混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的電化學(xué)特征與監(jiān)測傳感器系統(tǒng).pdf

1、本文對氯離子環(huán)境下混凝土中鋼筋腐蝕的監(jiān)測問題進(jìn)行了研究，應(yīng)用電化學(xué)方法揭示了混凝土中鋼筋腐蝕的機理，給出了適合腐蝕監(jiān)測實際工程應(yīng)用方法，研制開發(fā)了五電極和全固態(tài)束流式兩種腐蝕傳感器，搭建了腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，并在混凝土梁中進(jìn)行了鋼筋腐蝕監(jiān)測實驗。研究結(jié)果表明，所進(jìn)行的一系列研究為實現(xiàn)鋼筋腐蝕監(jiān)/檢測開辟了新的途徑。
　　首先，采用電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectrum, EIS）技術(shù)分別對不同

2、溫度、不同濃度 NaCl溶液中內(nèi)置 Q235碳鋼樣品的混凝土試件的阻抗特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明混凝土中鋼筋腐蝕的EIS特性體現(xiàn)為三個方面：1)在 Nyquist圖的高頻及中頻段出現(xiàn)兩段容抗弧。這說明除了鋼筋/混凝土界面處體現(xiàn)的容抗特性以外，混凝土本身也存在一定的容抗特性。2)中頻段的容抗弧發(fā)生一定程度壓扁。這說明出現(xiàn)了體現(xiàn)彌散效應(yīng)的常相位角元件（Constant Phase Element, CPE）項，彌散效應(yīng)的產(chǎn)生是由于混凝土中

3、鋼筋/砂漿界面的粗糙性、孤立的反應(yīng)區(qū)域以及混凝土本身異質(zhì)特性決定的。3)低頻段發(fā)生拖尾現(xiàn)象，說明腐蝕體系出現(xiàn)了Warburg阻抗。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)低頻段 Nyquist圖偏離了 Warburg阻抗應(yīng)體現(xiàn)的45°線，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有二：其一，鋼筋/混凝土之間的粗糙界面導(dǎo)致擴散過程在一定程度上體現(xiàn)為球形電極擴散；其二，蝕點的存在使得 Nyquist曲線在低頻段呈現(xiàn)一定容抗特性。
　　其次，基于電化學(xué)噪聲（Electrochemica

4、l Noise,EN）技術(shù)，研究了0％及3.5％NaCl溶液中混凝土內(nèi)鋼筋點蝕特性。研究結(jié)果表明鈍化態(tài)鋼筋的EN信號體現(xiàn)為高頻白噪聲；而 Cl－引起點蝕的電位噪聲（Electrochemical Potential Noise,EPN）中存在較大的漂移，EPN及電流噪聲(Electrochemical Current Noise,ECN)中出現(xiàn)了明顯的暫態(tài)峰，兩者都體現(xiàn)為暫態(tài)下降（升高）、緩慢恢復(fù)的特征。通過功率譜（Power Spec

5、tral Density，PSD）分析可知，EPN及 ECN的PSD曲線中出現(xiàn)了典型的三段式分布。極限譜噪聲阻Rf→0與EIS的研究結(jié)果比較可知，在信號趨勢去除后 Rf→0與EIS測得的阻抗模Z具有很好的一致性。考慮到工程中點腐蝕監(jiān)測EN信號中存在較大的趨勢，采用對時變系統(tǒng)分析具有諸多優(yōu)點的Sym4小波對 EN進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明采用小波分析 EN得到的信號能量分布曲線（ Energy Distribution Plot，EDP）能

6、夠判斷點蝕的發(fā)生，較PSD等對時變系統(tǒng)信號處理更具優(yōu)勢。
　　第三，推導(dǎo)了混合電位控制下電極反應(yīng)方程式，并分別對穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)的工程應(yīng)用簡化方法進(jìn)行了研究。討論了擴散作用及 CPE項對暫態(tài)測量結(jié)果的影響。驗證了時間常數(shù)比半電位法具有更大的優(yōu)越性，在氧氣匱乏濕度較大的環(huán)境下，能夠準(zhǔn)確判斷鋼筋的腐蝕狀態(tài)。對不同濃度的NaCl溶液中內(nèi)置 Q235碳鋼樣品的砂漿試件在恒電流及恒電位激勵下的充放電過程進(jìn)行了測試，并對充電過程試驗結(jié)果采用分段解析

7、的方法進(jìn)行了分析，驗證了工程簡化方法的準(zhǔn)確性。
　　第四，首先制備了腐蝕傳感器的核心部件－全固態(tài)參比電極，并對所制備的參比電極進(jìn)行了性能檢測。檢測結(jié)果表明所制備的參比電極長時電位穩(wěn)定，不易受到混凝土內(nèi)各種離子的干擾，具有良好的抗極化特性，溫度響應(yīng)系數(shù)為-0.48mv/℃～-5.2 mv/℃。其次，應(yīng)用所制備的全固態(tài)參比電極研制、開發(fā)了五電極及全固態(tài)束流式腐蝕傳感器，其中五電極腐蝕傳感器能夠進(jìn)行常規(guī)電化學(xué)方法及 EN測試；通過電場的

8、有限元分析可知，全固態(tài)束流式腐蝕傳感器能夠較好地約束輔助電極的電力線分布，從而較準(zhǔn)確地確定工作電極的面積，進(jìn)而準(zhǔn)確測定鋼筋腐蝕速率。
　　第五，應(yīng)用所開發(fā)的傳感器平臺及工程測試方法對加速腐蝕后的鋼筋混凝土梁的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測，并研究了不同腐蝕狀態(tài)下梁基本力學(xué)性能的退化。監(jiān)測的結(jié)果表明加速腐蝕完成后的混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕的腐蝕電流密度icorr的量級為10+1μA/cm2，而鈍化態(tài)梁內(nèi)鋼筋的腐蝕速率僅為10-1μA/cm2。EN的監(jiān)測