JP2012530191A - コンクリート中の鋼の腐食保護 - Google Patents

Abstract

電界モディファイアを使用して離散犠牲アノードの電流出力を増加させ、その防食効果を向上させるとともに、望ましい方向に電流出力を導いて、空気に曝される硬化鉄筋コンクリート要素中の鋼のガルバニ防食における電流分布を改善することが開示されている。一方法においては、犠牲アノード（２１）、電界モディファイア（２５）およびイオン伝導性の充填材（２８）の組合せが、コンクリート要素中に形成されたキャビティ内に埋設され、犠牲アノードが鋼（２２）に直接的に接続される。モディファイアは、酸化反応をサポートするアノード（２７）である面と、これと電子接触する、還元反応をサポートするカソード（２６）である面とを有する要素を備える。モディファイアのカソードが、犠牲アノードを向いて、それから充填材（２８）により分離される。充填材は、電解質を含み、この電解質が、犠牲アノードをモディファイアのカソードに接続する。モディファイアのアノードは、犠牲アノードの反対側を向く。モディファイアのカソード上の還元反応は、空気からの酸素の還元を実質的に含むことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、犠牲アノードを使用した鉄筋コンクリート構造物中の鋼の電気化学的保護に関し、特に、空気に曝される腐食損傷を受けたコンクリート要素における鋼の腐食を停止する分散された離散犠牲アノードアセンブリの使用に関するものである。

地上の鉄骨鉄筋コンクリート構造物は、主にコンクリートの炭酸化または塩化物汚染により生じる腐食による損傷に悩まされている。鋼補強が腐食すると、副産物が生じ、その副産物が、製品が由来する鋼よりも大きな体積を占める。その結果、膨張が鉄筋棒の周囲で生じる。これは、クラックおよび鋼に対するコンクリート被覆の剥離を引き起こす。一般的な修復は、コンクリート構造物から腐食損傷したコンクリートのパッチを取り除くことを伴う。損傷部位の腐食鋼を露出させて、その腐食鋼の背後のコンクリートを除去することは、好ましい実践である。その後、適合するセメント質の修復コンクリートまたはモルタルで、コンクリートの外形が修復される。その結果、コンクリートは、“原”コンクリート（すなわち、残留する元のコンクリート）と“新しい”パッチ修復材料からなる。

修復部位に隣接する原コンクリートは、典型的には、腐食損傷を生じさせた同じ塩化物汚染または炭酸化の一部に悩まされることが多い。鋼腐食は、原コンクリートにおいてリスクが残る。コンクリート中の腐食は電気化学的プロセスであり、電気化学的処理が、この腐食リスクに対処するために使用されている。その例が、国際公開公報ＷＯ９４０２９４９６号、米国特許第６３２２６９１号、米国特許第６２５８２３６号および米国特許第６６８５８２２号に記載されている。

確立された電気化学的処理には、陰極防食（cathodic protection）、塩化物抽出および再アルカリ化（re-alkalisation）が含まれる。それらは、永続的な処理または時間的な処理（temporary treatments）の何れかに分類される。永続的な処理は、処理が適用される間のみ継続することが期待される保護効果に基づくものである。陰極防食は永続的な処理の一例である。許容できる性能基準は、処理が適用されている間のみ達成することができる（ＢＳ ＥＮ１２６９６：２０００）。塩化物抽出および再アルカリ化は、時間的な処理の一例である（ＣＥＮ／ＴＳ １４０３８−１：２００４）。時間的な処理は、処理が終了した後に持続する保護効果に依存する。これは実際上、アプリケータが構造物を処理し、処理された構造物を処理契約の最後にクライアントまたは顧客に返すことを意味している。

また、電気化学的処理も、強制通電（impressed current）またはガルバニ（犠牲）処理の何れかに分類される。強制通電式の電気化学的処理においては、アノードがＤＣ電源の正極に接続され、鋼が負極に接続される。強制通電アノードは、多くの場合、不活性電極となるであろう。アノードは、実質的な酸化反応をサポートする電極であり、強制通電処理においては、印加電圧によって、電極がアノードに変えられる。

ガルバニ電気化学的処理においては、防食電流（protection current）が、鋼に直接接続された１またはそれ以上の犠牲アノードによって与えられる。犠牲アノードは、鋼よりも卑な（より陰性な）金属を備える電極であり、主なアノード反応が、犠牲金属要素の溶解となっている。犠牲アノードと鋼間の自然電位差が、犠牲アノードが鋼に接続されたときに、防食電流を駆動する。防食電流は、イオンとして、犠牲アノードから原コンクリート中の鋼に流れて、電子として、鋼および導体を介して犠牲アノードに戻る。正電荷の移動方向として、電流フローの方向を示す慣習が、本明細書中に使用されている。

コンクリート構造物用の犠牲アノードは、離散または連続アノードに分割することができる（米国特許第５２９２４１１号）。離散アノードは、区別できる個別要素であり、それらは保護される鋼を覆うコンクリートの表面積よりも遥かに小さいコンクリート表面に接触する。アノード要素は、犠牲アノードとして意図されていない導体であって、コンクリートのキャビティ内に通常は埋設される導体を介して、通常は互いに接続される（ＡＣＩ Ｒｅｐａｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ８−Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｇａｌｖａｎｉｃ Ａｎｏｄｅｓ（ｗｗｗ．ｃｏｎｃｒｅｔｅ．ｏｒｇ／ｇｅｎｅｒａｌ／ＲＡＰ−８．ｐｄｆ））。離散犠牲アノードシステムは、アノード、支持電解質および裏込め材（backfill）を含む。活性化剤（activating agent）は、犠牲アノード活性を維持するために含まれることが多い。裏込め材は、アノード溶解の産物を受け入れるための空間を提供し、周囲の硬化コンクリートの破壊を防止する。離散犠牲アノードは、コンクリート中に形成されるキャビティ内にアノードを埋めることにより、アノードとコンクリート構造物との間の耐久性のある結合を達成するのが比較的容易であるという利点を有する。

埋設された離散アノードを使用するコンクリート中の鋼のガルバニ防食は、土壌および水の中の鋼の犠牲陰極防食（sacrificial cathodic protection）とは異なる（ＢＳ ＥＮ１２９５４：２００１）。コンクリート中に埋められるアノードアセンブリは、コンクリートが埋められた膨張するアセンブリに耐えられない剛体材料であるので、位置関係的に安定でなければならない。アノード活性化剤は、コンクリートに固有のものであるか、あるいは、隣接する鋼に腐食の危険性を与えることのないように、配置される必要がある（国際公開公報ＷＯ９４０２９４９６号、英国特許第２４３１１６７号）。アノードは、コンクリート中の鋼の比較的近傍に配置され、埋設されたアノードは、その他の環境のアノードと比較すると小さい（離散アノードアセンブリの直径は、通常は５０ｍｍよりも小さい）。大気に曝されるコンクリートについてのガルバニ防食基準は、土壌および水中の鋼の陰極防食についてのそれとは異なる。鋼は、汚染されていないアルカリ性コンクリートにおいて通常は不動態である。大気に曝されるコンクリートにおいて、防食は、鉄筋上に不動態膜を回復させることにより通常は達成される。これは、鋼上のアノード反応を有効に分極する。土壌および水中において、鋼上の不動態膜は、通常は安定しておらず、防食の対象は、鋼の腐食を防ぐためにカソード反応（通常は、酸素の還元）を分極することである。

