胡江春， 徐曉晨， 申 號(hào)， 楊成林， 郭福偉

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

復(fù)雜環(huán)境中土層錨桿表面銹蝕的電化學(xué)特征

胡江春， 徐曉晨， 申 號(hào)， 楊成林， 郭福偉

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

錨桿銹蝕直接影響巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，檢測(cè)判斷錨桿表面銹蝕情況對(duì)評(píng)估巖土工程穩(wěn)定性有一定的參考價(jià)值。本文采用自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)錨桿表面銹蝕過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。研究了錨桿表面銹蝕過(guò)程中的電化學(xué)交流阻抗譜的變化，分析了錨桿在不同土體環(huán)境、不同頻段中的總阻抗均值的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)，酸性土體環(huán)境中錨桿的總阻抗呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，錨桿表面發(fā)生銹蝕較快；堿性土體環(huán)境中錨桿的總阻抗增長(zhǎng)平緩；相較于前兩種環(huán)境，中性土體環(huán)境中，錨桿表面銹蝕起始時(shí)間較晚。因此,電化學(xué)阻抗對(duì)錨桿表面銹蝕狀況反應(yīng)敏感，電化學(xué)阻抗譜法可以作為一種判斷錨桿表面銹蝕情況的檢測(cè)手段。

錨桿；復(fù)雜環(huán)境；電化學(xué)阻抗譜

許多鐵路隧道、橋墩涵洞、電站地下廠房、巖土高邊坡、港口岸坡、國(guó)防人防坑道等工程，大量地使用錨桿進(jìn)行支護(hù)，合理的支護(hù)方式以及支護(hù)的壽命與相應(yīng)工程的安全性息息相關(guān)[1]。錨桿加固作為既經(jīng)濟(jì)又有效的加固方式之一普遍用于巖土工程中。錨桿一旦出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)使工程毀于一旦，可視為工程中的“定時(shí)炸彈”[2]。

影響工程結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用期限的3個(gè)主要因素為銹蝕、疲勞和磨損。對(duì)錨桿來(lái)說(shuō)，最主要的因素是銹蝕[3]。

目前，錨桿銹蝕檢測(cè)手段大體分為分析法和物理法。前者通過(guò)綜合考慮錨桿所處環(huán)境情況和實(shí)測(cè)錨桿直徑等數(shù)據(jù)來(lái)推斷錨桿的銹蝕程度，后者主要通過(guò)測(cè)定錨桿引起的電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理特性的變化來(lái)確定錨桿的銹蝕情況。但考慮到實(shí)際工程適用性、檢測(cè)成本、檢測(cè)方法便捷性等諸多因素，上述方法還存在不足[4-5]。

本文采用交流阻抗譜法，結(jié)合電化學(xué)知識(shí)對(duì)錨桿表面銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，分析錨桿電化學(xué)阻抗譜特征參數(shù),并對(duì)錨桿表面銹蝕過(guò)程進(jìn)行研究，探索利用電化學(xué)知識(shí)檢測(cè)錨桿表層銹蝕情況的方法，把電化學(xué)方法引入錨桿表面銹蝕的研究和檢測(cè)中，為錨桿表面銹蝕檢測(cè)提供新思路、新方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)復(fù)雜土體環(huán)境模擬裝置與電化學(xué)檢測(cè)裝置的結(jié)合，對(duì)土體中錨桿(即鋼筋)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)配置800 mL濃度為0.25 mL/L的鹽酸溶液和800 mL濃度為0.25 mL/L的氫氧化鈉溶液,并準(zhǔn)備800 mL的蒸餾水進(jìn)行對(duì)比。分別將3種溶液均勻與自然土壤混合，模擬工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜土壤環(huán)境。

(2)在實(shí)驗(yàn)盒中放入一定量配置好的土壤，在土壤中放置2根兩端已貼有電極的鋼筋，分別記為錨桿1和錨桿2。

(3)將實(shí)驗(yàn)裝置與電化學(xué)工作站進(jìn)行連接，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼筋電化學(xué)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄。

2 結(jié)果與分析

分別選取相同土壤環(huán)境不同頻段和不同土壤環(huán)境相同頻段的總阻抗均值以及實(shí)驗(yàn)持續(xù)數(shù)天后阻抗實(shí)部、阻抗虛部和相位角等數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行相互組合，進(jìn)而分析鋼筋表面的狀況。

