, которое в нормальных условиях происходило бы в течение десятилетий, все образцы подвергаются предварительной обработке в течение 30 дней в испытательной камере, содержащей искусственную агрессивную атмосферу. Агрессивная атмосфера в испытательной камере имеет следующий состав:

Хлорид, С1^-

Диоксид серы §О₂

Относительная влажность, КН

Температура в камере

Поступление агрессивных ионов С1^- обеспечивается непрерывным впрыском в камеру раствора ΝαΟΊ в течение 30 дней. Концентрация ΝαΟΊ на поверхности образца периодически измеряется, обычно каждые 2 ч. Концентрация ионов С1^- подсчитывается с учетом площади поверхности образца и поддерживается постоянной в течение 30 дней. Концентрация газообразного диоксида серы поддерживается постоянной в течение 30 дней. Эффект старения в испытательной камере оценивается по результатам измерения в каждом образце показателя рН в зависимости от времени. Установлено, что рН изменяется от образца к образцу для каждого промежутка времени в указанных пределах в соответствии с данными табл. 1.

1,5 г/м² в час (измеряется на поверхности цилиндра) 30 мг/м³

100%

55°С

Таблица 1

День #	1	10	20	30
рН	12,0-13,4	7,6-9,1	7,4-8,3	6,8-8,0

Затем в специальных защитных условиях проводилось испытание образцов для определения разъедающего воздействия ЕЬ, с погружением их в электролит.

Электролит ЕЬ готовился растворением в дистиллированной воде указанных ниже солей так, что их концентрации, измеряемые в г/л, составляли: 25 для ΝαΟΊ: 2,5 для МдС1₂; 1,5 для СаС1₂; 3,4 для Ыа₂8О₄ и 0,1 для СаСО₃. рН раствора составляет 7-8.

На фиг. 4 показан непроводящий электричество пластиковый контейнер 10, наполненный электролитом ЕЬ, по центру которого помещен образец 12 из железобетона, с торчащей из верхней поверхности образца верхней части арматурного прутка 11. Арматурный пруток 11 выполняет роль катода (здесь называется вторым катодом) и соединен с отрицательным полюсом Ν источника энергии. Верхняя часть

-6005454 арматурного прутка расположена почти вровень с верхней частью бетона для сведения к минимуму ошибки, обусловленной коррозией верхней части прутка под прямым воздействием агрессивных элементов в испытательной камере, в отсутствие защитного действия бетона, причем верхней части арматурного прутка достаточно для обеспечения электрического соединения в качестве второго катода. Аноды 14 и 14' подвешены в электролите с каждой стороны образца и соединены с разными положительными полюсами Р и Р' источника 13 энергии; первый катод также подвешен в электролите, на расстоянии от поверхности образца, и, как и второй катод, также соединен с отрицательным полюсом источника энергии. Каждая пара полюсов обеспечивает ток для цепей, выполняющих различные функции, одна - катодной защиты, вторая - электроосмотической обработки.

В первом варианте выполнения настоящего изобретения цепи используются по очереди, при этом ток ЕР используется для снижения концентрации в бетоне агрессивных ионов, затем он отключается и проводится защита посредством подаваемого катодного тока до тех пор, пока плотность тока не достигнет уровня, считающегося экономически выгодным; после этого снова включается ток ЕР. Электрод 16 сравнения размещается так, что имеет контакт с круговой поверхностью образца, и подсоединяется к источнику энергии для измерения опорного коррозионного потенциала Е_с арматурного прутка. По прошествии только трех дней Е_с трудно измерить достоверно, но после приблизительно 10 дней он составляет около - 360 мВ и остается в основном постоянным, независимо от того, в какой образец вделан арматурный пруток. Значение Е_с регистрируется относительно стандартного водородного электрода.

В первой серии экспериментов коррозионный эффект электролита измерялся на образцах в контейнере 10 по прошествии 10, 140 и 180 дней в отсутствие зашиты от агрессивного воздействия электролита, в который был погружен каждый образец; Е_с измерялся каждый день. Для измерения коррозионного эффекта образец извлекался в конце установленного промежутка времени, например, 10 дней, разрушался для освобождения арматурного прутка, с последующей очисткой прутка от прилипшего бетона и ржавчины. Очищенный арматурный пруток затем взвешивался и определялась потеря веса. При известной площади круговой поверхности чистого арматурного прутка, с добавлением площади его круглых верхней и нижней поверхностей, каждая из которых имеет диаметр 1,0 см, вычислялась потеря веса на см². Затем, для плотности стали, равной 7,9 г/см³, и с учетом промежутка времени, в течение которого происходила коррозия, вычисляется скорость коррозии, как толщина разрушенного слоя металла, мкм/год. Результаты представлены в приведенной ниже табл. 2.