ガルバニ処理における犠牲アノードの使用に関する問題の一つは、コンクリート中の鋼の活性腐食プロセスを停止させる電力が、犠牲アノードと鋼間の電圧差に制限されることである。この問題は、鋼の比較的大きな表面を保護するために比較的小さなアノードから大きな電流が必要とされるような離散犠牲アノードシステムにおいて最大となる。コンパクトな離散アノードは、一般的に、保護が期待される鋼の面積の１０分の１から５０分の１であるアノードに隣接する原コンクリートの部位に電流を伝えることとなる。

最近では、強制通電の形態を使用して、コンクリート中の犠牲アノードの電力を増加させる数多くの方法が提案されている（国際公開公報ＷＯ０５１０６０７６号、米国特許第７２６４７０８号、英国特許第２４２６００８号）。初期の教示の幾つかは、異なる防食基準が適用される土壌および塩水中の鋼に適用される犠牲陰極防食用途における犠牲アノードの電力を増加させることにある（米国特許第４８６１４４９号）。

国際公開公報ＷＯ０５１０６０７６号では、犠牲アノードアセンブリが、電池またはバッテリのカソードを犠牲アノードに接続することにより形成される。一配置構成では、電池のカソードが電池のケーシングに隣接する場合に、犠牲アノードが電池のケーシングを形成する。アルカリ電池は、一般にこの特性を有する。電池のアノードは、その後に鋼に接続される。この配置構成の問題は、犠牲アノードが鋼に直接的に接続されず、かつ電池の電荷容量が同様のサイズの犠牲アノードの電荷容量よりも遥かに小さいということである。アノードが鋼に直接的に接続されないため、アノードは、電池の電荷容量が切れた後に、防食電流を伝え続けることができない。

米国特許第７２６４７０８号においては、犠牲アノードから鋼に電流を駆動する電源またはバッテリが切れた後に、犠牲アノードを鋼に接続する自動手段が提供されている。この開示の実施例では、犠牲アノードから鋼への接続を提供するためにダイオードが使用されている。この配置構成に関する問題は、そのような接続を達成するために電力が必要とされ、これが防食効果の電力を減少させることである。一般的なダイオード（ドープシリコン半導体に基づくダイオード）は０．６Ｖの電圧の使用により導体となり、そのようなダイオードを通る実質的な電流を駆動する十分な電力は典型的な犠牲アノードシステム内には存在しない。この配置構成に関する別の問題は、電源が、アノードから離れて配置されて、アノードに電気ケーブルによって接続されるため、その電気ケーブルを、環境および破壊から維持および保護しなければならない点である。

英国特許第２４２６００８号（米国出願第１１／９０８８５８号）は、酸性化−ピット再アルカリ化作用（acidification - pit re-alkalisation mechanism）に基づくコンクリート中の腐食開始および停止のための新しい基礎を開示している。アノードが手動で鋼に接続される前に犠牲アノードからピット再アルカリ化プロセスを伝えるために、時間的な電気化学的処理が使用される。ピット再アルカリ化プロセスは、腐食部位で高ｐＨを回復することにより、活性腐食を停止させる。時間的な強制通電処理として適用されるピット再アルカリ化プロセスは、一般に、３週間未満継続する。その後、鋼における水酸化物の低レベルのガルバニ生成（galvanic generation）によって、腐食しない状態が維持される。強制通電とガルバニ処理の間の切替は手動により行われ、これは、時間的な強制通電処理の限定された期間によって促進される。時間的な強制通電処理に使用される電源および電気ケーブルは、その部位から取り除かれる。この開示に関する問題は、時間的な強制通電処理が熟練オペレータを必要とするということである。

離散犠牲アノードシステムに関する別の問題は電流分布である。この問題は、コンクリート修復の部位でコンクリート中に形成されるキャビティ内の曝される鋼に結び付けられるアノードにおいて最も大きくなる。鋼に結び付けられたアノードからの電流分布を改善する数多くの解決策が提案されている（英国特許第２４５１７２５号、国際公開公報ＷＯ０５１２１７６０号、国際公開公報ＷＯ０４０５７０５６号）。しかしながら、それら解決策はすべて、最も近い鋼に流れる電流に対する抵抗を増加させることにより、最も近い鋼への電流を制限することに基づくものである。

本発明により解決される課題は、犠牲アノードアセンブリから利用可能な電力を増加させて、犠牲アノードがコンクリート中の鋼に接続されている間に活性腐食プロセスを停止すること、並びに、最も近い鋼から離れた位置に増加した電流を導くことによって、鋼に接続される犠牲アノードからの電流分布を改善することである。

本発明は、追加的なアノード・カソードアセンブリを使用して鋼よりも卑な離散犠牲アノードからの電流出力を制御して、電子伝導導体で犠牲アノードが鋼に接続されている間に、アノードに隣接する環境における電界を変化させる方法を開示する。

一配置構成では、空気カソードを有する電界モディファイアが、コンクリートに埋め込まれた犠牲アノードからの高電流出力を維持するために使用される。モディファイアにおける空気カソードの使用は、空気に曝されるコンクリートのような環境と組み合わせる必要があり、それは、この環境においては、鋼における環境を変化させて、鋼の不動態またはアノード分極を引き起こすことによって、陰極防食が達成され（英国特許第２４２６００８号）、カソード反応速度が弱く分極されるからである。鋼をカソード分極することにより陰極防食が達成される土壌および水のような環境においては、空気カソードが機能する可能性は低い。それは、防食される鋼が、アノードアセンブリ内に組み立てられる空気カソードに対して非常に大きい面積を有する空気カソードを示し、アノードアセンブリにおける空気カソードが、防食される鋼上の空気カソードを分極するために必要な防食電流をサポートする能力を有さないためである。

別の代替的な配置構成では、電界モディファイアが犠牲アノードに隣接する環境に配置されて、犠牲アノード電流出力に対して初期の上昇を提供し、腐食プロセスを停止させるとともに、犠牲アノードが、電子伝導導体を介して鋼に接続されているため、モディファイア中の電荷の消費後も機能し続け、イオン伝導用のパスが、犠牲アノードから電解質を介して防食される鋼にかけて形成される。イオン伝導用のパスは、少なくとも、モディファイア中の電荷が消費されてモディファイアがもはや機能しなくなった後に形成される。この場合、犠牲アノードの電荷容量は、アノードアセンブリにおけるモディファイアの電荷容量よりも遥かに大きい。

別の代替的な配置構成では、電界モディファイアが、犠牲アノードからの電流を増加させるように配置され、その電流が、アノードのより近くで鋼に流れる電流と比べて、アノードから更に離れて鋼に流れる。この場合、犠牲アノードは、鋼の棒の部分に結び付けられることが望ましく、また、モディファイアが、この鋼の棒の部分から離れて、犠牲アノードから流れる電流を増加させるように配置されている。

電界モディファイアは、少なくとも１のアノード電極を含み、このアノード電極が、少なくとも１のカソード電極に電子伝導コネクションによって電気的に接続され、カソードおよびアノードが互いに反対方向を向いている。外部の駆動電位無しで、アノード上の酸化反応（アノード反応）およびカソード上の還元反応（カソード反応）を生じさせることができる。

