ДИСКРЕТНЫЙ АНОД ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
DISCRETE ANODE FOR CATHODIC PROTECTION OF REINFORCED CONCRETE

Данное изобретение относится к области катодной защиты железобетонных конструкций и, в частности, - к устройству дискретного анода для катодной защиты, подходящего для установки в полостях или щелях, проделанных в бетоне.
В данной области техники известны явления коррозии, которым подвержены железобетонные конструкции. Стальная арматура, введенная в бетонные конструкции для улучшения их механических свойств, обычно работает в режиме пассивации, индуцированном щелочной средой бетона; тем не менее, после определенного периода времени миграция ионов по пористой структуре бетона провоцирует локализованное агрессивное воздействие на защитную пассивирующую пленку. Особенно опасным является агрессивное воздействие хлоридов, присутствующих практически во всех видах сред, в которых используются железобетонные конструкции, а еще в большей степени в тех случаях, когда происходит воздействие солоноватой воды (мосты, пиллерсы, здания, расположенные в морских зонах), солей антифризов (мосты и дорожные конструкции в холодных регионах) или даже морской воды, например, в случае пирсов и доков. Было установлено, что критическая величина воздействия хлорида составляет около 0,6 кг на кубический метр бетона, за пределами которой состояние пассивации арматурной стали не гарантируется. Другой вид разрушения бетона представлен явлением карбонизации, т.е. образованием карбоната кальция в результате взаимодействия извести из цементирующей смеси с атмосферным диоксидом углерода. Карбонат кальция снижает содержание щелочи в бетоне (с рН 13,5 до рН 9), переводя железо в защищенное состояние. Присутствие хлоридов и одновременная карбонизация являются наихудшими условиями для сохранения арматурных стержней конструкций. Продукты коррозии стали являются более объемными, чем сама сталь, и механическое напряжение, возникающее в результате их образования, может привести к явлениям расслоения и разрушения бетона, которые трансформируются в огромные убытки с экономической точки зрения, помимо проблем с безопасностью. По этой причине в данной области техники известно, что наиболее эффективный способ продления на неопределенное время срока службы железобетонных конструкций, подвергающихся атмосферным воздействиям, даже в случае высоких концентраций соли, заключается в катодной поляризации стальной арматуры. В таком случае арматура становится местом катодного восстановления кислорода, подавляя анодную коррозию и реакции растворения. Такую систему, известную как катодная защита железобетона, на практике создают, соединяя анодные структуры различных видов с бетоном, при этом защищаемая арматура действует как катодный противоэлектрод; задействованные электрические токи, поддерживаемые внешним выпрямителем, протекают по электролиту, состоящему из пористого бетона, частично пропитанного соленым раствором. Установка системы катодной защиты может быть осуществлена в самом начале на вновь возведенных конструкциях (в таком случае ее часто называют «системой катодной предупредительной защиты», от англ. cathodic prevention system) либо при модернизации старых конструкций.
