JP2015527494A - 流電陽極および防食方法 - Google Patents

Abstract

本発明で提供されるのは、犠牲流電陽極、犠牲アノードを含むアノードアセンブリ、およびコンクリート構造体における鉄筋を腐食からカソード防食するための方法である。犠牲流電陽極には、少なくとも１つの犠牲金属螺旋コイルが含まれている。上記の流電陽極は、容易に作製可能であり、鉄筋コンクリート構造体内で最小限の体積しか占有しないが、犠牲腐食に対しては最大限の表面積を提供する。

Description

腐食は、一般的に物質（通常は金属）の変質と定義されるか、またはこの物質を取り巻く環境との反応の結果として生じるこの物質の特性と定義される自然に発生する現象である。地震または重大の気象擾乱のような他の自然災害と同様に、腐食は、車両および家電品から、廃水システム、パイプライン、橋梁、道路および公共の建造物に至るすべてのものに危険かつ費用のかかる損害を生じ得る。しかしながら天候に関連する災害とは異なり、腐食を防止してコントールする時間によって実証された方法があり、この方法によれば、公衆安全、経済および環境に対する影響を低減または消滅させることができるのである。

２００１年の米国連邦道路管理局の資金援助による腐食の費用に関する研究、"Corrosion Cost and Preventive Strategies in the United State"は、腐食の年間の直接費用は、驚異的な２７６０億米ドルにもなるとした。この研究には、輸送インフラストラクチャ、電力産業、車両および倉庫保管を含めた数多くの経済セクタがカバーされている。

総費用が直接費用と間接費用とを加えて６０００億米ドルまたはＧＤＰの６％を上回るとした場合に、腐食の間接費用は内輪に見ても上記の直接費用に等しいと推定されている。上記の研究では詳細に記録が残されている費用だけが使用されていたため、上記の費用は内輪の見積もりであると考えられる。重大な損害の原因となることおよび公衆安全に対する脅威に加え、腐食は、さまざまな活動を混乱させ、また腐食により、損なわれた資産の大規模な修繕および取り替えが必要になるのである。

米国連邦道路管理局は、米国における約２００，０００本の橋梁または３本の橋梁のうちの１本が、構造的に欠陥を有するかまたは機能的に廃れていると評価した。さらにすべての橋梁の４分の１以上が、橋梁の平均設計寿命である５０年以上を越えている。

米国における道路および橋梁のインフラストラクチャは崩壊し続けており、数千の橋梁が危険であり、取り替えまたは大きな修繕が必要であると評価されている。これらのケースの多くにおいて、腐食は重大な影響を及ぼして安全性を蝕んでいる。腐食防止対策は、別の問題を最小化するかこれを回避することができる。アメリカのインフラストラクチャの老化を扱うためにさまざま方策が講じられている。例えば、２００９年３月に採用された下院法案Ｈ．Ｒ．１６８２、"Bridge Life Extension Act 2009"は、フェデラルファンドが新たな橋梁を建造するかまたは既存の橋梁の機能回復しようとする場合に腐食によって生じる損害を回避または軽減するための計画を提出するように州に求めることになる。

多くの鉄筋コンクリート建造物は早発性の劣化に見舞われている。コンクリートに埋め込まれる鉄筋は初期段階では、その表面に安定した酸化膜が形成されることによって腐食から保護されている。この薄膜は、すなわち不動態化層は、高アルカリ性コンクリート間隙水と鋼との間の化学反応によって形成される。このアルカリ性条件によって得られる不動態化は、塩化物が存在することによって崩壊され得る。塩化物イオンは局所的に上記の金属を非不動態化して活発な金属溶解を促進させる。この鋼の腐食は一般的に、腐食がはじまる閾値に塩化物イオンが達するまでは無視することができる。この閾値濃度は、例えば、鋼のミクロ環境、間隙溶液ｐＨ、間隙溶液における他のイオンからの干渉、鉄筋用鋼の電位、酸素濃度およびイオン移動度などの多くの要因に依存する。塩化物は、これが腐食反応においては消費されないが、活性状態にとどまって再度、腐食反応に加わることによって触媒として作用するのである。

鉄筋コンクリート建造物への損傷は主に、コンクリートを通って鉄筋の周囲領域に塩化物イオンが浸透することによって発生する。塩化物含有硬化促進剤のようなコンクリート配合物への添加物を含め、多くの塩素供給源が存在する。塩化物はまた、海洋条件または凍結防止塩のような建造物の周囲環境にも含まれ得る。塩化物が存在することは、コンクリートそれ自体に直接的な不利な作用を及ぼすことはないが、鉄筋の腐食を実際に促進させる。鉄筋に形成される腐食生成物は、この鉄筋よりも大きな空間を占め、これによって内部からコンクリートに圧力を及ぼす。この内圧は、時間と共にまた最終的にはコンクリートの割れおよび剥離を生じさせる。鉄筋の腐食はまた、この鉄筋用鋼の強度を低下させて、コンクリート建造物の荷重容量を低下させてしまうのである。

塩化物イオン濃度とは別の複数の要因も鋼の腐食速度に影響を及ぼし、これにはｐＨ，酸素利用性、鋼の電位、周囲のコンクリートの固有抵抗が含まれている。これらの要因は互いに作用を及ぼし合って、１つの要因を制限することは必ずしも腐食を停止させず、また１つの要因の閾値レベルに接近する複数のレベルは、互いに相乗効果を及ぼして腐食を許してしまうのである。例えば、塩化物レベルが高い場合であっても不十分な酸素しか利用できない場合には、腐食は発生しないことになる。ｐＨが低下すると、腐食に対する塩化物閾値が低下する。極めて固有抵抗の高いコンクリートでは、炭酸塩化および塩化物進入が遅くなるだけではなく、イオン流が一層困難になることにより、腐食反応は低減される。別の任意の化学反応と同様に腐食作用には温度も関係している。

コンクリートにおける鉄筋のカソード防食は、殊にコンクリート内に塩化物イオンが極めて大きな濃度で存在する場合に、金属に対する防食を行うために使用される手法である。カソード防食には、カソードとして作用する鉄筋と１つの回路を形成することが必要であり、このカソードはアノードと電気的に接続される。十分に大きな電位差が存在する場合、このカソードの腐食は低減されるかまた阻止される。

外部電源カソード防食およびガルバニ電池の両方を用いてアノードとカソードとの間に電位差を形成することは公知である。外部電源カソード防食には、アノードを使用することと、外部ＤＣ電源またはＡＤ電源および整流器を使用して電流を加えることとが必要である。この電源は、継続的な電力消費、モニタリング、制御および所要のメンテナンスに伴うコストおよび信頼性の点から大きな課題になっている。

外部電源カソード防食システム用の電流の制御は極めて大きな課題である。定電流または電圧ＩＣＣＰのいずれであれ供給されるエネルギの量は、温度、水分定数、塩化物曝露およびｐＨが変化するのに伴って変化し、また過防食（水素脆化、酸形成等）または防食が少なすぎる状況（腐食）を防ぐため、異なる複数のゾーンを介して調整しなければならない。