一タイプの電界モディファイアは、還元反応をサポートするカソードである側部または面と電気的に接触する、酸化反応をサポートするアノードである側部または面を含む要素であり、カソードおよびアノードが互いに反対方向を向いている（すなわち、カソードおよびアノードが実質的に異なる方向を向いている）。自然電位差は、アノードおよびカソード上の酸化および還元反応によってそれぞれ生成され、それは、モディファイアを介して電流を駆動しようとする。電解質がモディファイアのアノードをカソードに接続する場合、電気化学的反応の刺激により引き起こされたイオン電流が、アノードからカソードに流れることとなる。電気化学的反応は、アノードおよびカソードにおける還元剤および酸化剤をそれぞれ消費する（すなわち、アノードおよびカソードにおいてそれぞれ、還元剤が酸化され、酸化剤が還元される）。モディファイアの有効期間を改善するために、使用前はそれら反応を制限することが望ましい。これは、モディファイアを乾燥環境に保持してアノードおよびカソードにおける電解質の量を制限することにより、かつ／または、アノードにおける電解質が、カソードにおける電解質と接触することを防止することにより、達成することができる。

モディファイアは、犠牲アノードと鋼との間の電界中に配置される。モディファイアのカソードが犠牲アノードを向き、モディファイアのアノードが犠牲アノードの反対側を向くときに、モディファイアは、当該モディファイアを横断するパスを介して流れる電流を増加させる。その結果、モディファイアは、犠牲アノードによって伝えられる全電流も増加させる。モディファイアは、当該モディファイアを介して電流を送り出す電流ポンプとして効率的に機能する。

ここで、一例として図面を参照しながら本発明をさらに説明することとする。
図１は、犠牲アノードと鋼間の電流フローに対する電界モディファイアの影響を示している。 図２は、アセンブリを設置するためにコンクリート中に形成されるキャビティ内に位置する犠牲アノード／モディファイアアセンブリの使用を表した配置構成を示している。 図３は、コンクリートパッチ修復の部位にアセンブリを設置するときの犠牲アノード／モディファイアアセンブリの使用を表した配置構成を示している。 図４は、実施例１および２の理論を試験するために使用された砂箱の配置構成を示している。 図５は、電界モディファイアが実施例１の砂に挿入されたとき、およびその砂から取り除かれたときのガルバニ電流出力の変化を示している。 図６は、実施例２の２つの異なるモディファイアを伴う２つの試験と対照試験の初期のガルバニ電流出力を示している。 図７は、実施例２の２つの異なるモディファイアを伴う試験と対照試験の中期のガルバニ電流出力を示している。 図８は、セメントモルタル中の鋼に伝達される防食電流に対するモディファイアの作用を試験するために実施例３に使用される実験装置を示している。 図９は、実施例３に使用された鋼カソードの断面を示している。 図１０は、実施例３のモディファイアを伴う試験および対照試験の初期のガルバニ電流出力を示している。 図１１は、実施例３のモディファイアを伴う試験および対照試験の６日目から２１日目のガルバニ電流出力を示している。 図１２は、実施例３のモディファイアを伴う試験および対照試験の１５日目から６０日目のガルバニ電流出力を示している。

図１には、電流フローに対する電界モディファイアの作用が示されている。この例では、モディファイア［１］が、電解質［４］において犠牲アノード［２］と防食された鋼［３］との間に配置されている。犠牲アノード［２］は、接続部［５］を介して鋼［３］に接続されている。犠牲アノード［２］から電解質［４］を介して鋼［３］に流れるガルバニ防食電流は、接続部［５］を介して犠牲アノード［２］に戻る。モディファイア［１］は、犠牲アノード［２］を向いてカソードとして機能する面と、鋼［３］を向いてアノードとして機能する面とを有し、アノードとカソード間の自然電位差がアノードとカソードの反応を刺激する。モディファイア［１］のアノードおよびカソード電極は、電子伝導コネクションによって背中合わせに接続され、反対方向を向く。モディファイアのその他の電極配置も想定される。

図１では、矢印を有する電解質［４］中の線分が、電解質［４］を通る正のイオン電流フローの向きを示している。電流は、モディファイア［１］のアノードとカソード間の電圧によって、犠牲アノード［２］からモディファイア［１］を介して鋼［３］に引き込まれる。モディファイア［１］のアノードおよびカソード反応が、モディファイア［１］を横断するパス上を流れる電流を増加させるとき、犠牲アノード［２］から鋼［３］に流れる全電流が増加する。また、モディファイア［１］を迂回する電流が減少するか、反転される。したがって、全電流が増加している間に、犠牲アノード［２］の電流出力が電解質の特定の領域を通って導かれるようにすることができる。

モディファイア［１］は、電流ポンプのように作用する。その電極表面上の電気化学的反応は、そのカソード電極からそのアノード電極にその内部において電子（電流）を駆動する。モディファイアの外部の電解質中のイオン電流を変化させるために、これを使用することができる。当然のことながら、外部電流のフローを増加させて、外部電流の向きを変化あるいは反転させるために、モディファイア［１］を使用するようにしてもよい。

電界モディファイアは、チューブまたは中空コンテナとして、シート状の形態をとることが望ましい。その内面はカソードであることが望ましく、外面はアノードであることが望ましい。犠牲アノードは、チューブまたは中空コンテナを含むモディファイア内に配置させることが望ましい。犠牲アノードの電流出力を増加させるために、モディファイアのカソードは、犠牲アノードを向き、モディファイアのアノードは、犠牲アノードと反対側を向く。モディファイアは、単一の要素、または間にギャップを有する複数の離散要素を備えることができ、あるいは、ギャップまたは空隙が設けられた単一の要素であってもよい。幾つかのモディファイアを、互いに並列あるいは直列に使用することも可能である。

モディファイアのアノードは、酸化反応をサポートする電極であり、モディファイアのカソードは、還元反応をサポートする電極である。モディファイアのアノード用の酸化できる適当な材料（還元剤または還元体とも呼ばれる）には、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムまたはそれらの合金が含まれる。コンクリート中で使用する場合には、亜鉛または亜鉛合金のアノードが好ましい。亜鉛アノードにサポートされる酸化反応は、亜鉛溶解である。

モディファイアのカソードは、還元性材料とともに還元が起こり得る電子伝導面を含む。カソード用の適当な還元性材料（酸化剤または酸化体とも呼ばれる）には、酸素および二酸化マンガンが含まれる。電子伝導面および還元性材料は、モディファイアのアノードよりも貴な電極を形成する（すなわち、モディファイアを有効にするには、カソードの電位がアノードの電位よりもプラスとなる）。還元が起こり得る適当な電子伝導面は、炭素、銀およびニッケルである。この面は、酸化に耐えるものであることが望ましい。

モディファイア用の可能性のあるアノードおよびカソード材料のその他の例は、電池技術の分野で見つけることができる。カソード材料は、通常は、空気または多孔質である固体からの酸素である。固体カソード材料には、二酸化マンガンのような金属酸化物が含まれる。

モディファイアは、電池またはバッテリとは異なり、そのアノードが、当該アノードとカソード間に電子が流れることを可能にするコネクションによって、使用前に、当該アノードとは反対側を向くそのカソードに接続される。この回路は、電解質の導入により使用するときに完成する。これとは対照的に、電池またはバッテリのアノードおよびカソードは、使用前に電解質によって接続され、その回路が、典型的には、電池またはバッテリが使用されるときに、電子伝導要素により完成する。

使用時には、電解質が、モディファイアのアノードをコンクリート中の防食される鋼に接続するとともに、犠牲アノードをモディファイアのカソードに接続する。モディファイアのアノードおよびカソードの間の電解質接続は、モディファイアが機能するために必要ではなく、モディファイアの有効期間を保全するために、使用前に省くことが望ましい。犠牲アノードとモディファイアのカソードと間の電解質接続は、犠牲アノード／モディファイアアセンブリの使用よりも前に形成され、このアセンブリの一部となる。若しくは、犠牲アノードとモディファイアのカソードとの間の電解質接続は、アセンブリの設置の際に形成されるものであってもよい。

