用于电化学修复受腐蚀损害的钢筋混凝土的组合电极及其操纵方法
专利汇可以提供用于电化学修复受腐蚀损害的钢筋混凝土的组合电极及其操纵方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及到受 腐蚀 损害的 钢 筋 混凝土 采用电 化学修复 的组合 电极 及其操纵方法。组合电极包括一个尺寸恒定的电极(1);一个预制的、可重复使用的 电解 质贮存器(2);防 蒸发 盖(3);一个预制的,可更换的阴离子的离子交换元件(4);一个带有销轴、锚杆和偏心－快速夹紧装置的中央固定装置(5)一个固定在销 轴头 上的基准电极(6);一个增湿装置(7);一个用于 阳极 调节的功率 开关 部分(8);一个用来确定离子交换元件状况的测量系统(9)以及用于基准 电池 的电气接线。该方法包括将需要修复的混凝土面积划分成同样大小的网格面积;连接电极安装在网格面积上,在每个网格面积上进行检查测量;调节初始值;对每个网格面积确定测量、调节和中止的标准;在监控修复期间的基准电位、氯化物 传感器 的电位和断开脉冲沿的条件下,将直流电通向网目面积,在修复进行过程中通过脉冲宽度调制这样来调节直流电的功率,使得它与网格面积所需的 能量 相符。，下面是用于电化学修复受腐蚀损害的钢筋混凝土的组合电极及其操纵方法专利的具体信息内容。
1.用于电化学修复受腐蚀损害的钢筋混凝土的组合电极及其操纵方法，其特 征在于，组合电极包括以下元件：
——一个尺寸恒定的电极(1)；
——预制的、可重复使用的电解质贮存器(2)；
——防蒸发盖(3)；
——预制的，可更换的，阴离子的离子交换元件(4)；
——带有销轴、锚杆和偏心-快速夹紧装置的中央固定装置(5)；
——固定在销轴头上的基准电极(6)；
——增湿装置(7)；
——用于阳极调节的功率开关部分(8)；
——用来确定离子交换元件状况的测量系统(9)；
——用于基准电池的电气接线。
2.如权利要求1所述的组合电极，其特征在于，尺寸恒定的电极(1)，防蒸 发盖(3)；电解质贮存器(2)和离子交换元件(4)被做成多层-结构互相结合。
3.如权利要求1或2所述的组合电极，其特征在于：它具有一个约0.6×0.6m 的面积。
4.如权利要求1至3所述的组合电极，其特征在于，尺寸恒定的电极(1) 由表面改良的钛、钽或类似材料组成。
5.如权利要求1至4所述的组合电极，其特征在于，电解质贮存器(2)是 由纤维矿物材料，最好是由玻璃纤维非织造织物组成。
6.如权利要求1至5所述的组合电极，其特征在于，离子交换元件(4)包 括阴离子的离子交换材料，它被固定在一个穿孔的载体上，作为夹层安置在电解质 贮存器(2)和电极1)之间。
7.如权利要求1至6所述的组合电极，其特征在于，用来监控离子交换材料 的消耗状态的测量系统(9)，布置在离子交换器元件(4)和尺寸恒定的电极(1) 之间。
8.如权利要求1至7所述的组合电极，其特征在于，用来周期性地对离子交 换器材料(4)消耗状态进行采样的测量系统(9)并通过一个测量电子与计算机网 络连接。
9.如权利要求8所述的组合电极，其特征在于，测量系统(9)由一个传感 器或一个辅助电极组成。
10.如权利要求9所述的组合电极，其特征在于，传感器是一个氯化物传感器。
11.用来控制电极系统进行短时间电化法修复受腐蚀损害的钢筋混凝土的操纵 方法，其特征在于，利用脉冲宽度调制的直流电压来控制连接电极(组合电极)， 此时使用40伏的恒定电压，不限制每个连接电极的电流，确定该工艺尺寸的输出 参数是面层配筋展开了的覆盖面积，在离子交换器饱和时采用一个氯化物传感器发 出信号并中断程序，脉冲宽度调制的直流电压的断开脉冲沿被用来持久的IR-校正， 因此，同时存在现场控制和超越任意距离遥控的可能性。