2
2
Аноды, обычно используемые для катодной защиты железобетона, состоят из титановой подложки, покрытой оксидами переходных металлов или другими типами катализаторов для анодного выделения кислорода. В качестве подложки можно использовать другие вентильные металлы, либо чистые, либо легированные; однако предпочтение в основном отдается чистому титану по причине его стоимости. С точки зрения конструкции системы катодная защита арматурного каркаса может быть осуществлена двумя различными путями, т.е. при помощи распределенных или дискретных анодов. Защитная конструкция с распределенными анодами обеспечивает покрытие соответствующим образом подготовленной поверхности защитного слоя бетона защищаемой арматуры анодами, состоящими из сильно растянутой сетки; затем эти аноды покрывают свежим цементным слоем толщиной в несколько сантиметров. Альтернативно, ячеистые или сплошные ленты могут быть установлены в каналах, вырезанных в защитном слое (глубина которых недостаточна для достижения железа), после чего упомянутые каналы заполняют цементным раствором. В новых строящихся конструкциях, в конце концов, аноды, обычно анодные ячеистые ленты, могут быть установлены непосредственно на арматурный каркас, будучи электрически изолированными от железа посредством пластмассовой или бетоноподобной монтажной арматуры. Анодную систему заделывают в такую конструкцию во время завивки бетона при строительстве. Небольшой постоянный ток (обычно от 1 до 30 мА на м арматуры), подаваемый на аноды и распределяемый по всей конструкции, придает равномерный катодный потенциал защищаемой арматуре в том случае, если последняя имеет достаточно простую и правильную форму. И наоборот, в том случае, если арматура имеет сложную форму и некоторые участки, менее доступные, чем другие участки, либо имеющие иную плотность стали на единицу поверхности или иные виды неравномерностей, обеспечение достаточной защиты всех участков арматуры без подачи избыточного тока на другие участки может оказаться затруднительным. Защитная конструкция с анодами дискретного типа позволяет преодолеть такой недостаток путем использования раздельных анодов, например, в виде прутков, пластин, стержней или кусков сетки или ленты, установленных в полученные в бетоне подходящие полости или щели и зацементированных в нем цементным раствором после их размещения. Дискретные аноды могут быть размещены согласно потребностям: с увеличением их числа или уменьшением расстояния между ними в тех местах, где требуется обеспечить больший ток. И наконец, в некоторых конструкциях может быть предусмотрено сочетание сеточных и ленточных анодов и дискретных анодов для достижения наилучшего защитного действия. Максимальная плотность тока, применимая к вышеописанному типу анодов (сеточные, ленточные или дискретные аноды), ограничивается необходимостью в предотвращении излишнего закисления бетона в окружающей их зоне; последнее фактически вызывает повреждения нескольких видов, среди которых накопление продуктов реакции на ограниченном участке вокруг анода и последующее механическое действие, ухудшающее окружающий раствор с неизбежным резким подъемом сопротивления на границе раздела. Регулирование силы тока обеспечивает максимальную плотность тока на эффективную активную поверхность анода (т.е. поверхность, равную сумме двух лицевых поверхностей), составляющую самое большее 110 мА/м. Следовательно, для того чтобы обеспечить подачу необходимого защитного тока, в соответствии с этой максимальной плотностью тока, целесообразно максимизировать анодную поверхность на единицу длины без слишком сильного повышения стоимости материалов, а также затрат на установку, связанных с созданием глубоких полостей или выемок в бетоне. Согласно другому аспекту для ограничения затрат на установку также необходимо по возможности облегчить транспортировку и сборку анодов. Наконец, необходимо определить геометрические конфигурации электродов, способные как можно сильнее повысить адгезию анода к цементному раствору, используемому для их фиксации. Геометрические электродные конфигурации известных из уровня техники дискретных анодов демонстрируют существенные недостатки по всем этим аспектам, например, потому, что увеличение поверхности анода на единицу длины может быть достигнуто только путем увеличения его диаметра или длины. Более того, установка цилиндрических либо сеточных или сплошных ленточных анодов может оказаться весьма затруднительной на вертикальных поверхностях или на перекрытиях конструкций, на которых такие аноды должны быть соответствующим образом закреплены в полученных в бетоне полостях или щелях перед тем, как их покрывают свежим раствором, для предотвращения их выпадения под действием силы тяжести.
Первая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить дискретный анод для систем катодной защиты железобетонных конструкций, преодолевающий недостатки уровня техники.
В частности, одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить дискретный анод для систем катодной защиты железобетонных конструкций, характеризующийся большой активной поверхностью на единицу длины, легкостью транспортировки, хранения и установки, а также высокой адгезией к цементному раствору.
Вторая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему катодной защиты с анодами дискретного типа для железобетонных конструкций.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ установки системы катодной защиты с анодами дискретного типа для железобетонных конструкций.