カソード防食はまたガルバニ電池によって行うこともでき、このガルバニ電池では、犠牲アノードおよびカソードを異なる材料によって形成することにより、電位が発生する。犠牲カソード防食は、ある金属が、より反応性に富む、または一層陽極化し易い金属に結合される際に行われる。このアノードは、電源を使用することなしに防食電流を供給することが可能な犠牲金属から構成される。電源を使用されることなしに防食電流が供給されるのは、使用中に行われる反応が熱力学的に有利であるためである。犠牲アノードシステムの欠点は、利用可能な防食電流が制限され、または寿命が制限されていることである。犠牲アノードは、腐食の進行またはガルバニック金属の消費が生じ易く、また一般的には腐食の程度に依存して所定の時点での交換が必要である。

鉄筋コンクリート建造物の腐食は、人間の生活を脅かし、補修に大きな費用がかかるため、新たな腐食防止技術を実現して将来の数世代にわたってインフラストラクチャを保護したいという要求を満たす改善されたシステムおよび方法が必要である。

ガルバニックカソード防食システムの一実施形態の断面図である。 犠牲アノードが埋め込まれた鉄筋コンクリート製品の修復部位を示す図である。 流電陽極の一実施形態の斜視図（Ａ）および分解組立図（Ｂ）である。 流電陽極の実施形態の斜視図である。 シールドのない亜鉛犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、接続電位とインスタントオフ測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのある亜鉛犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、接続電位とインスタントオフ測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのない亜鉛／マグネシウムハイブリッド犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、接続電位とインスタントオフ測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのある亜鉛／マグネシウムハイブリッド犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、接続電位とインスタントオフ測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのない亜鉛犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、未接続アノード電位と、接続アノード電位との間の差分を示すグラフである。 シールドのある亜鉛犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、未接続アノード電位測定値と、接続アノード電位測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのない亜鉛／マグネシウムハイブリッド犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、未接続アノード電位測定値と、接続アノード電位測定値との間の差分を示すグラフである。 シールドのある亜鉛／マグネシウムハイブリッド犠牲アノードを含む例示的なカソード・アノードアセンブリに対して、未接続アノード電位測定値と、接続アノード電位測定値との間の差分を示すグラフである。 時間スケールを短縮してアノード試験体間のアノード電位の比較を示すグラフである。 評価した複数のプロトタイプ犠牲アノードに対して腐食電流の比較を示すグラフである。 時間スケールを短縮して評価した複数のプロトタイプ犠牲アノードに対し、腐食電流の比較を示すグラフである。

上記のグラフにおけるギャップは、分極量を求めるため、および所定の時間の切断された後、アノードシステムが元に戻って機能する否かを求めるためのアノードとカソードとの減極切断を表すことに注意されたい。

詳細な説明
ここで提供されるのは、流電陽極と、流電陽極システムと、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋用鋼のカソード防食のための方法である。いくつかの実施形態によれば、上記の犠牲アノード基体は、（ａ）長手方向軸を有しかつ犠牲金属からなる少なくとも１つの螺旋コイルと、（ｂ）この螺旋コイルに電気的に接続される少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｃ）少なくとも上記の螺旋コイルの一部分および上記の少なくとも１つの延長された電気導体の一部分を包囲するケーシング材料とを有しており、上記の少なくとも１つの延長された電気導体の一部分は上記のケーシング材料から突出している。

いくつかの実施形態によれば、上記の犠牲アノード基体は、（ａ）長手方向軸を備えた犠牲金属からなる少なくとも１つの螺旋コイルと、（ｂ）この螺旋コイルに電気的に接続される少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｃ）上記の螺旋コイルの少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有する。

別の複数の実施形態によれば、犠牲アノード基体は、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属と、（ｃ）第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）少なくとも第１および第２犠牲金属の一部および少なくとも１つの延長された電気導体の一部分を包囲するケーシング材料とを有しており、上記の第１犠牲金属および第２犠牲金属は鋼よりも電気化学的に活性であり、上記の少なくとも１つの延長された電気導体は、上記のケーシング材料から突出している。

別の複数の実施形態によれば、犠牲アノード基体は、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属と、（ｃ）上記の第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）第１および第２犠牲金属の少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有しており、上記の第１犠牲金属および第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性である。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するシステムは、（ａ）少なくとも１つの螺旋コイルを備えたアノード基体を有しており、この螺旋コイルは、長手方向軸を有しており、かつ、鋼よりも電気化学的に活性な犠牲金属を有しており、上記のシステムはさらに、（ｂ）少なくとも一部分がケーシング材料によって覆われている少なくとも１つの螺旋コイルと、（ｃ）上記のアノード基体を（ｄ）鉄筋用鋼部材に電気的に接続する少なくとも１つの電気導体とを有する。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するシステムは、（ａ）少なくとも１つの螺旋コイルを有するアノード基体を有しており、この螺旋コイルは、長手方向軸を有しており、かつ、鋼よりも電気化学的に活性な犠牲金属を有しており、上記のシステムはさらに、（ｂ）上記のアノード基体に電気的に接続された少なくとも１つの電気導体と、（ｃ）上記の少なくとも１つの螺旋コイルおよび上記の少なくとも１つの電気導体を少なくとも一部分に覆うケーシング材料とを有しており、（ｄ）上記の少なくとも１つの電気導体は、上記の少なくとも１つの螺旋コイルを、上記のコンクリート構造体に配置される鉄筋用鋼部材に電気的に接続する。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減する上記のシステムは、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属を有しており、上記の第１犠牲金属および第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性であり、上記のシステムはさらに、（ｃ）第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）第１および第２犠牲金属の少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有する。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減する上記のシステムは、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属とを有しており、第１犠牲金属および第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性であり、上記のシステムはさらに、（ｃ）第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つの電気化学的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）第１および第２犠牲金属の少なくとも一部分および上記の少なくとも１つの電気導体の少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有する。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減する方法は、長手方向軸を備えた少なくとも１つの螺旋コイルを有する犠牲アノード基体を、鉄筋コンクリート構造体内の鉄筋に接続するステップを有しており、上記のアノード基体は、ケーシング材料に少なくとも一部分が包囲されている。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減する方法は、犠牲アノード基体を電気的に接続するステップを有しており、この犠牲アノード基体は、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を備えた螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属とを有しており、第１犠牲金属および第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性であり、上記の犠牲アノード基体はさらに、（ｃ）第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つの電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）第１および第２犠牲金属の少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有する。

別の複数の実施形態によれば、鉄筋コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減する方法は、犠牲アノード基体を電気的に接続するステップを有しており、この犠牲アノード基体は、（ａ）第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、（ｂ）第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属とを有しており、第１犠牲金属および第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性であり、上記の犠牲アノードはさらに、（ｃ）第１および第２犠牲金属のうちの少なくとも１つの電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、（ｄ）第１および第２犠牲金属の少なくとも一部分および少なくとも１つの電気導体の少なくとも一部分を包囲するケーシング材料とを有する。

別の複数の実施形態によれば、上記のアノード基体には第１犠牲金属および第２犠牲金属が含まれており、第１および第２犠牲金属の双方は、コンクリート構造体に埋め込まれている鉄筋よりも電気化学的に活性である。第１犠牲金属は、第２犠牲金属に比べてより電気化学的に活性である。電気化学的により活性な第１金属から形成される酸化生成物は（吸収されていないかまたは可溶性でない場合）さらに、電気化学的により活性でない第２金属の腐食の電荷分布を強化することができる。これは、絶縁層またはスペーサと同様に、鋼のイオンパスに至る第２金属の直接の導通パスをさらに絶縁することによって行われる。これにより、マグネシウム酸化生成物は、上記の絶縁スペーサの全体的な効率を増大させる傾向を有し得る。また上記のマグネシウム酸化から生じる膨張性の生成物は、鉄筋用鋼とアノードとの間で、膨張力を形成するのではなくむしろ上記の絶縁スペーサの圧縮性の接着剤内に入り込んで取り除くことができる。ここでこの膨張力は、周囲の修復用モルタルまたはコンクリート構造体の割れを生じさせ得る膨張力である。