12.如权利要求11所述，其特征在于，脉冲宽度调制的直流电压可用于任何小 面积布置的连接电极，电极从它那方面提供调节脉冲宽度调制的直流电压就有所必 需的信号。
13.如权利要求11所述，其特征在于，脉冲宽度调制的直流电压在频率和脉冲 周期填充系数方面与调节要求相适应。
14.如权利要求11所述，其特征在于，规定将事先测量出的面层配筋展开的包 覆面积作为工作电极(阴极)面积。
15.如权利要求11所述，其特征在于，集成在连接电极中的氯化物传感器相应 的测量信号导致在离子交换器中出现的饱和状态的信号发出，并在相关的连接电极 中的程序就会中断。
16.如权利要求11所述，其特征在于，通过单-电平脉冲断开沿上电压降的测 量和分析后对连接电极的基准电位进行持续的IR-校正。
技术领域
本发明涉及到受腐蚀损害的钢筋混凝土采用电化学修复的组合电极及其操纵方法。
背景技术
为了更换被污染的材料，已知有各种不同的方法。采用物理方法将更换污染的材料 并用新鲜混凝土来取代。不过这是一种花钱多的并且是昂贵的解决方法，再者这种方法 只能有效地用于已经辨认出受损坏的范围内。
因此，建议采用离子迁移并从混凝土中电化学去除氯化物的方法。通过这一方法可 猛烈地降低混凝土中的氯化物浓度，这样就不必替换混凝土了。J.E.Slater先生在材料特 性(1976年21-26页)中叙述的方法以及在内部加筋和插入混凝土表面上的液态电解质 中的表面电极之间电位的运用。此时表面电极构成电场的正极，由此包含在混凝土中的、 充负电的氯化物离子通过混凝土迁移，从混凝土中出来并到达电介质中。在电解质中氯 化物离子在正电极上氧化为气态的氯或与包含在电解质中的组分起化学反应。但是， Slater建议的方法有几个缺点：一方面这种方法需要使用100和120V之间的电压。为 去除混凝土中约90％的氯化物而必须达24小时之久使用这样的高电压，从安全技术的 原因来说是不可接受的。此外，由此发生的费用甚至超过了传统的技术。另一方面所使 用的液体电解质被必须在混凝土表面上筑的坝拦住。因此，该方法只能用于水平的混凝 土表面上。这意味着，为去除氯化物所做的准备工作需要很高的费用，并在很大程度上 限制了这一方法的可使用性。这种方法的另外一个缺点是，对所要求的大面积构件处理 过程中，存在钢筋混凝土中的不均匀性(混凝土保护层，混凝土密实度，湿度含量，混 凝土表面上的配筋密度)，导致所采用工艺过程在有非常不同差异，而对这种不均匀性 不能特别容易考虑到。
鉴于上述问题DE 4 229 072A1建议一种电阻R＞＞0的电解质贮存器，例如对具有较 小的合成R混凝土突出的个别钢筋的局部过热可通过R电解质来平衡。这种解决方法的缺点 在于工艺的峰值是自动截断的，在局部机能不全(R混凝土大)时不会进行调节跟踪。
US 5.228.959建议在混凝土构件的垂直表面或甚至在底边上涂上一层作为电解质的 附着层并粘附在此上。形成电气系统正极的电极埋入粘附的涂层中。如果该程序结束了， 也就是说氯化物污染的水准被降低到所要求的水准上后，不管粘附层或电极都要从混凝 土表面取走。详细地说该方法包括在混凝土表面上涂上一层可以去除的粘附的电解质涂 层，在钢筋和电极之间施加直流电压来促使负离子的迁移；当达到所要求的离子迁移水 平，则中断施加电压并除去粘附的涂层；如果电位差表明氢的放出，则周期性地测量钢 筋和基准电极之间的电位差并暂时地中断直流电。尽管该方法与Slater所建议的方法相 比有一系列的优点，但它的缺点是电化学系统只能使用一次。继续使用是不可能的。即 使在US 5.228.959中说明，可以很容易和便宜地处置所使用的材料，但从越来越严格的 环境标准和处置的费用涨价的角度上看，这种方法不再能接受。此外，使用该方法引起 氯释放，而对环境特别有害。