Перечисленные и другие задачи станут понятными из дальнейшего описания, которое предназначено только для иллюстрации, а не ограничения изобретения.
Анод по изобретению состоит из гофрированной плоской подложки из титана или иного вентильного металла, приваренной к токоприемнику и снабженной поверхностной каталитической активацией, способной к сворачиванию саму на себя с образованием цилиндра.
Как будет очевидно из данного описания, термин «цилиндр» используется здесь для охвата в общем поверхностей, в целом приближающихся к цилиндрической форме, в частности, невзирая на отклонение, вызванное гофрами (волнистостью).
Гофрированная подложка предпочтительно состоит из тонкой волнистой сетки, а токоприемник предпочтительно представляет собой стержень или полосу, например, приваренную к центру или вдоль одной стороны активированной подложки.
Термин «гофрированная подложка» используется здесь для обозначения в общем подложки, имеющей профиль, образованный складками или бороздками любой формы, подходящими для формирования бороздчатой поверхности (с канавками), включая складки с непрерывным изгибом и сгибы с острыми углами, необязательно в сочетании со сплющенными концами.
Подложка должна быть достаточно тонкой для того, чтобы ее можно было легко подвергнуть цилиндрическому сгибанию, которое предпочтительно осуществляется параллельно основному размеру токоприемника; с другой стороны, толщина подложки должна быть достаточной для того, чтобы сохранять постоянную поверхностную волнистость и придавать эластичные свойства цилиндрически свернутому аноду. В одном предпочтительном варианте реализации подложка представляет собой волнистую сетку с первоначальной толщиной, составляющей между 0,2 и 2 мм, длиной, составляющей между 30 и 300 мм, с количеством канавок на линейный метр, составляющим между 20 и 2000. Конечная толщина после процесса гофрирования, определяющего геометрию канавок, предпочтительно составляет между 1 и 30 мм. Система катодной защиты по изобретению содержит множество анодов по изобретению, свернутых в цилиндры, с усилием вставленных (посаженных) в подходящие цилиндрические полости или отверстия, проделанные в окружающих защищаемую металлическую арматуру подходящих зонах бетона, и зафиксированных цементным раствором. Аноды системы катодной защиты по изобретению могут быть дополнительно снабжены наружным изолирующим кольцом или другими эквивалентными средствами для предотвращения короткого замыкания с окружающим открытым арматурным прутком (профилем), как известно в данной области техники. В качестве альтернативы, анод может быть предварительно заполнен цементным раствором или другим пористым электроизолирующим материалом перед его вставкой в соответствующую полость. Согласно еще одному варианту реализации анод может быть предварительно сварен в цилиндр перед установкой в бетон. Такая конфигурация является особенно предпочтительной в том случае, когда высверливание соответствующих полости или отверстия может пересечь арматурные прутки, а установка анода в виде открытого цилиндра может вызвать короткое замыкание между анодными цилиндрами и арматурным прутком, обнаженным в результате процедуры сверления. Предварительно сваренный цилиндрический анод может быть соответствующим образом использован при обеспечении катодной предупредительной защиты во время сооружения бетонной конструкции. Такие предварительно изготовленные цилиндры могут быть установлены на арматурных прутковых каркасах соответственно помещенными на определенном расстоянии с помощью изолирующей монтажной арматуры. В частности, анодный цилиндр может быть точно расположен поблизости от участков с высокой плотностью стали арматурного каркаса с целью обеспечения оптимального локального распределения тока. Анод по изобретению может быть также установлен без сворачивания в цилиндр, т.е. в плоском или промежуточном согнутом открытом положении (например, сложенном в полукруг или полумесяц и т.п.), в подходящих щелях, проделанных в бетоне. Преимущества конструкции такого типа будут очевидны для специалиста в данной области техники: гофрированная подложка имеет намного большую активную поверхность, чем поверхность проекции (например, в 1,5 или более раз), так что общий ток, который может быть подан в соответствии с правилами на единицу длины, увеличивается на существенную величину, предпочтительно на 50% или более. Аноды легко активировать и транспортировать, поскольку можно покрывать их катализатором и манипулировать ими в виде плоских листов, а также без усилий сворачивать в цилиндры во время их применения; токоприемник может быть прикреплен до или после их транспортировки согласно потребностям. Анод, вручную свернутый и необязательно удерживаемый имеющим цилиндрическую форму наложением зажимов, с усилием вставляют в проделанные в бетоне полости, необязательно с помощью направляющей трубки из пластмассы, впоследствии извлекаемой из этого места. Эластичные свойства анода способствуют хорошему прилеганию к стенкам таких полостей; закреплению цементного раствора, впоследствии заливаемого или разбрызгиваемого в эти полости в момент фиксации и, необязательно, также наносимого на аноды перед их вставкой в полости, благоприятствует гофрированная поверхность анода.
