JP4801051B2 - 犠牲陽極アセンブリ - Google Patents

Description

本発明はコンクリート内のスチール補強材の犠牲的な陰極防食用に適合する犠牲陽極アセンブリ、犠牲的な陰極防食(sacrificial cathodic protection)の方法、並びに、補強材が犠牲的な陰極防食によって保護される補強コンクリート構造体に関するものである。

種々の構造体の金属部分の陰極防食は周知である。この技術は、陰極として働く金属部分となる電気回路の形成によって、金属部分の防食保護を提供するものであり、それ故に金属の酸化が生じない。

陰極防食に対する方法の１つのそうした既知のタイプは強制通電システムであり、それは主電源か或はバッテリかの何れかの外部電源を使用して、保護されるべき金属部分に電流を印加してそれを陰極化する。これらのシステムは、一般に、適切に電流を印加する複雑な回路や電流の印加を制御すべく制御システムを必要としている。更には主電源が供給されたものは、明らかに、電力サージや停電等の電源問題を伴う困難と遭遇し得る一方で、バッテリによって電力供給されたものは適切な位置にバッテリを配置すると云う問題を克服する必要があり、それら双方はバッテリを正しく機能させて、バッテリの重量を支持する。

それ故に、しばしば、そうした強制通電システムは防食されるべき金属部分を含有する構造体の外部に連結固定されたバッテリを有し、それがその構造体の外観に明らかに悪影響を与えている。

嵩張る構成要素或は複雑な構成要素の必要性を回避する陰極防食に対する他のシステムは、金属部分と結合された犠牲陽極を利用する。犠牲陽極は金属部分の金属よりもより反応性に富む金属であり、それ故にそれは金属部分に優先して腐食し、よってその金属部分は無傷のままである。

この技術は、コンクリート内における鋼補強材の保護で通常使され、その鋼を犠牲陽極と電気的に接続することによるものであり、コンクリートの孔内の電解質によって回路が完成される。鋼補強材の保護は、塩化物イオンが著しい濃度でコンクリート内に存在している際に特に必要とされ、それ故に、陰極防食は道路除氷からの塩或は海洋周囲からの塩に露出される種々の箇所におけるコンクリート構造体に関連して広範に使用される。

そうした陰極防食と関連された問題は、それは、犠牲陽極と金属部分との間の電圧であり、これら構成要素の間における電解質を通る電流を駆動する電圧であると云う事実から生ずる。この電圧は金属部分及び犠牲陽極の間に存在する自然な電位差によって限定される。従って、電解質の抵抗がより高ければ、所与の金属部分と犠牲陽極との間の電解質を横切る電流の流れはより低くなって、犠牲的な陰極防食の適用は制限される。

従って、金属部分及び犠牲陽極材の間に存在する自然な電位差よりも大きな、犠牲陽極及び金属部分の間の電圧を生じさせ得る犠牲陽極アセンブリに対する需要がある。

本発明は、第１の実施態様において、金属部分の陰極防食及び／或は不動態化のための犠牲陽極アセンブリを提供するものであり、相互に電子的接触状態とならないが、陽極及び陰極の間に電流が流れることができるように相互にイオン接触状態となるように配列された陽極及び陰極を有するセルであり、該セルの陽極が、該陽極を陰極防食されるべき金属部分と電気的に接続するためのコネクタに取付き、該セルの陰極が、犠牲陽極と直列に電気的接続を為すが、犠牲陽極及びコネクタを介して電流がセルに対する出入りを為すことだけができるように該セルが周囲から絶縁されている。

そうしたアセンブリは陰極防食されるべき、例えばコンクリート内の鋼部分等の、金属部分と連結されており、その金属部分及び犠牲陽極の間の電位差は金属部分及び犠牲陽極の間の自然電位差よりも大きく、そしてそれ故に、電流の流れの有益なレベルは高抵抗を伴う回路内でさえ達成可能である。従って、高抵抗の電解質等の物質によって完成される金属部分及び犠牲陽極の間の回路によって、犠牲的な陰極防食は先行して有益レベルで適用されることができなかったが、犠牲陽極アセンブリは複数個所における金属部分の犠牲的な陰極防食を提供すべく使用可能である。