这种方法已在多个专利中被修改后申请。例如EP 0 398 117 A1建议一种纤维素糊状 的粘附的电解质涂层材料，它与水或另外一种溶剂如氢氧化钙在喷嘴中预混合并喷在要 求处理范围内的表面上。该申请还建议，对电极采用一种相对氯会起反应的含铁材料， 以减少游离的氯气释放到周围。这样做的优点虽然只有少量氯被释放到周围，但也存在 着不能完全地抑制氯形成的缺点。此外，使用该方法过程中的电极分解也只能使用一次。
发明内容
根据本发明可通过一个组合电极解决问题。组合电极包括一个尺寸恒定的电极作为 阳极，一个预制的可反复使用的电解质贮存器，一个防蒸发盖；一个预制的、可更换的 阴离子的离子交换元件，一个带有销轴、锚杆和偏心-快速夹紧装置的中央固定装置； 一个固定在销轴头上的基准电极；一个增湿装置；一个用于阳极调节的功率开关部分； 一个用来确定离子交换元件状况的测量系统以及用于基准电池的电气接线及其他。其中 尺寸恒定的电极，防蒸发盖，电解质贮存器和离子交换元件被做成多层-结构互相结合。
这与所要求的修复构件有关，组合电极的小面积为(约0.6×0.6m)。
按照发明的组合电极具有工业化预产生的优点。此外，它包括所有为实现有效的工 艺过程控制所需的全部元件。几部分组合成的组合电极允许再活化离子交换材料用于再 生。本发明的一个重要优点是不会形成活性氯。从混凝土中提取的氯化物离子与离子交 换材料结合，通过该材料的再活化可以从其中去除氯化物离子。因此，组合电极可以反 复应用。电极无自粘附。
尺寸恒定的电极最好由表面改良的钛、钽或类似材料组成。
电解质贮存器是由纤维矿物材料，最好是由玻璃纤维非织造织物组成。因此，它在 极度酸性或碱性的负荷下保持化学中性，避免染色到混凝土表面上；此外，几何形状稳 定并具有很好的贮水能力。
离子交换器的结构特征在于：阴离子的离子交换材料被固定在一个穿孔的载体上并 通过这样的方式预成型成组合电极中的夹层，尤其是能被夹在电解质贮存器和电极之 间。这样电极可以在各种安装位置下使用并在离子交换器消耗完后快速和简单地保养。
离子交换材料联机状态控制用的传感器技术具有这样的特点，即在离子交换层和尺 寸恒定的电极之间安装有一个监督消耗状态的测量系统，它通过一个运算器周期性地采 样。同时在组合电极中集成了一个辅助电极或一个氯化物传感器。当氯化物离子出现在 辅助电极上时形成一个可测量到的信号。
固定件，快速夹紧装置和基准电极被做成这样的，在一个塑料销轴上装上一个带有 含水量的、稍微弯曲的隔膜(例如MnO2和水浸渍过毡)的基准电池。在使用过程中销 轴与基准电极向前进入一个位于电极面积内最好是中心的钻出的、与标准的钢筋有规定 距离的孔中。为容纳基准电极的引线，锚杆被做成中空的并具有一个下降深度限制，组 合电极的多层部分在锚杆上移动并用一个在这上面滑动的、装有带杠杆的偏心轴的套固 定在一起。 附图说明
下文利用附上的图详细地阐述本发明。
图1为组合电极的横截面示意图。
图2用斜立体图表示本发明所述的组合电极的应用。
图3表示该法的流程图。
具体实施方式