モディファイアが作動するとき、その酸化可能な材料および還元性材料が消費される。このため、モディファイアは、それら材料の電荷容量に依存して、有効寿命が限られている。モディファイアの有効寿命は、有効な酸化できる材料または還元性材料が消費されたときに、終了することとなる。亜鉛のようなアノード材料は、比較的高い電荷密度を有し、かつ二酸化マンガンのようなカソード材料と比較して、小さな体積を占める傾向がある。しかしながら、カソードの体積、よってモディファイアの体積は、大気からの酸素が主な還元性材料として使用される場合に、最小化することができる。カソードは、大気からの酸素の還元を促進する薄い炭素または銀のコーティングを備えることができる。そのようなカソードは空気カソードと呼ばれ、事実上、無制限の有効寿命を有する。すなわち、モディファイアの有効寿命はそのアノードによって決定される。

酸素と水はともに、空気カソードをサポートすることが必要とされるが、酸素は、すべての環境において比較的高いカソード還元反応速度をサポートするために利用可能なものではない。大気からの酸素は、大気に曝されて定期的に乾燥することが可能とされるコンクリート構造物中で容易に利用することができる。大気乾燥されたコンクリート（完全に乾燥していない）においては、２００ｍＡ／ｍ^２を超える電流密度と等価なカソード酸素還元率が生じることがある。これは、コンクリート中の一般的な陰極防食電流密度よりも一桁大きく、そのような条件下において、空気カソードは、高電流密度を図り、サポートすることができるため、良好に機能する。空気カソードを有するモディファイアは、空気中で乾燥されるコンクリート中の使用に適している。

海水および土壌のようなその他の環境においては、陰極防食電流密度が、酸素還元の最大速度と同等の制限された電流と同じ程度となる傾向があり、そのような環境においては、酸素アクセスがカソード電流出力を制限するため、モディファイアの空気カソードが効果的とはならない。空気カソードを有するモディファイアは、犠牲アノードの電流出力を阻むこととなる。したがって、空気カソードを有するモディファイアは、一般に、土壌および海水における使用に適していない。

また、図１は、モディファイア［１］を迂回する電解質［４］における電流の方向が逆転する可能性があることを示している。電流は、電解質［４］を通って、モディファイアのアノードからモディファイアのカソードに流れる。モディファイア［１］を迂回する電解質［４］における電流の方向を逆転させることは、この電荷が鋼に流れる電流の一部を形成することがないため、多くの環境においてモディファイア中の電荷の非能率的な使用を表すものとなる。逆電流の大きさを最小化する一方法は、アノードとカソード間の電位差が小さいモディファイアを使用するというものである。亜鉛空気モディファイアは、犠牲アノードと不動態の鋼との間の電位差と同様のアノードとカソード間の電位差を有することとなり、よって、より高い電位差を有するアノード・カソードの組合せを有するモディファイアよりも効率的にその電荷を使用する傾向を有するものとなる。

電極の有効寿命は、酸化する材料または還元性材料に蓄えられる電荷と、その電荷の使用効率とに依存する。ある場合には、犠牲アノードの有効寿命（すなわち、犠牲アノードが、鋼にガルバニ防食電流を伝える能力を有する期間）が、モディファイアの有効寿命（すなわち、モディファイアが、当該モディファイアを横断する経路を流れる電流を増加させる能力を有する期間）よりも大幅に長いことがある。例えば、犠牲アノードの有効寿命は、モディファイアの有効寿命の２倍、３倍または１０倍となることがある。これは、コンクリート中の腐食プロセスを阻止するためにガルバニ処理の開始時のみに高電流が必要とされる場合に、犠牲アノードにおけるより効率的な電荷の使用をもたらすこととなるため、望ましい。この場合、犠牲アノードと防食される鋼との間のイオン伝導用の経路は、モディファイアの有効寿命が終了したときに、ガルバニ電流を伝え続けることが必要とされる。これは、電解質を含む多孔質材料で満たされたモディファイア内のギャップまたは空隙をそのままにしておくことによって、あるいは消費されたときに電解質を含む多孔質材料に変換されるモディファイアを使用することによって、あるいはそれら特徴を組み合わせることによって、達成することができる。

亜鉛空気モディファイアは、亜鉛の腐食と、空気カソードの電子伝導面の破壊とによって、多孔質固体に変換することができる。電子伝導面は、酸素還元をサポートする薄い亜鉛表面処理または亜鉛表面に直接付着されるコーティングである場合に、亜鉛の腐食によって破壊され得る。また、電子伝導面および多孔性還元性材料を備えるカソードを有するその他のモディファイアは、カソードの電子伝導面がアノードの消費により破壊されるときに、変換されるものとすることができる。

また、犠牲アノードの電流出力が環境の活動的性質（aggressive nature）に応答する場合、犠牲アノードの電荷も、より効率的に消費される可能性がある。犠牲アノードの電荷の効率的な使用を改善するために、鋼腐食リスクに影響する要因に防食電流がプラスに応答することが望ましい。このため、乾燥または冷温環境中の犠牲アノード電流出力は、高温または湿潤環境の電流出力よりも低いことが望ましい。モディファイアの使用により、犠牲アノードの電流出力に対する湿潤／乾燥または高温／低温サイクルの影響を制限することなく、犠牲アノードの電流出力を増加させることが可能になる。

ある場合には、電流分布を改善するために、犠牲アノードから外れて電流を導くことが望ましい。これは、腐食損傷を受けたコンクリートの修復部位において、非汚染修復材料内の鋼の部分に犠牲アノードが直接的に結び付けられるときに、意味がある。この場合、修復材料中の鋼とは対照的に、隣接する原コンクリート中の鋼に電流を流す必要がある。この電流を増加させるために、鋼の最も近い部分の反対側に向く犠牲アノードの側にモディファイアを配置させることができる。モディファイアのカソードは、犠牲アノードを向く。

図２には、犠牲アノード／モディファイアアセンブリの使用方法を示す一配置構成が与えられている。この配置構成は、アセンブリの設置目的で、コンクリート中に形成されるキャビティ内に入れられるアセンブリの実施形態に適している。キャビティ［８］は、コンクリート［９］のドリル穴または取り除かれた穴であってもよく、典型的には、直径が５０ｍｍ未満である。キャビティ［８］は、好ましくは、アセンブリを受け入れるようにサイズ設定される。

犠牲アノード［１０］は、キャビティ［８］の中心部に配置される棒の形態であり、典型的には、長さが２００ｍｍ未満であり、導体の周囲の鋳造物である。犠牲アノード［１０］は、導体［１２］（一般的には、電気ケーブルまたはワイヤ）で鋼［１１］に連結されている。望ましい導体は、実質的には、チタンを含む。それは、将来の腐食を止めるための時間的な処理に使用することができ、将来の腐食リスクを管理するための便宜を提供する強制通電（アノードを外れて高電流を駆動する電源）とともに、犠牲アノードを使用することを可能にするからである。

モディファイア［１３］は、チューブまたは中空円筒の形態のアノード［１４］およびカソード［１５］を含み、それは、両端部が開口し、犠牲アノード［１０］を実質的に取り囲む。カソードは空気カソードとすることができ、空気中の酸素を、その開口部（図２の上端または下端）の何れかを介してチューブ内に拡散させることができる。また、そのような開口部は、モディファイアの有効寿命の終わりに、犠牲アノードと鋼間のイオン伝導用の経路を提供する。