カソード防食は、鉄筋コンクリート構造体に埋め込まれる鋼の腐食を制御するのに応用することができる。本発明のカソード防食システムは、アノードと鉄筋との間の電解質電位差を形成するように動作する。この電位差により、電気コネクションを介して電流が流れ、またコンクリートおよび／またはケーシング材料を介してイオンが十分に流れて、アノードの腐食を発生させると共に鉄筋の腐食を防止するかまたはこれを低減するのである。

カソード防食は、金属表面におけるアノード的なまたは能動的な部位を、カソード的または受動的な部位に変換することにより、コンクリートにおける鉄筋の腐食を防ぐのである。

犠牲カソード防食は、ガルバニ電池によって行うことができ、ここでは犠牲アノードおよびカソードを形成する材料が異なることによって電位が発生する。アノード基体は、外部電源を必要とすることなしに鋼材料に代わって腐食する犠牲材料から形成される。これは犠牲システムと称される。なぜならば流電陽極を犠牲にして、構造用の鋼を腐食から保護するからである。上記の犠牲アノードは、防食すべき金属表面に電気的に接続された腐食可能な金属すなわち犠牲金属片を有しており、この犠牲金属は、電気分解作用によって優先的に消費されるのである。

複数の実施形態によれば、本発明の犠牲アノードアセンブリにより、鉄筋用鋼に代わって陽極反応が生じる複数の個所が提供される。したがって上記の流電システムが稼働中には鉄筋用鋼の代わりにアノードが劣化するのである。

本発明の複数の態様によれば、流電システムが提供され、ここでは長手方向軸を有しかつ犠牲金属を有する少なくとも１つの螺旋コイルからアノード基体が形成される。この犠牲金属は、外部電源を設けるかまたこれを使用することなく、鋼の代わりに腐食する。アノード基体は、ケーシング材料によって少なくとも一部分を覆うことができる。延長された金属導体は、上記のアノード基体に電気的に接続され、ケーシング材料から突出して、コンクリートに埋め込まれる鉄筋用鋼にこのアノード基体を電気的に接続する。

本発明により、コンクリート修復用途において、比較的大きな空間を占めかつ嵩張る公知の埋込式流電陽極の欠点が克服される。密集した鉄筋コンクリートにおいて必要な修復用スペースを最小化するための１つの取り組みにおいて、公知の多くの流電陽極は、アノードにおける犠牲金属の量を低減している。犠牲金属の量を低減すると、犠牲アノードの表面積が小さくなり、このアノードの効率が制限されてしまう。

本発明の犠牲金属螺旋コイルを有するアノード基体は、表面積を増大させることにより、効率的な量の犠牲金属を提供することと、修復体積を小さく維持することとの競合する目標を満足している。本発明の流電陽極は、鉄筋コンクリート構造体内で最小の体積を占める一方で、犠牲腐食に対して最大限の表面積を提供し、これにより、埋め込まれた場合には高い流電作用および高い性能が得られる。

上記のアノード基体の複数の実施形態によれば、所定の体積内にある犠牲金属の量は、例えば、犠牲金属螺旋コイルの個々のループ間の間隔を低減することにより、または２つ以上のコイルを密に交互配置することにより、増大させることができる。交互配置される複数の螺旋コイルは同じ犠牲金属を、例えば亜鉛または亜鉛合金を有し得る。上記の交互配置される螺旋は、異なる犠牲金属を有することが可能であり、例えば、第１螺旋コイルは亜鉛またはその合金を有し、第２螺旋コイルはマグネシウムまたはその合金を有し得る。

上記のアノード基体の別の複数の実施形態において、所定の体積内にある犠牲金属の量は、例えば、１つの犠牲金属螺旋コイル内に、または交互配置される複数の犠牲金属螺旋コイル内に、犠牲金属の中実体が含まれることによって増大させることができる。一実施形態において、犠牲金属のこの中実体は、１つまたは複数の螺旋コイル内またはその周囲にフィットするように適当にサイズが決められる。犠牲金属のこの中実体の長さは、螺旋コイルの長さと同じ長さにするか、またはわずかに短くまたはわずかに長くすることできる。複数の実施形態によれば、マグネシウムのような第２犠牲金属の中実体は、螺旋コイルの外面の一部分の周りで曲げられる。この第２犠牲金属が酸化すると、この酸化生成物は、第２犠牲金属とカソード（すなわち鉄筋）との間に配置されるスペーサによって吸収することができる。犠牲金属の上記の中実体は、螺旋コイルの内径よりもわずかに小さいかまたはその外径よりもわずかに大きい幅を有しており、これによってこの中実体は、このコイル内に配置されるかまたはこの螺旋コイルの一部分の外面の周りに形成される。この中実体は、１つまたは複数の螺旋コイルと同じ犠牲金属を有することできるか、または、複数のコイルのそれぞれと同じ犠牲金属を有し、この中実体は、異なる複数の犠牲金属を有することが可能である。

少なくとも１つの延長された電気導体は、アノード基体と、鉄筋コンクリート構造体内の鉄筋とを電気的に接続する。この延長された電気導体は、アノード基体の長手方向軸の一部分の周りに巻回されるかまた巻き付けることができ、これによって複数の物理的かつ電気的な接続点が流電陽極基体と鉄筋との間に得られる。例えば、鋼のバインド線を、上記の犠牲金属螺旋コイルのまわりに巻回するかまたは巻き付けることができ、また鉄筋の周りに巻き付けることができるが、これには限定されない。上記の電気導体は、犠牲金属の螺旋コイルの長さの一部分に沿って、犠牲金属の螺旋コイルの周りに巻き付けることができる。択一的には、螺旋コイルの全長に沿って犠牲金属の螺旋コイルの周りに電気導体を巻き付けることができる。電気接触接続の複数の点により、確実な接続が得られ、これによって均一な電荷分布が容易に形成され、上記の延長された電気コネクタと犠牲金属螺旋コイルとの間で腐食生成物が形成されるのが回避される。

公知のバインド線構成には、鋼のバインド線の周りに犠牲金属をモールドすることと、ボルトまたはリベットによって犠牲金属をバインド線に機械的に取り付けることとが含まれる。本発明の延長された電気導体は、アノード基体の周りに巻回するかまたは巻き付けることができ、これによって、ボルト、リベットまたは別の機械的な固定手段を使用しなくても、流電陽極基体と鉄筋との間に複数の物理的かつ電気的な接続点が得られる。本発明では、例えば、容易に構成されかつ確実な複数点での取り付けが提供されることにより、公知のバインド線取り付け方法の欠陥が克服されるのである。

複数の実施形態によれば、外部電源を設けるかまたはこれを使用することなく、鋼に対して腐食する少なくとも２つの犠牲金属からアノード基体が形成される流電陽極システムが提供される。このアノード基体は、第１螺旋コイルおよび第２螺旋コイルを有し得る。このアノード基体は、ケーシング材料によって少なくとも一部分を覆うことができる。複数の実施形態では、延長された金属導体は、上記のアノード基体に接続され、上記のケーシング材料から突出することができ、これによってアノード基体と、コンクリートに埋め込まれる鉄筋用鋼とが電気的に接続される。