图2表示组合电极13在使用中放在需要修复的混凝土构件14上。为此，混凝土部 分的表面被划分成小块面积。这样的部分面积最好为60×60cm。
操纵电极系统的方法针对受腐蚀损坏的钢筋混凝土在短时间内采用电化学修复并包 括(1)将钢筋混凝土制成的结构物需要修复的二维面积划分成任意多个同样大小的网 格面积；(2)电化学、物理和化学的特性描述，包括平衡电位的测量、直流脉冲测量， 了解盖面层配筋的配筋过程、混凝土保护层、空隙率、湿度、氯化物含量和引入碳酸盐 深度；(3)组合电极安装在网格面积上；(4)在各个网格面积上实施控制测量，已确定 平衡电位(Eref)，控制电触点和确定电流在外部电压(ΔIAK)的时间变化；(5)在每个 网格面积上确定初始数值，它包括在阳极和阴极之间的箝位电压(EAK)，无外部电压的 最低箝位电压(EAK，min)，脉冲宽度调制的频率(fPWR)，外部电压的接通时间(tAn)，外 部电压的切断时间(tAus)，阴极的最低基准电位(Eref，min)，在修复开始时的氯化物含量 (ClStart)和氯化物-目标含量(Clend)；(6)对每个网格面积确定测量、调节和中止准则； (7)修复期间在经常性地监控基准电位，氯化物传感器的电压变化和断开脉冲沿的条 件下将直流电通向网目面积，在修复进行过程中通过脉冲宽度调制这样来调节输入的直 流电功率，使得它与需要修复的网格面积的需求能量相符。本发明所述方法实施前先要 对需要修复结构物的特殊特点作检查，例如检查面层配筋包覆面的距离作为工作电极和 对每个网格面积了解平均的和最小的混凝土保护层。控制测量同时起到检验电气连接以 及在混凝土中达到低的电解质电阻的作用，这是通过构件足够的湿度来保证的。第(1) 步中将钢筋混凝土制结构物需要修复的二维面积首先划分为0.6×0.6m大小的网格面 积。在第(7)步中氯化物传感器电压变化的监控包括经常询问辅助电极，以了解离子 交换器的饱和度。在每个网格面积修复的整个进行过程中监控的中止准则是从每组中选 择的，这一组包括离子交换器中包含的、与修复开始时在混凝土中的氯化物含量(ClStart) 和目标-氯化物含量(ClEnd)之间的差值相符的总氯化物量；用来估计碱性贮备的100mV- 标准；和加入的电荷量。
按照本发明的方法实施时，在修复过程中给每个所需要修复的网格面积应精确地输 入它正好需要的直流电功率。在该方法的进行过程中，对每个所需要修复的网格面积须 重新计算功率需求量。如果离子交换器的电容耗尽了，则可以在修复过程中多次更新。
通过经常性地询问氯化物传感器可以正确了解到组合电极中的离子交换器的饱和程 度。在离子交换器饱和时，对相关网格面积的修复过程自动中断，这样不会在阳极上发 生氯气。同时与离子交换器吸收能力相符的氯化物量被作为计算值列入过程中。
通过脉冲宽度调制减少在一个电极上的直流电功率。脉冲宽度调制包括在接通和断 开状态下两点调节。通过输入和输出阶段时间比率的变化在消耗器，即网格面积上达到 有效功率。用常规的纵向调节器不可能通过降低直流功率减少直流电需求量，因为调节 器中没有被利用的能转化成热能。由于应用了本发明所述的脉冲宽度调制而能防止这种 情况的发生。利用脉冲宽度调制和鉴于可能单独控制每个网格面积的模块式结构能最佳 地掌握每个网格面积的所需能量。使得馈给的功率能与需要相符。由控制计算机接通可 供修复面积的全部电极所使用的直流电压，给电极馈电并按照能量需求以最低的功率消 耗作为脉冲调制的矩形电压来调节，使得在阳极和阴极之间产生一个独特的有效电压和 一个独特的有效电流，该有效电压也就是有效电流用每个调节周期重新测量并能最佳地 配合每个电极的动力学特性。此外，通过在每个电极上对脉冲宽度调制模块上断开脉冲 沿斜度的测量和分析处理，用控制计算机来校正(IR-校正)在基准电极上测量到的和 在配筋和基准电极之间掺杂了混凝土直流电组的阴极电位。