更に、金属部分及び犠牲陽極の間の電位差は金属部分及び犠牲陽極の間の自然電位差よりも大きいので、陽極間に増大された空間を有することができ、そこでは、多数の犠牲陽極アセンブリが構造体内に展開される。勿論、これは所与の構造体内で要求されるアセンブリの総数を低減する。

加えて、本発明のアセンブリは高い初期電流をもたらす。これは、特に、活性腐食状態内或は新コンクリートであり得る、鋼等の金属を不動態化すべく、アセンブリが使用されることを可能としている。

更には、本発明の陽極アセンブリは陰極防食を必要とする金属部分を含むコンクリート若しくは他の構造体に適切に配置され得るか、或は、先の構造体と同等或は類似の機材内に含有され得るものであり、そしてこの含有されたアセンブリが構造体の外部に連結され得る。それ故に、構造体の外見は維持され得て、その構造体自体と外見が似ていない構成要素はその構造体の外部上に全く存在しない。

本発明のアセンブリのセルが最終的に消耗すると、犠牲要素は依然としてアクティブのまま維持され得て、陰極防食を提供し続けることができる。

犠牲陽極及びセルは一体的に接続され得て、単一ユニットを形成し、特に犠牲陽極アセンブリは単一のユニットであり得る。これは、その製品の複雑性を低減して、保護されるべき金属部分を含む構造体、或は、その構造体と同等若しくは類似の機材内にそのアセンブリを埋め込めることをより容易としていると云う長所がある。

特に、犠牲陽極はアセンブリ内に配置され得て、セルと隣接することになる。この犠牲陽極はセルの少なくとも一部と対応する形状及びサイズであり得て、セルの少なくとも一部の近くに沿って適合することになる。好適実施例において、犠牲陽極はセルが内部に配置されるコンテナを形成する。

犠牲陽極はセルの陰極と直接的に接続し得るか、セルの陰極と直に接触し得るか、或は、セルの陰極と間接的に接続され得る。好適実施例において、犠牲陽極は電子伝導性セパレータを介してセルの陰極と間接的に接続されている。これは、それがセルの陰極との接点で犠牲陽極の直接的な腐食を防止する点で補助しているので有益である。例えば、メッキされた銅或はニッケル等の金属の層はセルの陽極及び陰極の間に配置され得て、これら構成要素間での電子伝導を可能とするが、これら構成要素間での直接的接触を防止する。

犠牲陽極は、犠牲陽極アセンブリによって陰極防食されるべき金属よりもより陰性の標準電極電位を明らかに持っていなければならない。従って、犠牲陽極アセンブリが補強コンクリート用である場合、その犠牲陽極は鋼よりもより陰性の標準電極電位を持っていなければ成らない。適切な金属の例としては、亜鉛、アルミニウム、カドミウム、並びに、マグネシウムであり、およびマグネシウム合金である。犠牲陽極は、好適には、鋳物金属／合金、適切な合金の例としては、亜鉛合金、アルミニウム合金、カドミウム合金、並びに、圧縮粉末、繊維、或は、箔の形態で提供され得る。

陽極を陰極防食されるべき金属部分と電気的に接続するコネクタは、犠牲陽極と共に使用されて当業界で既知のコネクタ等の、任意の適切な電気的コネクタであり得る。特に、コネクタは、鋼、亜鉛メッキ鋼、黄銅であり得ると共に、該コネクタは適切には金属線の形態であり得て、より好ましくは亜鉛メッキ金属線である。