充填材［１６］は、モディファイアのカソードに犠牲アノードを接続するイオン導電体である電解質を提供する。充填材は、電解質を含む多孔質固体またはパテの形態であることが望ましいであろう。裏込め材［１７］は、モディファイアのアノードを原コンクリートに接続するための電解質を提供する。裏込め材および充填材は、考えられる限りでは同じ材料または異なる材料とすることができ、同時にまたは別々に設置することができる。充填材は、気孔が疎水性材料で覆われた多孔質層によって、裏込め材から分離するようにしてもよい。これは、通気性のある疎水性層を与え、この疎水性層は、酸素が空気カソードに移動することを可能にするが、モディファイアのアノードとカソード間の電解質を通るパスの形成を制限し、モディファイアの効率的な使用を増進する。疎水性多孔質材料は、水和セメントペーストのような多孔質材料をシランベースの撥水剤で処理することによって製造することができる。通気性を有する疎水性材料は、アセンブリの外部から空気カソードの任意の部分に延在させることにより、空気カソードへの酸素のアクセスを促進させることができる。

コンクリート中のキャビティは、裏込め材により部分的に埋めることができ、犠牲アノードおよびモディファイアは、犠牲アノード、モディファイアおよび原コンクリートの間の空間を裏込め材が埋めるように、キャビティ内に設置させることができる。これは、初めに裏込め材を設置して、その後に、その裏込め材内に犠牲アノードおよびモディファイアを押し込むことにより、達成することができる。この配置構成では、裏込め材は、充填材および裏込め材としての機能をともに果たすことになる。犠牲アノードとモディファイアは、犠牲アノードから離れて取り付けられるモディファイアを有する別個のユニットとして、予め組み立てるようにしてもよい。犠牲アノードを、電子伝導アタッチメントで、モディファイアに取り付けてはならない。その後、キャビティ内のアセンブリは、図２に示すように、セメント質修復モルタルまたはコンクリート［１８］で覆うようにしてもよい。

犠牲アノードの活性度を維持するのに適した活性化剤は、犠牲アノード上のコーティングとして塗布することができ、あるいは犠牲アノードの本体内または充填材内に包含させることができる。また、モディファイアのアノードも活性化剤で覆うことができ、あるいはアノードの活性度を維持するために隣接するコンクリートに誘起されるイオン電流によって、コンクリート中の活動的なイオンをモディファイアのアノードに引き寄せることができる。

図３には、犠牲アノード／モディファイアアセンブリの使用方法を示す別の配置構成が与えられている。この配置構成はコンクリートのパッチ修復の部位で曝される鋼棒の部分にアセンブリを取り付けるのに適している。犠牲アノード［２１］は、電子伝導ひも［２３］で鋼棒［２２］に取り付けられている。犠牲アノードは、電流分布を改善するために、スペーサ［２４］で鋼棒から離れて配置されている。犠牲アノードは、“Ｕ”形状の断面を有するモディファイア［２５］によってほぼ取り囲まれている。モディファイアは、犠牲アノードを向くカソード［２６］と、犠牲アノードと反対側を向くアノード［２７］とを備える。モディファイア［２５］は、鋼の部分から離れて電流を導くように配置されている。モディファイアのカソードは、充填材［２８］中の電解質によって犠牲アノードに接続されている。充填材は、多孔質固体またはパテの形態とすることが好ましい。充填材の気孔は、空気カソードの機能を促進するために、空気で部分的に充填するようにしてもよく、また、通気性を有する疎水性材料を含むものであってもよい。また、電解質は、充填材の気孔内に配置させて、イオン伝導および電気化学的反応（犠牲アノードにおける酸化およびモディファイアのカソードにおける還元）を促進させるべきである。モディファイア［２５］のアノード［２７］は、セメント質のコンクリート修復材料［３０］によってコンクリート［２９］に接続されるようにしてもよい。

犠牲アノードの活性度を維持するのに適した活性化剤は、犠牲アノード上のコーティングとして塗布することができ、あるいは犠牲アノードの本体内または充填材内に包含させることができる。また、モディファイアのアノードは、活性化剤で覆うようにしても、あるいはその本体内に活性化剤を含むものであってもよい。モディファイアのカソードは空気カソードとすることができ、“Ｕ”断面のモディファイアの端部は、大気から修復材料および充填材を介してモディファイアのカソードへの酸素の拡散を容易にするために開放状態のままとすることができる。また、それら開口部はコンクリート中の犠牲アノードと鋼との間のイオン伝導のためのパスを提供し、そのパスは、モディファイアの電荷が使い果たされるときに、モディファイアを迂回して、犠牲アノードの機能継続を容易にする。

図３の配置構成では、予め形成されたユニットまたはアセンブリとして、犠牲アノード［２１］、モディファイア［２５］および充填材［２８］を含むアセンブリを形成することが望ましい。また、予め形成されたユニットまたはアセンブリは、スペーサ［２４］、コネクタ［２３］または連結点、犠牲アノードの活性度を維持するのに適した活性化剤を含むことが望ましい。大気からカソードへの酸素の伝達または移動を促進するために提供されるモディファイア内の開口部は、大気から充填材材料への酸素の拡散を改善するために、通気性疎水（撥水加工）処理を行うようにしてもよい。

一態様において、本発明は、イオン伝導性の充填材と、犠牲アノードおよび電界モディファイアを備えるアセンブリとを使用して、空気に曝される硬化鉄筋コンクリート要素内の鋼を防食する方法を提供するものであって、
電子伝導導体により犠牲アノードを鋼に接続するステップと、
電解質によりモディファイアをコンクリートに接続するステップとを備え、
犠牲アノードが鋼よりも卑な金属であり、
犠牲アノードがモディファイアにより実質的に取り囲まれ、
モディファイアが、酸化反応をサポートするアノードである側部と、これと電子接触する、還元反応をサポートするカソードである側部とを有する要素を備え、
モディファイアのカソードが、犠牲アノードを向き、かつ犠牲アノードから充填材により分離され、
充填材が、犠牲アノードをモディファイアのカソードに接続する電解質を含む多孔質材料であり、
モディファイアのアノードが、犠牲アノードと反対側を向くものとなっている。

別の態様において、本発明は、犠牲アノードおよび電界モディファイアを備え、空気に曝される硬化鉄筋コンクリート要素内の鋼を保護するアセンブリを提供するものであり、
犠牲アノードが鋼よりも卑な金属であり、
犠牲アノードが、コネクタを含み、それを保護される鋼に接続し、
犠牲アノードがモディファイアにより実質的に取り囲まれ、
モディファイアが、酸化反応をサポートするアノードである側部と、これと電子接触する、還元反応をサポートするカソードである側部とを有する要素を備え、
モディファイアのカソードが、犠牲アノードを向き、かつ犠牲アノードから分離され、
モディファイアのアノードが、犠牲アノードと反対側を向くものとなっている。

モディファイアのカソードは、空気からの酸素の還元を実質的に含む還元反応を有する空気カソードを備えることができる。通気性を有する疎水性材料は、犠牲アノード／モディファイアアセンブリに包含させることができる。

犠牲アノードの有効寿命は、モディファイアの有効寿命よりも大幅に長くてもよく、また、犠牲アノードとコンクリート間のイオン伝導のためのパスを、少なくともモディファイアの有効寿命が終了した後に与えるようにしてもよい。