別の複数の実施形態では、２重作用のアノードアセンブリまたは基体が提供され、ここでは、より電気化学的に活性な犠牲金属により、取り付けられた鉄筋用鋼の近傍においてアルカリ性の、塩化物のない環境を形成するための高い初期活性を得ることができる。活性の高いこの初期段階には、より電気化学的に活性の第１金属の消費または不動態化に続き、電気化学的により活性でない犠牲金属を利用する長期間の防食が続くことができる。

一実施形態では、より電気化学的に活性でない第２犠牲金属に第１犠牲金属を取り付けることができる。より活性な第１犠牲金属は、はじめのうちより大きなガルバニ電流を供給して、陽極反応を開始することができる。より電気化学的に活性でない第２犠牲金属は、長期間にわたって鉄鋼用鋼を適切に防食するための十分な電流を供給することができる。本発明のアノードアセンブリは、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、これらの合金などの犠牲金属の複数の組み合わせを有し得る。

一実施形態によれば、上記のアノードアセンブリは、第１犠牲金属を有する第１螺旋コイルと、第２犠牲金属を有する第２螺旋コイルとを有し得る。第１螺旋コイルと第２螺旋コイルとは互いに交互配置することができ、ほぼ単一のコイルのスペースを占めるようにする。螺旋コイル形状により、アノード材料の表面積が増大し、これによってアノードの効率が増大する。

いくつかの実施形態では、上記のアノードアセンブリは、第１犠牲金属を有する螺旋コイルと、例えば、スラグ、ワッシャ、シリンダ、ワイヤ、バー、ディスクまたは条片のような中実体を有する第２犠牲金属とを含み得る。第１犠牲金属螺旋コイルは、第１犠牲金属が第２犠牲金属の少なくとも一部分を包囲するように、第２犠牲金属の周りに巻き付けることが可能である。例えば、マグネシウム条片または亜鉛ワイヤの周りに亜鉛螺旋コイルを巻き付けることができる。１つまたはそれ以上の延長された電気コネクタを上記の犠牲金属の周りに巻回するかまたは巻き付けることが可能である。

一実施形態では、第２犠牲金属に隣接して第１犠牲金属螺旋コイルを配置し、つぎに延長された鋼の電気コネクタで巻き付けることができる。例えば、亜鉛螺旋コイルは、マグネシウム条片に隣接しかつこれに接触接続して配置することができる。上記の螺旋コイルおよびマグネシウム条片に電気的に接触接続して１つまたはそれ以上の延長された電気コネクタを巻回するかまたは巻き付けることができる。

別の実施形態では、第１犠牲金属はマグネシウムを含むことができる。このマグネシウムは迅速に反応して初期分極強度を生じさせ、鋼のまわりにアルカリ性環境を形成する。この初期分極により、鋼から塩化物イオンが強制的に離されて拡散される。上記のマグネシウムは消費されるかそうでなければ消耗されるため、例えば亜鉛である第２犠牲金属は、鉄筋用鋼の受動的な条件を維持するように動作する。このシステムにより、複雑な配線、バッテリまたは外部電源なしに外部電源システムの利点を得ることできる。

本発明のいくつかの様相によれば、上記のアノード表面積は、上記の構造体を防食するのに十分な電流を放電するのに有効であり、またアノード重量は、電流を放電する場合に所望の寿命に耐えるのに十分である。本発明の流電陽極システムは、取り付けられた隣接する鋼の初期の腐食作用に基づく自己制御式である。第１および／または第２犠牲金属からの腐食生成物はまた、電気またはイオンパススペーサとしても作用することができ、これによってアノードの周りの電荷分布が最適化される。

腐食速度は、腐食が鉄筋用鋼の腐食であるかまたは犠牲アノードの腐食であるかとは無関係に、温度、湿度、イオン環境および導電率に依存する。上記の犠牲アノードの材料は、鋼に防食のためのカソード電荷を供給するため、鋼に比べて優先的に腐食するように選択することができる。腐食条件が一層に有利になると、アノードの腐食速度が増大し、鋼に対する防食が正比例して増大する。この競合的な化学反応において、上記の有利な反応により、誘導される電荷によって第２の反応が発生することを阻止することができる。

アノードは、作用の増大によって動作中に不動態化することもあり、これによって酸化生成物は、例えば、吸収、溶解、またはケーシング材料におけるキレート化のメカニズムによりこれらが運び出され得るよりも早く析出される。アノードを鋼から離すことにより、防食電流の強度を低減し、アノードが不動態化される傾向を低減することができる。酸化生成物は、アノードが腐食するにつれて、アノードの犠牲金属の表面に析出し得る。これらの腐食生成物を取り除かない場合、これらの腐食生成物は、電解質を通るイオンの流れをブロックすることによって電気化学反応を妨げる。このことは、アノードの不動態化として知られている。これらの酸化生成物を可溶性にすることにより、上記のアノードは意図したように機能し続けることが可能である。腐食生成物の可溶性は、上記のケーシング材料によってコントロールされる。ケーシング材料により、アノード基体の犠牲金属の表面から腐食生成物を除去するためのメカニズムが得られると共に、鉄筋（カソード）から腐食性の犠牲金属アノードにイオンが流れるためのイオンパスが得られるのである。

いくつかの実施形態では、ケーシング材料は、例えばバインダ、ジオポリマ、モルタルなどを含み得る。このケーシング材料はセメント状モルタルなどを有し得るが、これは単なる説明のためで制限的なものではない。択一的には上記のケーシング材料は、イオン伝導性の圧縮可能なモルタルを有することができ、このマトリクスは、犠牲金属アノードの腐食生成物を吸収するために十分に圧縮可能である。このケーシング材料は、例えば、ハロゲン化物、キレート化またはｐＨを介する適当な活性化学の材料であり、かつ、腐食生成物の吸収を可能にする十分な多孔率を有する材料とすることが可能であり、これによって不動態化が阻止されるかまたは低減される。

別の複数の実施形態において、上記のケーシング材料は、アノードの周りの導電性を維持するために十分な水分を吸収するため、湿潤剤、潮解剤および／または吸湿材料を含むことででき、これにより、アノードの寿命の間は十分な電流の出力が保証され、アノードとカソード（鉄筋）との間の界面が電気化学的な活性状態に維持される。

複数の実施例によれば、上記の流電陽極基体用の適切なケーシング材料は、約７５％の石膏、約２０％のベントナイトおよび約５％の硫化ナトリウムの混合物を有する。このケーシング材料により、アノードの自己消費を低減する均一な環境が得られる。任意の特定の理論に束縛されることなく、上記の硫化塩により、アノード基体の金属である亜鉛が活性化され、またベントナイト粘土が湿潤剤として作用することが考えられる。

本発明によるガルバニック防食システムの犠牲金属螺旋コイルは、容易に作製され、また例えば、溶融亜鉛を使用して作製される公知のアノード基体の困難さを克服する。この作製プロセスは、例えば亜鉛ワイヤなどの市販の材料と、自動化された巻き取り作製プロセスと利用することによって自動化可能である。公知の別個の流電陽極システムと異なり、少なくとも１つの螺旋コイルを有する本発明のアノード基体の長さは、目的の修復部位に基づき、種々異なる長さに合わせて任意の適当な長さに延長可能である。上記の螺旋コイルの他の大きさは、要求に応じて容易に変更可能であり、特定の用途向けに調整可能である。