2.1 相同環(huán)境中不同頻段總阻抗的均值變化

如圖1所示，在酸性環(huán)境中，鋼筋總阻抗在各頻段隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大。在低頻段，總阻抗增幅較大；在中高頻段，總阻抗增加緩慢。

圖1 酸性環(huán)境中不同頻段總阻抗均值變化圖

如圖2所示，在堿性環(huán)境中，鋼筋總阻抗在中高頻段的前期呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，后期增幅趨于穩(wěn)定。在低頻段，前3 d鋼筋總阻抗出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，4 d后略微下降，在8～10 d降幅穩(wěn)定。在堿性環(huán)境中，隨著電信號(hào)頻率的增大，鋼筋總阻抗呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。

如圖3所示，在中性環(huán)境中，在不同頻段，鋼筋總阻抗出現(xiàn)降低與增加交替的現(xiàn)象，低頻段變化大于中頻段變化，中頻段變化大于高頻段變化。在中性環(huán)境中，鋼筋總阻抗呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 堿性環(huán)境中不同頻段總阻抗均值變化圖

圖3 中性環(huán)境中不同頻段總阻抗均值變化圖

2.2 不同環(huán)境中相同頻段總阻抗的均值變化

如圖4所示，在低頻段，酸性環(huán)境中鋼筋總阻抗均值隨時(shí)間變化最大，在堿性和中性環(huán)境中鋼筋總阻抗均值趨于平穩(wěn)。在1～4 d內(nèi)，堿性環(huán)境中的鋼筋總阻抗均值明顯大于酸性和中性。

如圖5與圖6所示，在中頻與高頻段，前期鋼筋總阻抗均值的變化趨勢(shì)是中性>堿性>酸性。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，酸性環(huán)境中的鋼筋總阻抗呈現(xiàn)出大于堿性環(huán)境的趨勢(shì)。

圖5 不同環(huán)境中中頻段總阻抗均值變化圖

圖6 不同環(huán)境中高頻段總阻抗均值變化圖

2.3 電化學(xué)阻抗譜分析

實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10 d。根據(jù)第10 d測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同土壤環(huán)境中鋼筋的Nyquist圖，如圖7所示。隨著時(shí)間的變化，Nyquist曲線的曲率逐漸減小，整體呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，曲線變得伸展。

圖7 不同環(huán)境中鋼筋的Nyquist圖

對(duì)圖7中A區(qū)進(jìn)行放大處理得到圖8。從圖8可以看出，3種不同土壤環(huán)境中均出現(xiàn)了容抗弧。對(duì)比不同土壤環(huán)境中鋼筋的Bode圖(圖9)，發(fā)現(xiàn)同一現(xiàn)象。起初，容抗弧的直徑較小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧直徑增大，在低頻段圖像有向“直線”發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)合類似研究可知，直線容抗弧的出現(xiàn)表明電阻在逐漸增大[6-8]。通過(guò)觀察土壤中鋼筋表面的變化，可發(fā)現(xiàn)鋼筋表面出現(xiàn)部分銹蝕。由此可知，在此時(shí)間段，鋼筋開(kāi)始銹蝕。由圖6可以看出，鋼筋表面發(fā)生變化的時(shí)間，堿性早于酸性，酸性早于中性。結(jié)合圖7所示Nyquist曲線發(fā)展整體趨勢(shì)可以得出，酸性環(huán)境中，鋼筋表面銹蝕呈現(xiàn)持續(xù)狀態(tài)；堿性環(huán)境中，鋼筋起初產(chǎn)生反應(yīng)，隨后鋼筋表面生成鈍化膜，曲線曲率略微增大；中性環(huán)境中，相較前兩種環(huán)境，鋼筋銹蝕反應(yīng)起始較慢，但土壤原本含有物質(zhì)的復(fù)雜性對(duì)鋼筋也產(chǎn)生不同程度的影響。