按照本发明所述的方法使用时，由于所使用装置的模块式结构每个网格面积或每组 网格面积可以根据实际的损坏程度所要求的那样来处理。可以分别按照修复的进展，通 过工作时间控制独特地对每个网格面积或每组网格面积作进一步的处理。由于采用了脉 冲宽度调制对每个网格面积根据其独特需要达到低损耗的功率输入和功率控制，这样有 可能进行最佳的修复。此外，不需要大面积的安全提前做准备工作来避免工艺引起的过 热，因为每个网格面积根据其相应的阴极基准电极来处理。因此能充分地利用方法来加 以保护并能保证在结构物上不会出现损坏。另外一个优点是，一旦离子交换器的氯化物 吸收能力耗尽，过程就自动中断，这样就防止对环境有害的氯气的发生，该方法与符合 当前技术水平的其他方法相比显示出很好的环境效益。
此外，本发明的特点是结合小面积的电极有较好的配筋分析，该方法针对有效配筋 的包覆面积而不是如同当前技术水平的其他方法那样，依据的是简化了有关配筋面积和 混凝土表面是同样的这种不正确的假定。基于电极的面积以及电流密度分布是已知的， 该方法可以个性化地配合和优化。
按照本发明使用的脉冲宽度调制使得能对每个组合电极(0.6×0.6m)的独特的和动 态的方法进行调节，与通常的恒定电源和调节电源相比没有太大的功率损耗。此外，该 方法将不同连接电极的有效时间互相之间在时间上错开，这样可低于所有连接电极的总 功率来设计系统的最大功率，从而达到效率的提高。在连接电极所覆盖的配筋面积范围 内脉冲宽度调制对每个连接电极根据热力学的状态提供有效电压。脉冲宽度调制的参数 是频率和脉冲周期的填充系数，它们以设置的起始值为根据，在过程中作连续地调整。 由于脉冲宽度调制的应用不需对连接的组合电极进行电流限制；出自安全的原因供使用 的直流电压被确定为40V。
按照本方法，一个重要的输出参数是面层配筋展开的包覆面积；工作电极(配筋， 阴极)的电极面积事先被完好地确定下来。因此，对于当时认为电极面积等于混凝土表 面并可能得出完全错误的基准值这样的情况，可以在很大程度上加以改进来测定和优化 电流分布。
此外，目前还不可能在电场中进行氯化物-测量。本发明所使用的氯化物传感器表示 为不让其他的氯化物离子再被离子交换器吸收的阈值开关。因此，可以对所达到的氯化 物-排出功率推出可靠的结论，再者，所述的阈值信号导致相关组连接电极断开，通过 这样的方法防止在阳极上氯气意外地发生；在耗尽的离子交换器被更新前，断开状态一 直保持下去。
所表示的脉冲宽度调制的应用使得脉冲宽度调制的直流电压的一个断开脉冲沿的函 数时，才可使用持久的IR-校正，也就是当这类断开脉冲沿可以时间很短内继续提供分 析。由于IR-下降-测量(位置和时间分辨的)大大提高了点阵(Punktschicht)，该方法 的安全极限(避免H2-的放出)被更好地充分利用，这样就能持续地提高效率。
本方法的另外一个特点是能同时进行现场控制和遥控。因此可以同时舒适地和节约 资源地加工和管理若干个修复计划。不仅对连接电极与控制计算机的电缆接头，而且与 其他单元的输入耦合采用标准化的Ethernet网络，从而保证了最大可能的灵活性和最好 的连接可能。因此，被授权的第三方(建筑业主，所有者)可以及时地掌握过程的信息 情况。