Т	аблица 2. Скорость кор	розии в отсутствие защиты
День, #	- Е_с (мВ)	Скорость коррозии, мкм/год	Эффективность
10	360	385	0
140	355	210	0
180	360	220	0

Как можно было предполагать, скорость коррозии значительно выше через 10 дней, чем через 140; и скорость коррозии через 180 дней не намного выше, чем через 140 дней. Испытания были остановлены через 180 дней, поскольку скорость коррозии достигла постоянного уровня, равного около 220 мкм/год.

Поскольку защита в данном случае отсутствовала, эффективность считается нулевой.

Во второй серии экспериментов, для оценки влияния электроосмотической обработки под действием электроосмотического тока, каждый прошедший предварительную обработку образец бетона сразу же помещался в контейнер 10 и выдерживался там в течение 10 дней, с ежедневным измерением Е_с. Через 10 дней при появлении надежных результатов измерений Е_с, включался ток ЕР электроосмотической обработки для выведения как можно большего числа ионов из бетона при поддержании на уровне 36 В напряжения тока ЕР и соответствующем изменении ЕР. Данное напряжение, при котором должны выполняться измерения тока при электроосмотической обработке, произвольно выбрано равным 36 В, поскольку это напряжение не опасно для человека. Эффект воздействия ЕР, начиная с конца первого дня его включения, регистрировался. Результаты представлены в таблице 3, приведенной ниже:

Таблица 3. Скорость коррозии при ЕР обработке, без катодной защиты

День №	ЕР, мкА	-Е_с, мВ	Скорость коррозии, мкм/год	Эффективность, %
1	700-800	320	165	25
5	300-400	320	105	52
10	100-200	280	70	68
180	50-100	320	45	79

Как можно было предположить, из-за высокой начальной концентрации солей, ток ЕР при напряжении 36 В оказался высоким, 700-800 мкА. После 10 дней из бетона выведено достаточное количество агрессивных ионов, чтобы довести протекающий ток ЕР до уровня 100-200 мкА, при котором коррозия составляет 70 мкм/год; после 180 дней величина тока ЕР, протекающего при напряжении 36 В, упала до

-7005454

50-100 мкА с соответствующей этому интервалу токов скоростью коррозии 45 мкм/год. Очевидно, что за период в 170 дней скорость коррозии не уменьшилась даже вдвое и дальнейшее улучшение будет значительно более медленным, чем в первые дни 180-дневного интервала. Однако, величина тока ЕР, протекающего по прошествии только 10 дней, составляет около одной пятой от начального значения тока (средний начальный ток составляет 750 мкА; через 10 дней средний ток составляет 150 мкА).

В третьей серии экспериментов, для определения эффекта только одной обычной катодной защиты после очистки посредством ЕР, каждый образец бетона сразу же после предварительной обработки помещался в контейнер 10 и выдерживался там в течение 10 дней с ежедневным измерением Е_с. По прошествии 10 дней для обеспечения катодной защиты арматурного прутка включался подаваемый катодный ток СР при фиксированном Е_р, составляющем отрицательные милливольты по отношению к водородному электроду. Приведенные значения Е_с и Е_р соответствуют измеренным по прошествии 180 дней. Результаты приведены ниже в табл. 4.

Таблица 4. Скорость коррозии с катодной защитой

День №	-Ес (мВ)	-Ер (мВ)	сэ (мА/м²)	Скор. корр., мкм/год	Эффективность,%
180	355	385	20	167	28
180	335	390	40	132	40
180	350	415	60	94	57
180	340	465	120	41	81
180	355	520	200	11	95

Как можно было предполагать, скорость коррозии по прошествии 180 дней значительно выше при низкой плотности тока, чем при высокой плотности тока. Подаваемый катодный ток СР был отключен после удвоения тока (потребление тока увеличилось в два раза). Этот уровень превышения СР тока был выбран произвольно, по экономическим соображениям; при более низкой стоимости тока мог быть выбран фактор превышения 3 или выше. Этот относительно высокий ток (двойной), при котором еще сохраняется рентабельность процесса, создает плотность тока, равную 200 мА/м³, при которой скорость коррозии составляет 11 мкм/год. Такая скорость коррозии считается приемлемой, поскольку в реальном масштабе времени это соответствует приблизительно 50 годам. Поскольку скорость коррозии после 180 дней без защиты составляет 220 мкм/год, расчетное значение эффективности составляет (220-11)/220, что дает 95%.