圖8 不同環(huán)境中鋼筋的Nyquist圖的高頻弧示意圖

圖9 不同環(huán)境中鋼筋的Bode圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析3種不同土壤環(huán)境中鋼筋總阻抗的變化可以發(fā)現(xiàn)，在不同頻率電信號(hào)條件下，隨著電信號(hào)頻率的增大，鋼筋總阻抗呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)。通過(guò)分析不同土壤環(huán)境中鋼筋的Nyquist圖和Bode圖，可發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，對(duì)鋼筋表面銹蝕影響最大的是酸性土壤環(huán)境；通過(guò)對(duì)電化學(xué)阻抗譜的分析，可以判斷鋼筋銹蝕的起始時(shí)間以及鋼筋表面銹蝕情況。

實(shí)驗(yàn)采取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)效果較好。并且，該方法可成功運(yùn)用到實(shí)際工程中。當(dāng)然，此方案、方法還有待改進(jìn)，也是今后研究的重點(diǎn)。

[1] 郭乃勝,劉克文,胡江春，等.膨脹土地區(qū)基坑支護(hù)的控制方案及險(xiǎn)情處理方法[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2015,26(4):88-91.

[2] 曾憲明,雷志梁,張文巾,等.關(guān)于錨桿“定時(shí)炸彈問(wèn)題”的討論[J].巖土力學(xué)與工程學(xué), 2002,21(1)：143-147.

[3] 杜彧.錨桿的銹蝕與防護(hù)[J].冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè),2001,33(3):13-17.

[4] 龔晨輝.基于紅外感應(yīng)加熱的混凝鋼筋銹蝕檢測(cè)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[5] 胡江春.巖土電化學(xué)的理論及試驗(yàn)研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013:1-11.

[6] 許晨，李志遠(yuǎn)，金偉良.混凝土中鋼筋銹蝕的電化學(xué)阻抗譜特征研究[J].防腐科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2011,23(5):393-399.

[7] 夏天.不同腐蝕環(huán)境下混凝土中鋼筋銹蝕速率電化學(xué)模型研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[8] 許晨.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕電化學(xué)表征與相關(guān)檢/監(jiān)測(cè)技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

(責(zé)任編輯：陸俊杰)

Electrochemical Characteristics of Anchors’ Surface Corrosion in Complex Environment

HU Jiang-chun, XU Xiao-chen, SHEN Hao, YANG Cheng-lin, GUO Fu-wei

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

As is know to all, the corrosion of anchors directly affects the long-term stability of rock and soil engineering. Therefore, the detection and judgement of the surface corrosion can be consult for evaluating the stability of geotechnical engineering. In this paper, the corrosion process of anchor surface is tested by using the indoor electrochemical detection system with independent design. During the process of corrosion, the changes of electrochemical impedance spectroscopy are studied. And in different soil environment and different frequency bands ,the change rules of the mean value of total impedance are analyzed. According to the tests, the total impedance of the anchors shows a trend of continuous growth in the acidic environment, besides, its surface corrodes faster with the extension of experimental time; In an alkaline environment, the total impedance increases slowly. Compared with the above, its corrosion starts lately in the neutral soil. From the tests which have been done, it is not difficult to find that the electrochemical impedance is sensitive to the corrosion of anchors, and this method can be used to determine the corrosion of anchors’ surface.

anchor; complex environment; electrochemical impedance spectra

2016-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074196；51574296)；河南理工大學(xué)深部礦井建設(shè)省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2014KF-03)

胡江春(1971-)，男，河南靈寶人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程。

胡江春：博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，中原工學(xué)院青年拔尖人才，獲省級(jí)和校級(jí)青年骨干教師計(jì)劃資助。中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會(huì)常務(wù)理事，國(guó)家自然科學(xué)基金委評(píng)審專家。曾在國(guó)有礦山從事設(shè)計(jì)、施工和技術(shù)管理工作5年。2006年起在中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院工作，主要研究方向?yàn)閹r土力學(xué)與地下工程、地質(zhì)災(zāi)害防治、巖土體基本性質(zhì)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，被SCI、EI、ISTP收錄17篇；獲得國(guó)家專利授權(quán)7項(xiàng)；出版教材2部，著作2部；主持、參與完成省部級(jí)以上科研項(xiàng)目16項(xiàng)，其中國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金和河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目各1項(xiàng)，獲廳級(jí)以上科技獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng)。

1671-6906(2016)06-0006-04

O646.6

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.002