犠牲アノードは、コンクリートパッチ修復の部位における鋼の部分に接続することができ、モディファイアは、鋼の部分から離れる方向に電流の流れを促進するように、犠牲アノードに対して配置することができる。アセンブリは、コンクリートパッチ修復の部位における鋼の部分に結び付けられる面を含むことができ、モディファイアは、鋼に結び付けられるアセンブリの面から離れる方向に流れる電流を促進するように、犠牲アノードに対して配置することができる。

アセンブリを受け入れるようにサイズ設定されたキャビティは、硬化コンクリート内に形成することができ、アセンブリは、そのキャビティ内に設置することができる。アセンブリは、キャビティ内の裏込め材中に設置することができ、裏込め材は、モディファイアのアノードをコンクリートに接続する電解質を含む。

アセンブリは、犠牲アノードを活性化するために、コンクリート内の使用に特に適した活性化剤を含むことができる。モディファイアのアノードおよび犠牲アノードは、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムまたはそれらの合金を含むことができる。

［実施例１］
標準的な塩化亜鉛単一乾電池（Ｒ２０の国際電気標準会議規格を有する亜鉛炭素電池とも呼ばれる）の亜鉛ケーシングを使用して、電界モディファイアを作成した。亜鉛シートを、ケーシングから切除して、平坦化し、亜鉛の任意の堆積物を取り除くために紙ヤスリで磨いた。それは、約５５×１００ｍｍの大きさであった。亜鉛シートの一方の面を、回路基板上の電気接続を形成するために使用されるタイプの導電性の銀の塗料の２度塗りで被覆した。その後、２４０℃で１５分間、シートを焼いて、コーティング溶媒を除去した。グラファイトロッドの形態の炭素を銀メッキされた表面に擦り込んで、目の粗い薄い灰色のコーティングを生成した。輝く亜鉛の面をそのままにして、２２０グリットの紙ヤスリを使用して、亜鉛シートの反対面上のあらゆるコーティングを取り除いた。銀および炭素の表面は、酸化剤、酸素の還元を促進する空気電極（カソード）としての機能を果たし、一方、亜鉛の表面は、酸化される還元剤（亜鉛）（アノード）を提供するものとなった。電解質が加えられるときに、酸素の還元および亜鉛の酸化が、犠牲アノードから亜鉛への電流フローを促進する電界を提供するものとなった。

図４には、試験の配置構成が示されている。理論の検証を速めるために、コンクリートまたはモルタルの代わりに、高抵抗の砂箱を使用した。試験目的のために、コンクリートのような高抵抗の多孔質環境をシミュレートするために、微細な湿気を帯びた砂を使用して、砂箱［３３］を形成した。砂は水で湿らせたが、抵抗性の多孔質環境においてある程度の電解質と空気を提供するために、飽和状態とはしなかった。亜鉛アノード用の活性化剤を含んだ環境を生じさせるために、約１ｋｇの湿った微細な砂を大さじ一杯の食塩と混ぜた。それを１００×１５０×５０ｍｍの大きさのプラスチック容器に入れて砂箱を作成した。単一乾電池から取り出した綺麗な亜鉛シートを、犠牲アノード［３４］として機能させるために、容器の一端において砂の中に挿入した。同様にサイズ調節された鋼のシート［３５］を、砂箱の他端において砂の中に挿入した。

ケーブル［３６］および電流計［３７］を介して亜鉛を鋼に接続した。１０分後、初期のガルバニ電流は０．５５ｍＡに減少した。この時点の変化速度は十分に遅く、短期間の試験において安定しているとみなすことができた。

その後、銀の面が亜鉛アノードを向き、亜鉛の面が鋼を向く状態で、亜鉛犠牲アノードと鋼との間の砂にモディファイア［３８］を挿入した。モディファイアを挿入したとき、電流が上昇し始めた。挿入後、電流は上がり続け、５分と２０分の間に０．８２ｍＡでピークに達した。そして２０分後、降下の兆しを見せ始めた。

ガルバニカップル（galvanic couple）は、一晩、接続したままの状態とした。１０時間後に再び測定すると、０．６８ｍＡであった。気温は約１５℃であった。

モディファイアを有する砂箱を、より暖かい環境に置いた。３９時間後、砂箱は２０乃至２５℃に暖められた。電流を再び測定した。今回は、１．２６ｍＡであった。モディファイアを取り除き、３０分後に、電流が０．４８ｍＡで安定した。再びモディファイアを砂に挿入した。しかし、今回は、銀メッキされた面が鋼を向くように、モディファイアを回転させた。電流は−０．０８ｍＡに落ちた。モディファイアの電界は、亜鉛・鋼の組合せの電界に完全に打ち勝って、電流フローの方向を反転させた。

蒸発を通じて失われた水を元に戻すために水を砂に加えた後に、上記実験を繰り返した。データロガーを使用して亜鉛の犠牲アノードと鋼の間の電流を記録した。図５には電流の時間挙動が与えられている。

開始ガルバニ電流を、モディファイアの存在無しで測定した。ガルバニ電流は、２ｍＡ余りで安定した。その後（図５の時間ゼロのときに）、モディファイアのカソードを犠牲アノードに向けた状態で、犠牲アノードと鋼の間にモディファイアを挿入した。ガルバニ電流は、その後４５分間余りで、３．３ｍＡまで上昇した。４５分後、モディファイアを取り除いた。すると、ガルバニ電流は、降下して２０分間２ｍＡであった。６５分後、犠牲アノードと鋼との間に再びモディファイアを挿入した。しかし今回は、モディファイアのアノードを犠牲アノードに向けた。ガルバニ電流は、降下して３０分間０．７ｍＡであった。９５分後、モディファイアを取り除いた。すると、ガルバニ電流は、再び２ｍＡまで上昇した。

上記試験は、犠牲アノードの電流出力を大幅に増加または減少させるためにモディファイアを使用できることを示している。

［実施例２］
実施例１で述べたように、亜鉛シートを使用して約５５×５０ｍｍの寸法の２つの電界モディファイアを作成した。実施例１で述べたように、各亜鉛シートの一方の面を、先ず、銀の塗料の２度塗りで被覆した後、焼いた。それにより、各シートの一面は亜鉛として、他方の面は導電性の銀のコーティングとした。その後、銀で被覆された面を、炭素に富んだ塗料で被覆した。炭素の塗料を作るために、亜鉛炭素電池の中心部から得た炭素棒に紙ヤスリをかけて微細な炭素粉末を作成した。そして、その粉末を、透明なアウトドアのニスの一滴および約１０倍の量のニスの溶媒のシンナーと混合した。１０：１よりも大きい乾燥塗料膜の炭素・バインダ比を目標とした。その後、溶媒を取り除くために、塗装された亜鉛シートをさらに焼いた。抵抗計を使用して、その２つのプローブを炭素被覆面上に軽く押し付け、塗面の導電率を確認した。抵抗は１オーム未満であった。これらシートのうちの一方を亜鉛空気モディファイアとして使用した。この実施例では、それを亜鉛空気モディファイアと称する。