Чтобы продемонстрировать эффект использования электроосмотической обработки, проводимой в течение короткого промежутка времени и достаточной для устранения части агрессивных ионов, но которая оставит в бетоне достаточно ионов, чтобы сделать последующую катодную защиту очень эффективной, была проведена четвертая серия экспериментов. В этой четвертой серии, для оценки эффекта катодной защиты после удаления количества ионов, которое обеспечивает 10-дневное воздействие ЕР тока, каждый образец был подвергнут воздействию электроосмотического тока при напряжении 36 В, как и образцы во второй серии экспериментов.

ЕР ток отключен по прошествии 10 дней, в течение которых из образцов была удалена часть агрессивных ионов, после чего образцы были подвергнуты воздействию подаваемого тока СР в ходе 180дневной катодной защиты. Коррозионный потенциал Е_с в течение каждого промежутка времени измерялся посредством электрода сравнения. Результаты приведены ниже в табл. 5.

Таблица 5. Скорость коррозии при катодной защите после 10 дней ЕР

День №	-Ес, мВ	’Е» мВ	сэ, мА/м²	Скор. корр., мкм/год	Эффективность, %
180	305	425	35	32	85
180	310	480	55	9	96

По этим результатам видно, что при предварительной очистке ионов с помощью электроосмотической обработки в подвергнутом испытанию бетоне, последующая катодная защита при практически том же уровне, что и в третьей серии экспериментов (см. табл. 4), обеспечивает приблизительно ту же скорость коррозии, но при значительно меньшей плотности тока. Например, скорость коррозии с катодной защитой в табл. 4 при плотности тока 120 мА/м² составляет 41 мкм/год; однако, при предварительной очистке в течение 10 дней и последующей катодной защите при плотности тока подаваемого тока, равной только 35 мА/м², скорость коррозии получается приблизительно той же самой - 32 мкм/год. Другими словами, такая же высокая степень защиты достигается при плотности тока, приблизительно в 3,5 раза меньшей, чем была бы необходима в противном случае, что приводит к неожиданной экономии расходов на защиту.

-8005454

В описанном способе обработки железобетонной конструкции со стальной арматурой сначала на поверхность конструкции подают в основном нейтральный электролит, затем подключают первый постоянный ток между стальной арматурой в конструкции и электродом, расположенным смежно с внешней поверхностью конструкции, посредством чего вызывают перенос ионов к электроду до установления в основном постоянной величины тока, затем выключают первый постоянный ток и включают подаваемый катодный ток до достижения экономически невыгодного уровня его величины, после чего повторяют первую операцию. Этот цикл может повторяться сколь угодно долгое время. Очевидно, что использование цикла обработки, начинающегося с электроосмотической обработки в течение относительно короткого времени, за которой следует катодная защита подаваемым током, проводимая, пока не наступит удвоение тока, позволит поддерживать коррозию на уровне не более 11 мкм/год бесконечно долгое время при плотностях тока, не превышающих 200 мА/м².

Во втором варианте выполнения изобретения установлено, что как ЕР, так и СР токи могут быть использованы одновременно. Несмотря на то, что ток, протекающий между одной парой электродов, может оказывать незначительное влияние на ток, протекающий между другой парой электродов, эти токи, по существу, не зависят один от другого. Как и ранее, загрязненные образцы сначала подвергались воздействию ЕР тока при напряжении 36 В, пока он не падал до уровня, показывающего, что основная часть агрессивных ионов из бетона удалена. Затем, вместо отключения ЕР тока перед включением СР тока (как в первом варианте выполнения), включался СР ток при сохраняющемся ЕР токе. Приводятся данные для двух различных уровней СР тока, при уровнях ЕР тока, равных 100 мкА и 50 мкА. Как и ранее, приведенные ниже значения Е_с измерены посредством электрода сравнения в конце 180-дневного интервала. Результаты приведены ниже в табл. 6.

Таблица 6. Скорость коррозии при одновременном воздействии ЕР и СР токов

День №	ЕР, мкА	-Ес, мВ	-Ер, мВ	си, мА/м²	Скорость коррозии, мкм/год	Эффективность, %
180	100	360	470	22	32	85
180	100	360	530	36	10	95
180	50	305	420	30	24	89
180	50	310	470	40	7	97

Из сказанного выше очевидно, что одновременное применение ЕР и СР токов обеспечивает достижение приблизительно такой же или более низкой скорости коррозии, и при более низкой плотности тока, чем при последовательном применении.