С целью лучшего понимания изобретения обратимся к следующим чертежам, целью которых является иллюстрация некоторых предпочтительных вариантов его реализации, никоим образом не ограничивающая изобретение.
- Фигура 1 представляет собой вид сверху и поперечное сечение первого варианта реализации анода по изобретению.
- Фигура 2 представляет собой вид сверху второго варианта реализации анода по изобретению.
- Фигура 3 показывает подробности фиксации волнистой подложки анода по Фигуре 1 к токоприемнику.
- Фигура 4 представляет собой вид сверху дискретного анода по изобретению, установленного в соответствующей системе катодной защиты железобетонных конструкций.
Конкретнее, Фигура 1 показывает вид сверху анода по изобретению, изготовленного на плоской подложке, которая в частном случае представляет собой волнистую сетку (100); для того, чтобы чертеж был более понятным, гофрирование волнистой сетки обозначено позицией (101) схематически, без воспроизведения строения ее поверхности. Позиция (100') означает поперечное сечение той же самой волнистой сетки. Волнистая сетка представляет собой всего лишь одну из возможных гофрированных подложек, обеспечивающих возможность осуществления изобретения на практике, однако в объем изобретения входит множество других геометрических конфигураций, включая, среди прочих, сплошные, перфорированные или тянутые листы, металлические пены и различные сочетания, получаемые наложением сплошных либо, предпочтительно, перфорированных элементов такого рода; решающими факторами для выбора конкретной геометрической конфигурации гофрированной подложки являются легкость ее сворачивания в цилиндры, эластичные свойства и легкость получения и сохранения постоянного гофрирования. Анодную подложку (100) активируют посредством каталитического покрытия, известного специалистам в данной области техники, предпочтительно содержащего катализаторы для реакции выделения кислорода, например, смеси благородных металлов, таких как иридий, платина, палладий, рутений, их оксиды и/или оксиды других переходных металлов, таких как титан, тантал, ниобий, цирконий, молибден, кобальт и другие. В варианте реализации по Фигуре 1 токоприемник (200) приварен к гофрированной подложке (100) в центральном положении; в данном случае такой токоприемник представляет собой стержень, однако он может также представлять собой пруток или планку либо иной продольный токоприемник, известный в данной области техники.
Фигура 2 показывает вид сверху варианта реализации анода по изобретению, аналогичного показанному на Фигуре 1, за исключением того, что токоприемник (200) приварен в боковом положении относительно плоской подложки (100). В обоих случаях изобретение предусматривает предпочтительное сворачивание плоской подложки путем присоединения двух параллельных краев к токоприемнику таким образом, чтобы сформировать цилиндр во время установки.
На Фигуре 3 представлены подробности прикрепления волнистой сетки, выполняющей функцию анодной подложки (100), к токоприемному стержню (200) посредством сварного шва (300), выполненного в соответствии с одним из способов, известных в данной области техники.