本発明の複数の様相は、鉄筋を露出させるために既存のコンクリートの一部分が掘削される補修と、流電陽極アセンブリおよび別個の補修パッチを含む配置構成とに適用することができる。

いくつかの実施形態において、上記のアノードアセンブリはコンクリートに埋め込まれ、その設置は、コンクリートの機能回復に伴う通常の製造業務と両立することができるため、専用の設置トレーニングは不要である。これらの手順には、鉄筋の少し下の深さまで損傷したコンクリートを掘削し、鉄筋にアノードアセンブリを取り付け、適当な埋込または補修モルタルにより、掘削したコンクリート領域の埋め戻することが含まれ得る。

いくつかの実施形態によれば、本発明の犠牲アノードシステムは、鉄筋用鋼の短い一部分に類似して成形され、この鉄筋用鋼の近傍に配置することができる。この構成により、密集した修復領域における得られる上記の間隔が最適化され、一層小さくかつ一層安価なコンクリートの修復が可能になる。

別の複数の実施形態によれば、コンクリート構造体内の鉄筋の腐食を低減するための方法には、異なる金属の少なくとも２つの犠牲金属からなる２重作用の犠牲アノードアセンブリを準備するステップが含まれており、これらの異なる金属はそれぞれ、鋼よりも電気化学的に活性である。上記のアノードは、少なくとも一部分をケーシング材料内によって覆うことができる。延長された電気導体は、上記のアノード基体に接続され、この電気コネクタの少なくとも一部分は、上記のケーシング材料から突出している。上記の２重作用のアノードアセンブリは、コンクリート構造体に形成される孔内に挿入可能である。上記のアノードアセンブリのケーシング材料は、鉄筋の表面の近くに配置される。このアノードアセンブリは、上記の延長された電気コネクタを鉄筋に巻き付けることによって所定の位置に固定される。

上記の固定されたアノードアセンブリは、セメント状修復用モルタルのような適当な材料によって埋め戻すことができる。この埋め戻し材料は、単一の材料または２つまたはそれ以上の材料の組み合わせを含み得る。複数の実施形態によれば、上記のセメント状モルタルは、低抵抗性のモルタルを含み得る。択一的には、上記の固定したアノードアセンブリを封止するために低抵抗性のモルタルを使用し、つぎに高抵抗性の修復用材料内に埋め込むことができる。これが可能になるのは、上記の低抵抗性埋込モルタルによって上記の固定されたアノードアセンブリが封止されて、上記の修復領域に隣接する元々のコンクリートへのイオンの伝導パスが得られる場合である。例として、複数の実施形態によれば、上記の埋め戻し材料には、活性化を形成するための材料と、吸引された塩化物を捕捉するための別の材料とが含まれ得る。

図１に示したように、カソード防食システム１００にはアノードアセンブリが含まれており、このアノードアセンブリは、犠牲金属１１０を含むアノード基体１０２を有する。犠牲金属１１０は、長手方向軸を有する少なくとも１つの螺旋コイルを有し得る。延長された電気導体１１６，１１８、すなわちバインド線は、犠牲金属１１０に巻き付けられてこれと電気的に接触接続することができる。アノード基体１０２は、ケーシング材料１０８によって少なくとも部分的にコーティングされるかまたは覆われることが可能である。延長された電気導体１１６，１１８は、アノード基体１０２に接続されており、ケーシング材料１０８から突出している。設置中、電気導体１１６，１１８は、導体１１６，１１８の端部を鉄筋用鋼１１４に巻き付けられることによって鉄筋１１４に固定される。

図２を参照すると、カソード防食システム２００は、鉄筋コンクリート構造体２０４内に形成される補修パッチ２０２を有する。アノードアセンブリ１０２は、延長された電気導体１１６，１１８によって鉄筋用鋼１１４に固定されている。

図３Ａに示したようにアノード基体は、螺旋１０４，１０６からなる犠牲金属１１０を有し、これらの螺旋は長手方向軸を有する。このアノード基体は、図示のように第１の螺旋コイル１０４を有しており、ここでは第１螺旋コイルと、第２の螺旋コイル１０６とが交互配置されている。ここで交互配置されるとは、第１のコイル１０４と第２のコイル１０６とが、交互に配置されるまたは散在することを意味する。これらの交互配置されたコイルは、一方のコイル１０５のループまたは一巻きが、他方のコイル１０６のループ間の空間にはまり込むように配置することができる。螺旋コイル１０４，１０６は同じ犠牲金属から構成することが可能である。一実施形態では、螺旋コイル１０４がより犠牲傾向の弱い金属を有し、螺旋コイル１０６はより犠牲傾向の強い金属を有することができる。またこの逆にすることも可能である。一実施形態によれば、アノード基体１０２の犠牲金属１１０は単一の螺旋コイル１０４を有し、この螺旋コイルは犠牲金属または複数の犠牲金属の組み合わせからなる。

図３Ｂには、異なる２つの犠牲金属からなるアノード基体１１０の分解組立図が示されている。犠牲金属１１０は、交互に配置されたまたは散在したまたはインターリーブされた螺旋１０４，１０６を有し得る。少なくとも１つの延長された電気導体、すなわちバインド線は、交互に配置される１０４，１０６に電気的に接触接続しかつこれらに巻き付けることができ、これによってアノード基体１１０は、コンクリート構造体内に配置される鉄筋用鋼に電気的に接続される。

図４Ａおよび４Ｂに示したように例示的なアノード基体は犠牲金属１１０を有する。犠牲金属１１０は、図３Ａおよび３Ｂに示した長手方向軸を有する螺旋コイル１０４または交互配置されたコイル１０４，１０６を有し得る。延長された電気導体１１６，１１８、すなわちバインド線は、螺旋コイル１０４または交互配置されたコイル１０４，１０６を有する犠牲金属１１０に巻き付けられ、これに接触接続することが可能である。

別の複数の実施形態において、犠牲金属１１０は、第２犠牲金属に巻き付けられる第１の犠牲金属を有することができ、これによって第１犠牲金属螺旋コイルの少なくとも一部分が第２犠牲金属を包囲するようにする。例えば、亜鉛の螺旋コイルをマグネシウム条片または亜鉛ワイヤに巻き付けることができる。

さらに別の複数の実施形態において上記の犠牲金属は、第２犠牲金属に隣接しかつ実質的に同一の空間的拡がりを有する第１の犠牲金属螺旋コイルを有し得る。この隣接しかつ実質的に同一の空間的拡がりを有する第１および第２犠牲金属には、延長された電気コネクタが巻き付けられる。例えば、亜鉛螺旋コイルは、マグネシウム条片に隣接しかつこれに接触接続して配置することができる。延長された鋼の複数の電気コネクタは、並べて配置される螺旋コイルおよびマグネシウム条片に電気的に接触接続しかつこれに巻回されるかまたはこれに巻き付けることが可能である。

本発明により、公知のガルバニックカソード防食システムの欠点が克服される。それはこのシステムが、簡単に作製することができかつ鉄筋コンクリート構造体内で最小体積しか占有しないのにもかかわらず、犠牲腐食に対して最大の表面積を提供するためである。一実施形態において、２つの犠牲金属を使用することにより、鉄筋用鋼の初期分極に対してより大きな電流が最初に供給されると共に、つぎにカソード防食を維持するために長期間続くより小さな電流が供給される。より活性な金属による鉄筋用鋼の上記の初期分極は、塩化物イオンを除去し、かつ、防食される鉄筋用鋼の近傍におけるアルカリ度を回復する。つぎに上記の第２犠牲金属は、上記の受動的な条件を維持するだけでよく、これによって２重作用のガルバニック防食が得られる。