下文进一步阐述所建议的方法；图3表示该方法的流程图。对本方法的实施可利用 一个仪器结构，它由一个连接电极组成，连接电极被放在需要修复的二维钢筋混凝土表 面的一个约0.6×0.6m网格面积上。埋在混凝土种的钢筋与接地线连接。显示出一个传 感器输出和控制输入的连接电极在传感器电子部件上，通过一根传感器导线接收测量 值，在控制电子部件上通过一根控制导线进行功率调节并与直流母线连接。两个电子模 块通过网络电子部分的一个Ethernet网络与控制计算机连接。
图3说明本发明的方法及以下步骤：在必要的准备工作结束后，该准备工作包括对 结构物状态，例如有关钢筋构件间距的评价，混凝土表面被划分为各个网格面积，安装 连接电极以及充分地湿润混凝土，电器触头检验的控制测试，确定平衡电位和外界电压 (ΔIAK)引起的电流变化，也就是提取电流的变化。电流变化ΔIAK是在阴极和阳极之 间箝位电压(EAK)和时间的一个函数。如果这些值与规定值相符，则可以进行以后的 程序步骤，否则必须重新调整这些值。下一步将通过控制电子部件调节输出值。这指的 是阴极和阳极之间筘位电压(EAK，最高为40V)，外部电压是没有最低箝位电压(EAK，min 例如20V)，阳极和阴极之间的脱机箝位电压(EAK，Aus)，脉冲宽度调制的频率(fPWR， 其中fPWR＝tAn+tAus)，外部电压的接通时间(tAn)，外部电压的断开时间(tAus)，最低的阴 极基准电位(Eref，min)，修复开始的氯化物含量(ClStart，例如3.0M％，相对水泥质量而言) 和目标氯化物含量(Clend，例如0.3M％，相对水泥质量而言)。在确定测量。调节和中 止准则后给网格面积输入直流电流。此时通过计算机控制持续地检查在阴极上的基准电 位(Eref)是否大于作为最低值确定的阴极基准电位(Eref，min)(例如-1070mV vs Cu/CuSO4)。如果是这样的情况，则接通时间的校正值(tAn，korr)调节到比外部电压所规 定的接通时间(tAn)大的数值上，这样可以继续输入直流电。如果达到或低于Eref，min， 则切断电流并检查阳极和阴极之间的脱机箝位电压(EAK，Aus)是否小于无外部电压时所 规定的最低箝位电压(EAK，min)。如果在Taus过程前是这样的情况，则断开时间的校正 值(tAus，korr)调节到小于外部电压断开时间(t断开)的数值上，这样可以继续输入直流电 流。如果EAK，Aus大于EAK和阴极的基准电位(Eref)等于规定的阴极最低基准电位(Eref，min)， 则接着检查在氯化物传感器上的电压变化(ΔECL)，所谓的在毫伏范围内的“击穿电位” 是否不等于零。如果ΔECI不等于零，则该程序中断，更新离子交换器和接着在新一轮 ΔECI试验中继续该程序。ECI等于零和在开始时修复氯化物含量(CIStart)及目标一氯化 物含量(CIEnd)之间的差等于去除的氯化物量的总和时，切断外部电压后，至少100mV/4 小时来确定基准电位的变化。如果不低于该值，修复时间达到，则结束该程序。不然的 话继续该程序。
所应用的参考符号的目录
1 尺寸恒定的电极
2 预制的、可重复使用的电解质储存器
3 防蒸发盖
4 预制的、可更换的阴离子的离子交换元件
5 带有销轴、锚杆和偏心-快速夹紧装置的中央固定装置
6 固定在销轴头上的基准电极
7 增湿装置
8 用于阳极调节的功率开关部分
9 用来确定离子交换元件状况的测量系统
11 混凝土
12 钢筋
13 组合电极
14 混凝土单元(构件表面)
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