セルは任意の従来型の電気化学セルであり得る。特にこのセルは、任意の適切な材料である陽極と、任意の適切な材料である陰極とを備え得るが、勿論、その陽極は陰極よりもより陰性の標準電極電位という条件である。陽極に対する適切な材料は、亜鉛、アルミニウム、カドミウム、リチウム、マグネシウム等の金属や、亜鉛合金、アルミニウム合金、カドミウム合金、並びに、マグネシウム合金等の合金を含む。陰極に対して適切な材料は、マグネシウム、鉄、銅、銀、並びに、鉛等の金属酸化物や、例えば二酸化マグネシウム及び炭素の混合物等の金属酸化物の炭素との混合物を含む。陽極及び陰極は、各々、任意の適切な形態で提供され得て、同一形態或は異なる形態で提供され得て、例えば、それらは、各々、鋳造金属／合金、圧縮粉末、繊維、或は、箔の形態等の固体要素として提供され得るか、或は、未凝固粉末（ルースパウダー）の形態で提供され得る。

従来セルにおけるように、陽極が電解質と接触状態にあることが好ましい。陽極が未凝固粉末（ルースパウダー）形態であると、この粉末は電解質内に浮遊し得る。この電解質は、水酸化カリウム、水酸化リチウム、或は、塩化アンモニウム等の、任意の既知の電解質であり得る。この電解質は付加的な薬剤を含有し得て、特に陽極から水素放電を阻止する化合物を含有し得て、例えば陽極が亜鉛であるときに、電解質が酸化亜鉛を含有し得る。

陽極及び陰極は相互に電子接触状態とならないように配列されるが、相互にイオン接触状態であるように配列されて、電流が陽極から陰極に流れることができるようにしている。この点に関して、従来セルにおけるように、陽極及び陰極は電解質を介して接続されていることが好ましい。それ故に適切には、電解質は陽極及び陰極の間に設けられて、イオン電流が陽極及び陰極の間に流れることを可能としている。

セルには、陽極及び陰極の間に配置された多孔質セパレータが具備され、それが結果として陽極及び陰極の間の直接的接触を防止している。これは本発明のアセンブリにおいて特に有用であって、それによって陽極が未凝固粉末（ルースパウダー）形態で提供され、そしてより詳細にはこの粉末が電解質内に浮遊しているときである。

アセンブリ内のセルは、コネクタへの取付具や犠牲陽極が必要となる範囲以外は、周囲から絶縁され、即ち、これはセル周りの適切な絶縁手段の使用によって達成され得る。この絶縁は、特に、周囲内の電解質がセルと接触しないことを保障するので有益である。セルは、このようにして、１つの絶縁手段或は一緒となって必要な絶縁を達成する２つ以上の絶縁手段によって絶縁され得る。この絶縁手段は明らかに電気的絶縁材料でなければならず、電流はシリコーン・ベースの材料等のそれを通して流れない。

セルの許容された電気的接続の内の１つが犠牲陽極への電気的接続であるので、必要とされる絶縁手段の量は犠牲陽極に隣接して配置されたセルの外部のエリアを増大することによって低減され得る。従って好適実施例において、犠牲陽極は容器の形状であり、セルはその容器内に配置されており、例えば、犠牲陽極が缶の形状であり得て、即ち、犠牲陽極が、空洞を画成するように、円形基盤と該基盤の周辺から上方に延出する壁とを有しており、セルはその缶内に配置されている。犠牲陽極によって被覆されておらず且つコネクタとの接触によって被覆されていないセルの残りのエリアは、勿論、絶縁手段によって周囲から絶縁されている。

アセンブリ内で利用されている陽極及び陰極の材料の量は、明らかにこのシステムの効率を最大化するように、該アセンブリの寿命中にそれら各々が電荷の同一量を搬送するようなものであることが好ましい。

陽極アセンブリは多孔質マトリクス等の封入材料によって取り囲まれ得る。特にアセンブリは、使用前に、その周りのプレキャストされた適切な封入材料を有し得る。代替的には、その封入材料は、アセンブリがその意図された位置に配置された後に、例えばアセンブリがコンクリート構造体内に配置された後に提供され得て、この場合、適切な封入材料はそのアセンブリを埋め込むべく展開させられ得る。