実験
プロトタイプの複数の犠牲流電陽極を組み立て、これらのプロトタイプ流電陽極を使用する複数のカソード・アノードアセンブリを半電池電位、腐食電流および固有抵抗について評価した。これらの流電陽極およびカソード・アノードアセンブリの構成ならびに評価方法を以下に説明する。アノードアセンブリ、カソード・アノードアセンブリおよび評価方法の以下の説明ならびに結果は単に、本発明で開示する方法および装置を説明することだけを意図していることに注意されたい。アノードの構成、カソード・アノードアセンブリおよび評価方法の以下の説明は、いかなる意味でも、現在開示されている方法および装置を制限すると解釈してはならない。

テスト容器
上記の評価用の流電陽極試験体を収容するため、複数の５ガロン（２０Ｌ）のプラスチックバケツを使用した。それぞれのプラスチックバケツの底にはフィルタ布を配置し、プラスチックバケツの底の壁部に排水孔を穿孔して、コンクリート間隙水溶液の排水が模擬できるようにした。

コンクリート間隙溶液
模擬コンクリート間隙溶液は、
７ｋｇ セメント
３１ｋｇ 水道水
１．４ｋｇ １０％ＮａＣｌ溶液
の混合物から準備した。

この混合物を混ぜ合わせて自然に沈殿させた。デカントとした液体を濾過し、上記の流電陽極試験体のすべての評価に対し、上記の模擬コンクリート間隙水溶液として使用した。この模擬間隙水溶液における塩化ナトリウムの量は、２３００ｋｇ／ｍ³のコンクリート当たりの９ｋｇのＮａＣｌの塩化物の含量に相当する。この塩化物の量は、鉄筋用鋼が腐食している可能性のある現場において一般的に経験され得る十分に重大な塩化物曝露となるように選択した。

金網カソード
上記の流電陽極を評価するためのカソードとして、合計で６２％の開口面積を有する１／２インチの開口部、０．１３５インチの線径を有する超硬質普通鋼金網からなる腐食可能な金網（McMaster-Carr 9243T381）を選択した。この金網は、占有空間が小さいが表面積が大きいことにより、またすべての開口部により、金網のすべての表面にアクセスできることために選択された。この金網を３０×３０ｃｍの複数の部分に切断した。このようにサイズが決められて切断された金網を上記の５ガロンバケツに入るように折り曲げた。この金網は、サンドブラストされ、２４時間にわたって６０℃で１０％の水酸化ナトリウム溶液において酸洗いされ、続いて脱イオン水およびアセトン内ですすぎ洗いすることによって準備された。

砂
上記の金網カソードを試験体容器（すなわち上記のプラスチックバケツ）内に配置し、このバケツを砂で満たした。砂は、低価格であり、湿気を保ち、腐食を生じさせるための十分な酸素を供給し、また上記のアノード試験体の目視検査のために取り除くことができるため、流電陽極を評価するためには適当な媒体である。

電気化学セル
１４ゲージ（直径１．６３ｍｍ）の固定銅導線を巻き付けることによって上記の金網の上部ワイヤに付着させ、続いて接続部のはんだ付けおよび（ＢＡＳＦ社建設システムから購入可能なCONCRESIVE 1420という商標の）エポキシによるコーティングを行った。金網アノードの表面積は、０．１５７ｍ²と計算され、これは、現在購入可能な流電陽極を使用するアノード間隔に対して推奨されている上記の鋼面積の約１／６である（０．５ｍ²の鉄筋用鋼表面積当たりの０．０２７１ｍ²の亜鉛表面積の１アノード、または亜鉛表面積に対する鉄筋用鋼表面積の比が１８．４の１アノード）。亜鉛表面積に対する鉄筋用鋼表面の比は、カソード対アノード比と称される。金網カソード部分の重量が１２４１ｇであることにより、ファラデーの法則にしたがい、＋３価の鉄に完全に酸化させることにより、２８９，４５５クローンを放出することができた。

テストプロトタイプ
評価のため、流電陽極コア試験体の４つのプロトタイプを準備した。これらは、２つの流電陽極構成（亜鉛およびハイブリッド）および２つの付着方法（シールドありおよびシールドなし）から構成される。

２つの亜鉛金属流電陽極コア試験体は、直径０．１２５インチ（３．１２５ｍｍ）の長さ１３インチ（３３３ｍｍ）の亜鉛線から準備した。この亜鉛線を直径約１５ｍｍおよび長さ約７５ｍｍのコイルに成形した。この流電陽極コアにより、４８．３のカソード対アノードの比が得られた。亜鉛の質量は、５４，８７４クローンに対応する１８．６ｇであり、３．２６６ｍｍ²の表面積を有する。

各流電陽極コア試験体は、逆ピッチ（時計回りおよび反時計回りに巻き付く螺旋）の２つの鋼バインド線部分が巻き付けられており、この鋼バインド線は、上記の鋼メッシュカソードの準備と類似して、サンドブラストされ、カセイソーダにおいて酸洗いされ、アセトンによって洗浄されている。巻き付け、はんだ付けによって複数の電気コネクタを１４ゲージの固体銅導線に接続し、この接続部をエポキシをコーティングした。この接続部は、つぎに上記の電気化学セルにおけるアノードの分極および腐食電流を監視するために使用された。所定の鉄筋用鋼表面積に必要な市販のBASF EMACO Intact CP 150アノードの間隔にベースにすると、上記の亜鉛の表面積は、推奨されるカソード対ノード比の約３８％である。

複数の亜鉛流電陽極コア試験体のうちの１つは、金網カソードと電気的に接触接続しないようにアノードを絶縁するため、ナイロンジップタイを使用して上記の金網カソードから約１ｍｍ離される。この試験体をシールドなし亜鉛と称する。

シールドを模擬するため、４ｃｍ幅のブチルテープ片および両面発泡テープを使用して、実質的に同等の別の亜鉛流電陽極コア試験体を上記の金網カソードから絶縁した。この試験体をシールドあり亜鉛と称する。

２つの亜鉛アノードコア試験体をナイロンジップタイで金網カソードに取り付けて、上記のアノードをカソード鋼に固定した。

付加的な２つの流電陽極コア試験体をマグネシウムおよび亜鉛から準備した。重さが６．５ｇになる直径０．０９１インチ（２．３１ｍｍ）の長さ２２０ｍｍの亜鉛線と、直径０．１２５インチ（３．１２５ｍｍ）の７０ｍｍの直線状の亜鉛線と、重量２ｇの１０×９５×１．１ｍｍのマグネシウムプレートとからコイルを準備した。合計した亜鉛重量は１０．４ｇである。合計した亜鉛表面積は２２８８ｍｍ²であり、マグネシウム表面積は２１４８ｍｍ²であるため、合計の表面積は４４３５ｍｍ²であり、合計の質量は１２．４ｇであった。これは、亜鉛・マグネシウムハイブリッドアノードに対して４６７３６クローン（３０６８２クローンの亜鉛および１６０５４クローンのマグネシウム）に対応し、３５．５のカソード対アノード比に対応する。この亜鉛表面積は、所定の鉄筋用鋼表面積に必要な、購入可能なBASF EMACO Intact CP 150アノードの間隔をベースにした、推奨されるカソード対アノード比の約５０％である。