В описанных выше способах обработки железобетонных конструкций со стальной арматурой на поверхность конструкции подают в основном нейтральный электролит, подключают первый постоянный ток между стальной арматурой в конструкции и электродом, расположенным смежно с внешней поверхностью конструкции, посредством чего вызывают перенос ионов к электроду, и при это осуществляют одновременное приложение подаваемого катодного тока.

Эта система содержит бетонную массу, в которой размещены стальные элементы, имеющие электрическое соединение друг с другом; внешний источник энергии, связанный с программируемыми средствами управления, к которым поступают данные от датчиков, включенных последовательно. Программируемые средства управления действуют на основании данных, поступающих как от внешнего источника энергии, так и от датчиков. Анод, находящийся снаружи конструкции, расположен в непосредственной близости к стали и соединен с внешним источником энергии. Первый катод также соединен с внешним источником энергии, который обеспечивает достаточный ток для создания переноса ионов, и обеспечивает электроосмотический поток ионов из бетона. Стальной элемент имеет катодное соединение с внешним источником энергии, обладающим электроотрицательным потенциалом относительно упомянутого измеренного постоянного потенциала, достаточным для снижения катодного потенциала стали до заданных пределов; и источник энергии поддерживает подаваемый ток при потенциале, который от приблизительно 50 до менее 300 мВ ниже коррозионного потенциала упомянутого арматурного прутка.

Неожиданный эффект повышения рентабельности работы системы в соответствии с настоящим изобретением демонстрируется графически, путем сравнения низких плотностей тока, при которых работает новая система для получения высокого уровня защиты, с обычной катодной защитой, которая для получения сравнимого уровня защиты должна использовать высокие плотности тока, которые в настоящее время являются нерентабельными. Как показано на фиг. 7, где приведена эффективность (%) в функции плотности тока, выраженной в мА/м² (миллиамперы на квадратный метр), начиная с нулевого подаваемого тока, для достижения 81% эффективности требуется плотность тока, равная 120 мА/м² (см. табл. 4). Как показано на фиг. 8, при той же плотности тока 120 мА/м², скорость коррозии составляет 41 мкм/год. Как следует из данных табл. 6, сравнимые скорости коррозии получаются при значительно более низких плотностях тока.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обеспечения коррозионной устойчивости железобетонной конструкции со стальной арматурой, отличающийся тем, что включает в себя первый этап подачи на поверхность конструкции в основном нейтрального электролита и пропускания первого постоянного тока между стальной арматурой в конструкции и электродом, расположенным смежно с внешней поверхностью конструкции, для инициирования переноса ионов к электроду до установления в основном постоянной величины тока, после чего подачу первого постоянного тока прекращают, и второй этап подачи катодного тока до достижения значения плотности катодного тока, составляющей 300 мА/м², после чего повторяют первый этап.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют непрерывное измерение коррозионного потенциала на поверхности арматурного прутка по отношению к электроду сравнения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый постоянный ток подают до достижения им величины плотности тока выше 100 мА/м².
4. Способ обеспечения коррозионной устойчивости железобетонной конструкции со стальной арматурой, отличающийся тем, что на поверхность конструкции подают в основном нейтральный электролит, пропускают постоянный ток между стальной арматурой в конструкции и электродом, расположенным смежно с внешней поверхностью конструкции, для инициирования переноса ионов к электроду и при этом осуществляют одновременную подачу катодного тока.
5. Система для обеспечения коррозионной устойчивости стальной арматуры железобетонной конструкции, включающей в себя бетонную массу, в которой размещены стальные элементы, имеющие электрическое соединение друг с другом, отличающаяся тем, что она содержит внешний источник потенциала, связанный с программируемыми средствами управления, которые связаны с последовательно включенными датчиками силы тока с возможностью действия на основании данных от внешнего источника потенциала и от датчиков, анод, расположенный в непосредственной близости к стальным элементам, средства анодного подсоединения внешнего источника потенциала к аноду, первый катод, средства катодного соединения первого катода с внешним источником потенциала для создания электроосмотического потока ионов из бетона посредством пропускания тока, средства катодного соединения стальных элементов конструкции с внешним источником потенциала для снижения катодного потенциала стальных элементов до достижения потенциала, который ниже коррозионного потенциала на стальных элементах на величину от приблизительно 50 мВ до менее 300 мВ.