封入材料は、それが犠牲陽極の活性を維持でき、拡張性腐食製品によって生成される任意の拡張力を吸収でき、そして／若しくは、陽極アセンブリ内の内部セルを放電することになる導体及び犠牲陽極の間の直接的接触の危険性を最小化できるように適切であり得る。封入材料は、例えば、セメント系モルタル等のモルタルであり得る。

好ましくは、陽極アセンブリは、犠牲陽極の継続される腐食を保証すべく活性剤を含有する封入材料によって取り囲まれ、例えば溶液中の電解質は、陽極アセンブリが該陽極アセンブリによって陰極防食されるべき材料に陰極的に接続される際、回避されなければならない犠牲陽極の腐食や犠牲陽極上の不動態皮膜形成を生ずるに充分高いｐＨを有する。特に、封入材料は水酸化リチウム或は水酸化カリウム、若しくは、湿潤剤等の当業界で既知の他の適切な活性剤等のアルカリの貯蔵を含み得る。この封入材料は、好ましくは、犠牲亜鉛を取り囲むために使用されるような当業界では既知のもの等の高アルカリ性モルタルであり、例えばモルタルとしては水酸化リチウム或は水酸化カリウムを含むと共に、１２から１４までのｐＨを有する。

モルタルは適切には急硬セメントであり得て、これは特に、封入材料がプレキャストされる実施例で使用される。例えば、モルタルはカルシウムスルホアルミネートであり得る。モルタルは、代替的には、米国特許第６，０２２，４６９号で議論されたようなモルタル等の、付加的な水酸化リチウム或は水酸化カリウムを含有する０．６或はそれ以上の水／セメント比を伴うポルトランドセメント・モルタルであり得る。

第２の実施態様において、本発明の第１の実施態様に従った犠牲陽極アセンブリが、該アセンブリのコネクタを介して金属に陰極的に取付けられて該金属を陰極防食する方法を本発明は提供する。特に、コンクリート内での陰極防食鋼補強の方法が提供されて、本発明の第１の実施態様に従った犠牲陽極アセンブリがその鋼に陰極的に取付けられる。

第３の実施態様において、本発明は補強コンクリート構造体を提供し、その補強材の幾分か或は全てが上記第２の実施態様の方法によって陰極防食される。

以降、本発明は図面を参照して以下の例で更に説明されることになる。

図１は、金属部分を陰極防食するための犠牲陽極アセンブリ１を示す。このアセンブリはセルを備え、該セルは陽極２及び陰極３を有する。陰極３は二酸化マグネシウム／炭素混合物であり且つ缶の形状であって、空洞を画成するように、円形基盤と該基盤の周辺から上方へ延出する壁とを有する。陽極２は円筒形状の固体亜鉛陽極であり、その固体亜鉛は鋳造金属、圧縮粉末、繊維、或は、箔である。陽極２は缶形状の陰極３によって画成された空洞内の中央に配置されて、その缶形状の陰極３によって画成された空洞内に存在する電解質４と接触状態であり、それは陽極の活性を維持する。電解質４は、適切には、水酸化カリウムであって、亜鉛からの水素放電を阻止すべく酸化亜鉛等の他の薬剤を含有し得る。缶形状である多孔質セパレータ５は、陰極３と隣接して、該陰極３によって画成された空洞３ａ内部に配置されている。従って、陽極２及び陰極３は相互に電子接触状態ではないが、電解質４及び多孔質セパレータ５を介してイオン接続されて、電流が陽極２及び陰極３の間を流れることができるように為している。

陽極２はコネクタ６に取付けられて、該陽極２を陰極防食されるべき金属部分と電気的に接続する。コネクタ６は適切には亜鉛メッキ鋼である。セルの陰極３は犠牲陽極７と電気的に直列接続されている。犠牲陽極７は固体亜鉛であり且つ缶形状であって、その固体亜鉛は鋳造金属、圧縮粉末、繊維、或は、箔である。セルは缶形状の犠牲陽極７によって画成された空洞内部に配置されている。電気的絶縁材料から成る層８はアセンブリの上部を横切って配置されて、セルを外部周囲から絶縁し、従って電流が犠牲陽極７及びコネクタ６を介してセルに対する流入及び流出のみができる。