上記の亜鉛・マグネシウムハイブリッド流電陽極コア試験体のうちの１つは、アノードコアが金網カソードと電気的に接触接続しないように絶縁するため、ナイロンジップタイを使用してこの金網カソードから約１ｍｍ離される。この試験体は、ハイブリッド・シールドなし試験体と称される。

シールドを模擬するため、４ｃｍ幅のブチルテープ片および両面発泡テープを使用して、実質的に同等の亜鉛・マグネシウムハイブリッド流電電極コア試験体を金網カソードから絶縁した。この試験体はハイブリッド・シールドあり試験体と称される。

２つの亜鉛・マグネシウムハイブリッドコア試験体をナイロンジップタイによって金網カソードに取り付けて、上記のアノードをカソード鋼に固定した。

上記の４つの流電陽極・陰極試験体を組み立てた後、割り当てられたプラスチックバケツに配置し、模擬したコンクリート間隙水によって砂を湿らせた。はじめの２４時間は、アノードとカソードを接続しないままにして、このアノード・カソードアセンブリの周囲に腐食性環境を形成した。アノードからカソードに至る接続ワイヤを接続し、このアノードは、カソード防食を行い始めた。

カソードおよびアノードの双方に対し、半電池電位対銅／硫酸銅基準電極（ＣＳＥ）の複数の測定値と、腐食電流とを試験体毎に採取した。半電池電位は、腐食セルにおける分極電圧とＮＡＣＥとを比較するのに必要である。現行のＮＡＣＥ ＳＰ０１６９−２００７第６１節には、３つのカソード防食（ＣＰ）判定基準が力説されており、すなわち、（１）ＣＰ電流を印加した−８５０ｍＶ対飽和銅／硫酸銅電極または電圧降下（ＩＲ）を考慮した−８５０ｍＶオン電位、（２）−８５０ｍＶオフ電位または分極電位、および（３）１００ｍＶの分極が力説されているのである。

上記の評価の目的は、（すなわち室温、高湿度および塩化物腐食閾値レベルを上回る塩化物が存在する）腐食し易い環境において、望ましくないアノード対カソード比を介して、このアノードの出力を強制して上記の金網カソードの部分的な防食を行うことであった。上記の半電池電位および腐食電流測定値に加え、温度、ｐＨおよび各カソード・アノード試験体の固有抵抗を測定した。腐食は電気化学的な反応であるため、温度の上昇は反応速度を、この場合には腐食電流を増大させる。修復中のコンクリートに埋め込まれている場合に存在する通常の条件を模擬するために上記のカソード・アノード試験体がアルカリ性のままであることを保証するため、ｐＨを監視した。このシステムにおいて腐食が発生するための十分な水分が存在することを保証するため、上記の固有抵抗を測定した。

評価結果
アノード電位
４つのすべてのカソード・アノードアセンブリ試験体を５６日以上評価した。１００ｍＶを上回るインスタントオフと接続電位との間の測定した差分は、犠牲アノードが十分に機能していることを示している。カソードから得られる接続された値と、インスタントオフと間の差分がないことは、カソードからアノードに至る意図的な望ましくない表面積が、犠牲アノードの優先的な腐食による十分な防食をカソードに提供し得ないことを示している。これらの測定値の結果は、図５ないし８に示したグラフにプロットされている。

図８ないし１２は、テスト試験体毎に接続アノード電位およびインスタントオフアノード電位を示すグラフである。測定した電位間の大きな差分は、アノード出力がより大きいことを示している。グラフにおいて２つの線が合わさるギャップは脱分極であり、ここではアノードおよびカソードは、オフサイクル中のアノードのゲージ回復のためにしばらく時間の間に接続されないままになる。このオフサイクルは、現場の設置において凍結条件または乾燥条件において発生し得る。４つのすべての犠牲アノードプロトタイプ（シールドなし亜鉛、シールドあり亜鉛、シールドなし亜鉛／マグネシウムハイブリッド、シールドあり亜鉛／マグシウムハイブリッド）のグラフに示したように、接続アノード電位と、未接続アノード電位との間の差分は、金網アノードに対して防食を行うのに適切であることが示された。亜鉛アノードおよび亜鉛／マグネシウムハイブリッドアノードのシールドありの実施形態は、未接続アノード電位と、接続アノード電位との間で一層大きな差分を示したことに注意されたい。

図１３には、シールドなし亜鉛アノード、シールドあり亜鉛アノード、シールドなし亜鉛／マグネシウムハイブリッドアノード、シールドあり亜鉛／マグネシウムハイブリッドのそれぞれの犠牲アノードプロトタイプのアノード電位の比較が、短縮した時間尺度で示されている。

腐食電流
腐食電流は、アノード出力の別の尺度であり、ガルバニック金属消費の速度の関数である。この腐食電流がゼロに近づくと、アノードは、（例えば、この犠牲金属の表面における酸化生成物の不溶性の薄膜の発生により、またはアノードとカソードとの間の短絡を形成する酸化生成物により）犠牲金属の消費、不動態化のどちらとしても機能しなくなる。図１４のグラフが示しているのは、シールドなし亜鉛、シールドあり亜鉛、シールドなし亜鉛／マグネシウムハイブリッド、シールドあり亜鉛／マグネシウムハイブリッドのそれぞれの犠牲アノードプロトタイプに対する腐食電流測定値である。図１５は、短縮した時間にわたり、亜鉛／マグネシウムハイブリッドアノードから犠牲マグネシウムによって供給される付加的な初期電流を示している。シールドあり亜鉛／マグネシウムハイブリッドアノードは、シールドなし亜鉛／マグネシウムアノードよりもやや少ないが、より長い期間にわたって電流を示すことに注意されたい。

アノードアセンブリ、カソード防食システムおよび方法を種々異なる実施例に関連して接続したが、当然のことながら、別の類似の実施形態を使用できるか、または変更および付加を上記の複数の実施形態に行って、ここから逸脱することなく同じ機能を実行することができる。上で説明した実施形態は必ずしも択一的なものではなく、種々異なる実施形態を組み合わせて所望の特性を得ることができる。したがって上記のカソード防食システムおよび方法は、任意の単一の実施形態に限定すべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の詳細にしたがう範囲において解釈すべきである。

Claims (39)