На Фигуре 4 представлен вид сверху дискретного анода по изобретению, установленного в системе катодной защиты железобетонных конструкций; гофрированная подложка (100) свернута в цилиндр с осью, параллельной токоприемнику (200), при этом анод с усилием вставлен в полость (400), полученную в бетоне (500). После установки анод фиксируют при помощи нанесения цементного раствора (не показано). Множество анодов, установленных согласно какому-либо эквивалентному варианту реализации, распределенных в соответствии с требованиями защиты стальной арматуры и анодно поляризованных, составляют систему катодной защиты с анодами дискретного типа по изобретению. Как показано на Фигуре 4, гофрированная подложка (100) имеет профиль с непрерывными изгибами, однако для специалиста в данной области техники будет очевидно, что изобретение может быть осуществлено на практике с другими типами гофрированных подложек без отклонения от его объема, например, с согнутой подложкой, имеющей острые углы, вид сверху которой после сворачивания в цилиндр приобретает профиль в виде звезды.
Пример
2
2
Сетку с узкими ячейками толщиной 0,6 мм и размером 5 м активировали благороднометалльным каталитическим покрытием, подходящим для работы в бетоне, а затем гофрировали и разрезали на несколько кусков шириной 150 мм и длиной 200 или 400 мм. Полученные таким образом аноды имеют допустимую нагрузку по току 6,7 или 13 мА соответственно при максимальной плотности тока 110 А/м. Такая подача тока является более высокой по сравнению с известными из уровня техники анодами для данной используемой плотности тока. Титановый стержень приваривали точечной сваркой в центральном положении в качестве токоприемника к каждому из полученных кусков. Сформированные таким образом аноды доставляли на строительную площадку, где должна была быть установлена система катодной защиты перекрытия и колонн моста, особенно загрязненных хлоридами в зоне стекания воды с положенного сверху дорожного покрытия. Такие зоны требовали особенно сильного тока, локализованного в самых загрязненных местах (анодная зона).
Полости 250 мм глубиной и 65 или 130 мм шириной, разделенные расстоянием примерно 500 мм, проделывали в бетоне перекрытия и колонн для того, чтобы легко вставить внутрь них аноды по настоящему изобретению, соответствующим образом свернутые в цилиндры вручную. С целью облегчения установки в стенах колонны в полости, полученные в бетоне, вставляли пластиковые направляющие трубки, диаметр которых был несколько меньше диаметра полости. Сложенные в виде цилиндров аноды вставляли внутрь направляющей трубки. Во время размещения каждого анода направляющие трубки удаляли. Установленные таким образом аноды оставались хорошо прикрепленными к стенке полости, позволяя оператору легко заполнить последнюю. Для того чтобы установить аноды в перекрытии, им придавали форму цилиндров и эту цилиндрическую форму закрепляли при помощи металлических или пластмассовых зажимов, оставляя достаточный эластичный припуск для самого цилиндра. В данном случае также сразу после установки внутрь полостей защищаемого перекрытия цилиндрические аноды надежно прикреплялись к внутренней поверхности самих этих полостей. На других, более доступных участках защищаемого моста аноды могли быть установлены после их ручного сворачивания в цилиндры без необходимости в направляющих трубках либо металлических или пластмассовых зажимах. После установки аноды должным образом соединяли с выпрямителем тока при помощи соответствующей проводки. Также устанавливали хлорсеребряные электроды сравнения для контроля за уровнем защиты.
Систему катодной защиты приводили в действие на период в примерно 30 дней, после чего успешно провели испытание на деполяризацию при 100 мВ в соответствии с общими требованиями норм по определению правильного функционирования системы.
Вышеприведенное описание не предназначено для ограничения изобретения, которое может быть использовано согласно различным вариантам реализации без отклонения от его объема и рамки которого однозначно определены прилагаемой формулой изобретения.
По всему описанию и формуле изобретения данной заявки термин «содержать» и его варианты, такие как «содержащий» и «содержит», не предназначены исключать присутствия других элементов или добавок.