二酸化マンガン・炭素混合物を他方の亜鉛炭素シートの炭素被覆面に塗布した。二酸化マンガン・炭素混合物は、標準的な塩化亜鉛単一電池のカソード側から調達した。そして、これを、一方の亜鉛炭素シートの炭素被覆面に一層として塗布した後、壁紙のりで被覆し、薄い吸収性の紙のティッシュで被覆し、約６０ｋｇの重量下で強く押し付けた。その後、一方の面に２ｍｍの厚さの二酸化マンガン・炭素層を有し、他方の面に被覆されていない亜鉛を有する亜鉛シートを提供するために、二酸化マンガン・炭素混合物および吸収性のティッシュを亜鉛シートの縁部で切り取った。このモディファイアを亜鉛二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）モディファイアと称することとする。

電解質と空気の双方を含む湿った微細な砂と塩の混合物のバッチを、実施例１で述べたように作成した。９０×６５×３５ｍｍの大きさを有する３つの小さな砂箱を埋めるために、その混合物を使用した。約５５×５０ｍｍの大きさの露出した亜鉛シートを、各箱の一端に部分的に挿入し、同様にサイズ設定された鋼シートを、他端に部分的に挿入した。亜鉛を各砂箱内で１００オームの抵抗を介して鋼に接続して、ガルバニ電池を形成した。ガルバニ電流は、抵抗器を通って流れて、電圧を生じさせた。ガルバニ電流をモニタするために、その電圧を測定した。一般的なレイアウトは、図４に示すレイアウトと同様であるが、電流計が、１００オームの抵抗器と置き換えられる。

先ず、モディファイアを使用せずに、砂箱中のガルバニ電流を測定した。最も高いガルバニ電流を生じさせた砂箱を対照群として選択した。２番目の砂箱の鋼と亜鉛犠牲アノードとの間に亜鉛空気モディファイアを挿入した。モディファイアの炭素面を亜鉛犠牲アノードに向けた。３番目の砂箱の鋼と亜鉛犠牲アノードとの間に亜鉛二酸化マンガンモディファイアを挿入した。モディファイアの二酸化マンガン面を亜鉛犠牲アノードに向けた。このプロセス中、ガルバニ電流の記録を取った（データロガーに記録した）。

図６および図７には、３つの砂箱のガルバニ電流が示されている。それら図面においては、時間ゼロのときに、亜鉛アノードと鋼との間の砂の中に電界モディファイアが挿入されている。モディファイアを挿入した直後に、亜鉛二酸化マンガンモディファイアを有するガルバニ電池が最も高いガルバニ電流を生じさせた（図６）。しかしながら、この初期の高い電流は、１０時間に亘って低下して行き、その後、亜鉛空気モディファイアを有するガルバニ電池が最も高いガルバニ電流を生じさせた。３つの電池からの電流はすべて、恐らくは亜鉛と鋼間の砂の乾燥の結果として、緩やかな速度で低下した。７日後に、温度日変化に関連する日内変動を主に示すべく、砂の更なる乾燥の速度を落としてガルバニ電流を安定させるために、大きなプラスチック袋内に砂箱を挿入した（図７）。やがて、亜鉛二酸化マンガンモディファイアを有する電池により生成されたガルバニ電流は、亜鉛空気モディファイアのそれと近い値に回復した。

それら結果は、電界モディファイアが犠牲アノードの短期電流出力を大幅に押し上げることができることを改めて示している。また、開始時により強力な二酸化マンガンカソードを有するモディファイアは、二酸化マンガンがカソード材料として消費された（還元により消費された）後に、空気カソードを有するモディファイアとなる。

［実施例３］
図８には、実施例３の試験配置構成が示されている。湿った砂、ポルトランドセメントおよび水を４：１：０．８の重量比で使用して、長さ２７０ｍｍ、幅１７５ｍｍ、高さ１１０ｍｍのセメントモルタルブロック［４１］２つを打設した。モルタルは、比較的低品質のものであり、キャスティングの上端に出液水が生じた。キャスティングプロセス中、各モルタルブロックの外縁に、０．１２ｍ^２の面積を有する鋼カソード［４２］を位置させた。鋼カソードを３００ｍｍ×１００ｍｍの２枚の鋼シムから形成した。すなわち、それら鋼シムを切断して折り曲げて、１０ｍｍ×３００ｍｍのストリップにより連結された幅２０ｍｍ、長さ９０ｍｍの鋼ストリップのセットを形成することにより、鋼の両面が試験プロセス中に電流を受け入れることができるように構成した。切断して折り曲げた鋼カソードのセグメントを図９に示す。電気ケーブル［４３］を鋼カソードに接続するとともに、セメントモルタルの先に延ばして、鋼カソードへの電気的接続を形成することができるようにした。犠牲アノードアセンブリを収容するために、セメントモルタルブロックの中心部に、直径４０ｍｍ、深さ７０ｍｍの穴［４４］を形成した。硬化させるために、セメントモルタルブロックを覆って７日間放置した。

実施例１に記載の標準的な塩化亜鉛単一乾電池から、電池の下端、上端および内部を取り除いた後、亜鉛の円筒から電界モディファイア［４５］を作成した。亜鉛の円筒は、直径３２ｍｍ、長さ５５ｍｍであった。堆積物を取り除くために、紙ヤスリを軽くかけて、石鹸で洗浄した。亜鉛の円筒の内部を銀の導電性塗料の２度塗りと炭素の導電性塗料の１度塗りで被覆し、実施例２で述べたように、焼いて、モディファイアのカソード［４６］を形成した。また、円筒の外面でモディファイアのアノード［４７］を形成した。同量の食塩（主に塩化ナトリウム）および壁紙のりに基づくデンプンからなる塩ペーストをよく混ぜ合わせて、モディファイアの外側の亜鉛面に塗布した。その後、炉内で１５分間２４０℃でモディファイアを再び焼いて、塩ペーストを乾燥させ、外側の亜鉛面に塩の堅い層を形成した。塩・デンプンコーティングの目的は、亜鉛アノードに活性化剤を提供することである。アノード反応が亜鉛の溶解であり、カソード反応が空気からの酸素の還元であるので、このモディファイアを亜鉛空気モディファイアと称する。

チタンワイヤの周りに、直径１５ｍｍ、長さ３５ｍｍの亜鉛の棒をキャスティングすることにより、２つの亜鉛犠牲アノードを形成した。亜鉛棒の表面を上述した塩ペーストで被覆し、焼いて、亜鉛面上に塩の堅い層を形成した。

セメントモルタルの試料を７日間かけて硬化させた後、各試料の中央に設けた直径４０ｍｍの穴を、石灰パテ［５０］で部分的に埋めて、その中に亜鉛犠牲アノード［４９］を挿入し、穴の約８５％が犠牲アノードとパテで埋められるようにした。電気ケーブル［５１］および１００オームの抵抗器［５２］を介して犠牲アノードを鋼カソードに接続し、実施例２に述べたように、ガルバニ電流を測定して記録した。２つの試料を安定させるために１．５時間放置し、最も高いガルバニ電流を生じさせる試料を対照試料として選択し、２番目の試料を亜鉛空気モディファイアを試験するために使用した。

１．５時間後、パテを柔らかくするために、両試料の石灰パテに水を加えた。その後、一方の試料の犠牲アノード［４９］の周囲のパテ［５０］内に亜鉛空気モディファイア［４５］を押し込んで、犠牲アノードをほぼ取り囲むようにした。図１０および図１１に示すように、ガルバニ電流を記録した。この図面においては、モディファイアを設置したときが時間ゼロである。対照試料には、モディファイアは設けられていない。

当初は、モディファイアのプラス効果は見られなかった（図１０）。実際のところ、マイナス効果のように見えた。パテが乾いていない対照試料は、パテが乾いておらずモディファイアを有する試料よりもかなり多くの電流を伝えるように見えた。しかしながら、パテが乾燥および硬化し始めると、モディファイアの有意なプラス効果が明白となった。