1. アノード基体において、
   犠牲金属および長手方向軸を有する少なくとも１つの螺旋コイルと、
   当該螺旋コイルに電気的に接続される少なくとも１つの延長された電気導体と、
   前記少なくとも１つの螺旋コイルの少なくとも一部分、および、オプションで前記少なくとも１つの延長された電気導体の一部分を包囲するケーシング材料とを有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
2. 請求項１に記載のアノード基体において、
   前記犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性である、
   ことを特徴とするアノード基体。
3. 請求項２に記載のアノード基体において、
   前記犠牲金属は、マグネシウム、亜鉛、アルミニウムおよび／またはこれらの合金を有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
4. 請求項１に記載のアノード基体において、
   前記犠牲金属は、起電性の金属または金属合金を有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
5. 請求項１に記載のアノード基体において、
   前記少なくとも１つの延長された電気導体は、前記少なくとも１つの螺旋コイルの前記長手方向軸の少なくとも一部分に螺旋状に巻き付けられている、
   ことを特徴とするアノード基体。
6. 請求項１に記載のアノード基体において、
   さらに、前記螺旋コイルの外面に隣接するシールド部を有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
7. アノード基体において、
   該アノード基体は、
   第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、
   前記第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属とを有しており、
   前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性であり、
   前記アノード基体はさらに、
   前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属のうちの少なくとも１つに電気的に接続された少なくとも１つの延長された電気導体と、
   前記第１犠牲金属および第２犠牲金属の少なくとも一部分およびオプションで前記少なくとも１つの延長された電気導体の一部分を包囲するケーシング材料とを有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
8. 請求項７に記載のアノード基体において、
   前記第２犠牲金属は、長手方向軸を備えた第２螺旋コイルを有する、
   ことを特徴とするアノード基体。
9. 請求項８に記載のアノード基体において、
   前記第１螺旋コイルと、前記第２螺旋コイルとは交互配置されている、
   ことを特徴とするアノード基体。
10. 請求項９に記載のアノード基体において、
    前記少なくとも１つの延長された電気導体は、前記第１螺旋コイルおよび前記第２螺旋コイルの前記長手方向軸の少なくとも一部分に螺旋状に巻き付けられている、
    ことを特徴とするアノード基体。
11. 請求項９に記載のアノード基体において、
    さらに、交互配置された前記螺旋コイルの前記外面に隣接するシールド部を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
12. 請求項７に記載のアノード基体において、
    前記第２犠牲金属は、前記螺旋コイルの前記外面に隣接しかつ接触して配置される長手方向軸を備えた中実体を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
13. 請求項１２に記載のアノード基体において、
    前記電気コネクタは、前記螺旋コイルの前記長手方向軸の少なくとも一部分および前記中実体に巻き付けられており、これによって当該中実体を前記螺旋コイルに固定する、
    ことを特徴とするアノード基体。
14. 請求項７に記載の犠牲アノード基体において、
    前記第１犠牲金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
15. 請求項７に記載の犠牲アノード基体において、
    前記第２犠牲金属は、亜鉛または亜鉛合金を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
16. 請求項７に記載の犠牲アノード基体において、
    前記第１犠牲金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金を有し、
    前記第２犠牲金属は、亜鉛または亜鉛合金を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
17. 請求項１３に記載のアノード基体において、
    さらに、交互配置された前記螺旋コイルの前記外面に隣接するシールド部を有する、
    ことを特徴とするアノード基体。
18. コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    該システムは、
    長手方向軸を備えた少なくとも１つの螺旋コイルを有するアノード基体と、
    当該アノード基体を鉄筋用鋼部材に電気的に接続するための少なくとも１つの電気導体と、
    前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属の少なくとも一部分およびオプションで前記少なくとも１つの延長された電気導体の一部分を包囲するケーシング材料とを有しており、
    前記螺旋コイルは、鋼よりも電気化学的に活性な犠牲金属を有する、
    ことを特徴とするシステム。
19. 請求項１８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記犠牲金属は、マグネシウム、亜鉛および／またはこれらの合金を有する、
    ことを特徴とするシステム。
20. 請求項１８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記ケーシング材料は、有孔のモルタルである、
    ことを特徴とするシステム。
21. 請求項１８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    延長された電気導体は、前記アノード基体に電気的に接続されており、かつ、前記ケーシング材料の両側から突出している、
    ことを特徴とするシステム。
22. 請求項１８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    第１螺旋コイルは第１犠牲金属および長手方向軸を有しており、
    第２螺旋コイルは第２犠牲金属を有しており、
    当該第２犠牲金属は、前記第１犠牲金属よりも電気化学的に活性ではなく、
    前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性である、
    ことを特徴とするシステム。
23. 請求項２２に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記第１螺旋コイルと、前記第２螺旋コイルとは交互配置されている、
    ことを特徴とするシステム。
24. 請求項２３に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    少なくとも１つの前記延長された電気導体は、前記第１螺旋コイルおよび前記第２螺旋コイルの前記長手方向軸の少なくとも一部分に螺旋状に巻き付けられている、
    ことを特徴とするシステム。
25. 請求項２４に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    さらに、交互配置された前記螺旋コイルの前記外面に隣接する絶縁スペーサを有する、
    ことを特徴とするシステム。
26. 請求項２５に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記第２犠牲金属は、前記螺旋コイルの前記外面に隣接しかつ接触して配置される長手方向軸を備えた中実体を有する、
    ことを特徴とするシステム。
27. 請求項１８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    第１犠牲金属および長手方向軸を有する螺旋コイルと、
    第２犠牲金属の中実体とを有しており、
    前記第２犠牲金属は、前記第１犠牲金属よりも電気化学的に活性ではなく、
    前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性である、
    ことを特徴とするシステム。
28. 請求項２７に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記第１犠牲金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金を有する、
    ことを特徴とするシステム。
29. 請求項２７に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記第２犠牲金属は、亜鉛または亜鉛合金を有する、
    ことを特徴とするシステム。
30. 請求項２７に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    前記第１犠牲金属は、マグネシウムまたはマグネシウム合金を有しており、
    前記第２犠牲金属は、亜鉛または亜鉛合金を有する、
    ことを特徴とするシステム。
31. 請求項３０に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するためのシステムにおいて、
    さらに、前記第２犠牲金属の前記中実体の前記外面に隣接する絶縁スペーサを有する、
    ことを特徴とするシステム。
32. コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    該方法は、長手方向軸を備えた少なくとも１つの螺旋コイルを有する犠牲アノード基体を鉄筋コンクリート構造体における鉄筋に電気的に接続するステップを有しており、
    前記螺旋コイルは、鋼よりも電気化学的に活性である犠牲金属を有しており、
    前記アノード基体は、少なくとも一部分がケーシング材料に覆われている、
    ことを特徴とする方法。
33. 請求項３２に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    さらに、前記コンクリート構造体に形成された孔内にアノードを挿入するステップを有する、
    ことを特徴とする方法。
34. 請求項３３に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    さらに、前記鉄筋の近傍に前記犠牲アノード基体を配置するステップを有する、
    ことを特徴とする方法。
35. 請求項３２に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    前記アノード基体はさらに、前記第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でない第２犠牲金属を有する、
    ことを特徴とする方法。
36. 請求項３２に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    前記少なくとも１つの螺旋コイルは、第１犠牲金属を有する第１螺旋コイルと、第２犠牲機金属を有する第２螺旋コイルとを有しており、
    前記第２犠牲金属は、前記第１犠牲金属よりも電気化学的に活性でなく、
    前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属は、鋼よりも電気化学的に活性である、
    ことを特徴とする方法。
37. 請求項３６に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    前記第１犠牲金属および前記第２犠牲金属は、起電性の金属または金属合金を有する、
    ことを特徴とする方法。
38. 請求項３７に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    前記起電性の金属は、リチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、クロムおよびこれらの組み合わせまたは合金を有する、
    ことを特徴とする方法。
39. 請求項３８に記載の、コンクリート構造体における鉄筋の腐食を低減するための方法において、
    さらに、前記コンクリート構造体の鉄筋から遠ざかる塩化物イオンの移動を生じさせるための有効な量で、異なる材料の少なくとも２つの犠牲金属の犠牲アノードを準備するステップを有しており、前記犠牲金属のうちの１つはマグネシウムである、
    ことを特徴とする方法。

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