犠牲陽極アセンブリ１は、次いで、多孔質マトリクスによって、特にモルタルはカルシウムスルホアルミネートが使用前にアセンブリ１周りにプレキャストされ得るようにセメント系モルタルによって取り囲まれ得る。またこのマトリクスは、適切には、水酸化リチウム等のアルカリの貯蔵を含み得る。

犠牲陽極アセンブリ１は、コンクリート周囲内に配置させて、コネクタ６をこれもまたコンクリート内に配置された鋼棒体と連結することによって利用され得る。従って電流は、セルに跨る電圧と犠牲陽極７及び鋼の間の電極とによって、即ち付加的に結合される２つの電圧によって、コンクリート内の陽極アセンブリ１、鋼、並びに、電解質を含む回路を通じて駆動される。金属／電解質のインターフェースで生ずる反応は、亜鉛犠牲陽極７の腐食と鋼の防食とを生み出す。

図２は、セメントが占める割合で、３％の塩化物で不純にさせられた３５０キログラム／立法メートル（ｋｇ／ｍ^３）の通常ポルトランドセメント・コンクリートから構成される１００ミリ（ｍｍ）コンクリート立方体１３内における、２０ミリ径軟鋼棒体１２と連結されている犠牲陽極アセンブリ１１を示している。

犠牲陽極アセンブリ１１は、ＡＡサイズのデュラセル（商標）・バッテリであるセルと、該セル周りに亜鉛缶をもたらすように折られた純粋亜鉛から成るシートである犠牲陽極とを備える。この亜鉛は折られてセルの正端子と接触するように為し、伝導体１４はセルの負端子に半田付けされている。シリコーン・ベースのシーラントが負及び正のセル端子各々上に配置されて、周囲からそれらを絶縁している。

犠牲陽極アセンブリ１１をコンクリート立方体内に配置する前に、１０メグオーム（Ｍｏｈｍ）の入力インピーダンスを有するディジタル・マルチメータを用いて電位を測定し、それが示したことは、外部亜鉛鋳造と湿潤塩化物不純化砂内の鋼棒体との間の電位が５２０ミリボルト（ｍＶ）であり、伝導体及び鋼の間の電位が２１１０ミリボルトであったことである。これが提案することは、犠牲陽極アセンブリ１１が、陽極及び保護鋼の間の電解質を通して電流を駆動すべく従来の犠牲陽極の電圧を超える、付加的な駆動電圧の１５９０ミリボルトであることである。

図２に示されるように、犠牲陽極アセンブリ１１からコンクリート立方体１３内の電解質を通じて鋼棒体１２までの回路は銅コア電気ケーブル１５で完成され、それには１０ｋオーム抵抗１６と該回路にも含まれている回路ブレーカ１７とを伴う。陽極及び鋼の間の駆動電圧は、モニタ点１８を横切ってモニタされた一方で、流れる電流はモニタ点１９の１０ｋオーム抵抗を横切る電圧を測定することで決定された。飽和カロメル基準電極（ＳＣＥ）２０は据え付けられて、モニタ点２１を横切る鋼電位の独立決定を促進する。

駆動電圧、犠牲陰極電流、並びに、鋼電位は定期的に記録された。陽極面エリアに対して表現された駆動電圧及び犠牲陰極電流は図３に示されている。陽極-鋼の駆動電圧は開成回路状態（回路ブレーカが開）で約２．２から２．４ボルトであって、電流が引かれると１．５から１．８ボルトまで降下した。

鋼面エリアに対して表現された鋼電位及び犠牲陰極電流は図４に示されている。初期鋼電位はＳＣＥスケール上で−４１０と−４４０ミリボルトとの間で変動した。これは、ＳＣＥ及びコンクリートの間の接点でのコンクリートの含水率に伴って変動した。この負電位は鋼に向かう塩化物不純化コンクリートの活動的な特性に反映する。鋼電流密度は２５及び３０ミリアンペア／平方メートル（ｍＡ／ｍ^２）の間で変動した。