この観察結果について説明すると、３ｍＡのガルバニ電流は、セメントモルタル中のこのような小さな犠牲アノードアセンブリにとって比較的高い電流であることに留意されたい。それは、５５０ｍＡ／ｍ^２のモディファイア上のカソード電流密度と同じである。空気からの酸素が、炭素還元反応を維持するために、モディファイアのカソード上の炭素と接触する必要があることから、モディファイアのカソードが、非常に湿気のあるパテ内でそのような高電流密度をサポートすることは難しいと仮定される。この場合、モディファイアのカソードが高電流密度を阻むものとなる。パテが乾燥するに連れて、酸素がモディファイアのカソードにアクセスするのが容易となる一方で、アノード反応（亜鉛の溶解）がより制限されたものとなる。このため、モディファイアは、パテが乾燥して硬化するときに、電流を維持する傾向がある。この観察結果は、空気カソードを有するモディファイアが機能するために、電解質と空気の両方が必要とされることを示している。

２．６日後に、各セメントモルタル試料中の犠牲アノードアセンブリをセメントモルタルで覆い、このセメントモルタルで穴の残りの部分を埋めた。２つの試料を屋外に置いて、英国の中部の気候に曝した。天候は、当初は、晴れて、乾燥していて、夕方に試料上に直射日光が降り注ぎ、試料がかなり急速に乾燥していた。この天候は１１日目まで維持された。日々の最高気温は３日目の１７℃から８および９日目の２６℃に上昇した。１２日目に、その地域を一連の寒冷前線の初めの部分が通り過ぎ、最高気温が１３℃の低さまで落ちた。もっと雲が多く、日光が少ないときもあった。１５日目に雨が降り始め、かなりのにわか雨が試料を濡らした。断続的なにわか雨が１９日目まで続いた。１７日目に、微気候の違いの影響を最小化するために、対照および亜鉛空気モディファイアのモルタルブロックの位置を切り替えた。日々の最高気温は、２０日目までに１７℃まで上昇した。

６日目と２１日目の間に２つの試料から得たガルバニ電流を図１１に示す。データは、アノードアセンブリのガルバニ電流出力に対する実質的にプラスの効果をモディファイアが有することを示唆している。モディファイアは、６日目以降２４時間にわたり、対照試料の１．６乃至５．６倍高い平均ガルバニ電流をもたらした。また、１５日目の気温および雨の日変化の影響は、そのデータにおいて明らかであり、モディファイアの存在によって、セメントモルタルの活動的性質の変化に対する防食電流出力の有益な応答反応が維持されて増幅されることを示している。夕方、試料が太陽放射により直接加熱されたときに、７日目と１２日目との間で最も顕著な日変化が生じた。それら顕著な変化は、天候が曇ったときに消えた。雨水で試料が濡れる効果は、より遅いプロセスであり、それは１５日目以降に生じた。

１５日目と６５日目の間に２つの試料から得たガルバニ電流を図１１に示す。データは、モディファイアの効果が４５日目まで続いたことを示唆している。モディファイアの効果が無くなった後は、犠牲アノードが対照試料に同様の大きさで電流を伝え続けた。すなわち、モディファイアを有するアノードアセンブリであって、モディファイアが犠牲アノードのより長期間のガルバニ電流出力に対して実質的な悪影響を及ぼすことなく、犠牲アノード電流出力の初期の上昇を伝えるアノードアセンブリを製造することが可能である。

Claims (15)

1. イオン伝導性の充填材と、犠牲アノードおよび電界モディファイアを備えるアセンブリとを使用して、空気に曝される硬化鉄筋コンクリート要素内の鋼を防食する方法であって、
   電子伝導導体により前記犠牲アノードを前記鋼に接続するステップと、
   電解質により前記モディファイアを前記コンクリートに接続するステップとを備え、
   前記犠牲アノードが前記鋼よりも卑な金属であり、
   前記犠牲アノードが前記モディファイアにより実質的に取り囲まれ、
   前記モディファイアが、酸化反応をサポートするアノードである面と、これと電子接触する、還元反応をサポートするカソードである面とを有する要素を備え、
   前記モディファイアのカソードが、前記犠牲アノードを向き、かつ前記犠牲アノードから前記充填材により分離され、
   前記充填材が、前記犠牲アノードを前記モディファイアのカソードに接続する電解質を含む多孔質材料であり、
   前記モディファイアのアノードが、前記犠牲アノードの反対側を向くことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記モディファイアのカソードが、空気中の酸素の還元を実質的に含む還元反応を有する空気カソードを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記アセンブリが、通気性を有する疎水性材料を含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法において、
   前記犠牲アノードの有効寿命が、前記モディファイアの有効寿命よりも大幅に長く、前記犠牲アノードと前記コンクリート間のイオン伝導のためのパスが、少なくとも前記モディファイアの有効寿命が終了した後に与えられることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、
   前記犠牲アノードが、コンクリートパッチ修復の部位内で鋼の部分に接続され、前記モディファイアが、鋼の部分から離れる方向に電流の流れを促進するように、前記犠牲アノードに対して配置されることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記アセンブリが、コンクリートパッチ修復の部位における鋼の部分に結び付けられる面を含み、前記モディファイアが、前記鋼に結び付けられる前記アセンブリの面から離れる方向に流れる電流を促進するように、前記犠牲アノードに対して配置されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法において、
   前記アセンブリを受け入れるようにサイズ設定されたキャビティが、前記コンクリートに形成され、そのキャビティ内に前記アセンブリが設置されることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記アセンブリが、前記キャビティ内の裏込め材中に設置され、前記裏込め材が、前記モディファイアのアノードを前記コンクリートに接続する電解質を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法において、
   前記アセンブリが、前記犠牲アノードを活性化するために、前記コンクリート中の使用に特に適した活性化剤を含むことを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法において、
    前記犠牲アノードが、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛合金、アルミニウム合金およびマグネシウム合金からなる群の中から選択される材料を実質的に含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の使用に適したアセンブリであって、犠牲アノードおよび電界モディファイアを備え、
    前記犠牲アノードが前記鋼よりも卑な金属であり、
    前記犠牲アノードが、コネクタを含み、それをコンクリート中の鋼に電気的に接続し、
    前記犠牲アノードが前記モディファイアにより実質的に取り囲まれ、
    前記モディファイアが、酸化反応をサポートするアノードである面と、これと電子接触する、還元反応をサポートするカソードである面とを有する要素を備え、
    前記モディファイアのカソードが、前記犠牲アノードを向き、かつ前記犠牲アノードから分離され、
    前記モディファイアのアノードが、前記犠牲アノードの反対側を向くことを特徴とするアセンブリ。
12. 請求項１１に記載のアセンブリにおいて、
    イオン伝導性の充填材が、前記犠牲アノードを前記モディファイアのカソードに接続することを特徴とするアセンブリ。
13. 請求項１１または１２に記載のアセンブリと、電解質を含む裏込め材とのコンビネーション。
14. 実質的に上述した本明細書に記載されて、添付図面に示されたように、電界モディファイアおよび犠牲アノードを使用して、空気に曝されるコンクリート構造物中の鋼を防食する方法。
15. 実質的に上述した本明細書に記載されて、添付図面に示されたように、空気に曝されるコンクリート構造物中の鋼を防食するための電界モディファイアおよび犠牲アノードを備えるアセンブリ。

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