電流の遮断（回路ブレーカが開）に続く鋼電位減衰は約１００ミリボルトであって、鋼の防食が達成されたことを示した。またこれが意味することは、１．５から１．８ボルトの陽極-鋼駆動電圧の中、１．４ボルト以上が電流の流れに対して回路抵抗を克服すべく有効である。これは、電流の流れに対する回路抵抗を克服すべく現行下有効であるように、犠牲陽極によって提供され得るものよりも著しく大きな電圧である。

それ故に明らかなことは、高抵抗周囲において、即ち、状態によって提示される電流の流れに対する回路抵抗は高く、本発明の犠牲陽極アセンブリは現行下有効である伝統的な犠牲陽極を凌ぐ著しい有益性を有する。

本発明に従った犠牲陽極アセンブリの横断面図である。 図１（ａ）に示された犠牲陽極アセンブリのＡ−Ａ線上の断面図である。 テスト配列において、鋼と連結された本発明の犠牲陽極アセンブリを示す図である。 図２に示された犠牲陽極アセンブリの駆動電圧及び電流密度を示すグラフである。 図３における犠牲陽極アセンブリと連結された状態で保護された鋼に対する電位及び電流密度を示す図である。

符号の説明

１、１１ 犠牲陽極アセンブリ
２ 陽極
３ 陰極
４ 電解質
５ 多孔質セパレータ
６ コネクタ
７ 犠牲陽極
８ 層
１２ 軟鋼棒体
１３ コンクリート立方体
１４ 伝導体
１５ 銅コア電気ケーブル
１６ 抵抗
１７ 回路ブレーカ
１８、１９、２１ モニタ点
２０ 飽和カロメル基準電極（ＳＣＥ）

Claims (10)

1. 金属部分の陰極防食及び／または不動態化のための犠牲陽極アセンブリにおいて、
   相互に電子的接触状態とならないが、陽極及び陰極の間に電流が流れることができるように相互にイオン接触状態となるように配列された前記陽極及び前記陰極を有するセルと、
   前記陽極を陰極防食されるべき前記金属部分に電気的に接続するために前記セルの前記陽極に取付けられたコネクタと、
   前記セルの前記陰極と直列に電気的に接続された犠牲陽極と、を備え、
   前記セルが周囲から絶縁されて、電流が犠牲陽極及びコネクタを介して前記セルに対して流入及び流出することだけができることを特徴とする犠牲陽極アセンブリ。
2. 前記犠牲陽極及び前記セルが一体的に接続されて単一ユニットを形成することを特徴とする請求項１に記載の犠牲陽極アセンブリ。
3. 前記犠牲陽極が前記セルと隣接して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の犠牲陽極アセンブリ。
4. 前記犠牲陽極は前記セルが少なくとも部分的に内部に配置される容器を形成することを特徴とする請求項３に記載の犠牲陽極アセンブリ。
5. 前記犠牲陽極が容器を形成し、前記セルが該容器内に配置され、前記犠牲陽極によって被覆されておらず且つ前記コネクタとの接触によって被覆されていない前記セルのエリアであって、１つ或はそれ以上の絶縁手段によって周囲から絶縁されている前記セルのエリアを伴うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の犠牲陽極アセンブリ。
6. 前記犠牲陽極が封入材料で少なくとも部分的に取り囲まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の犠牲陽極アセンブリ。
7. 前記封入材料が多孔質マトリクスであることを特徴とする請求項６に記載の犠牲陽極アセンブリ。
8. 前記多孔質マトリクスがモルタルを含むことを特徴とする請求項７に記載の犠牲陽極アセンブリ。
9. 前記封入材料が、１２から１４のｐＨを有することを特徴とする請求項６、７または８に記載の犠牲陽極アセンブリ。
10. 前記封入材料は、前記犠牲陽極の継続した腐食を確実にする少なくとも一つの活性剤を含むことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の犠牲陽極アセンブリ。

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