左俊卿 房霆宸 朱敏濤

【摘 要】本文采用電化學(xué)噪聲技術(shù)測試了不同腐蝕程度鋼筋混凝土在陰極保護作用下電化學(xué)腐蝕修復(fù)狀態(tài)。試驗結(jié)果表明：鋼筋混凝土受氯鹽侵蝕，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破損，產(chǎn)生隨機非平穩(wěn)的電化學(xué)噪聲波動。摻有氯離子濃度低的試樣電化學(xué)噪聲電阻值明顯大于各組摻氯離子濃度高試樣。當(dāng)施加陰極保護之后，各組鋼筋試樣噪聲電阻均隨時間增長而增大。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土;腐蝕防護;陰極保護;電化學(xué)噪聲

中圖分類號： TU761.13文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0237-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.092

0 引言

為了最大限度地避免或早期發(fā)現(xiàn)腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，在大型工程上需要有一套腐蝕防護監(jiān)測系統(tǒng)在鋼筋腐蝕破壞早期即可直接在結(jié)構(gòu)上靈敏可靠、準(zhǔn)確定量而且能無損、經(jīng)濟、簡捷、易行地檢測結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的發(fā)生、發(fā)展速度、破壞程度以及與鋼筋腐蝕直接相關(guān)的一些混凝土保護參數(shù)變化，從而達到預(yù)警目的。

常用的非破損檢測方法分物理法和電化學(xué)法兩大類[1-3]。其中電化學(xué)噪聲屬于電化學(xué)方法之一。電化學(xué)噪聲（Electrochemical Noise， ECN）是指在自然電位下，當(dāng)鋼筋發(fā)生坑蝕時，電極表面產(chǎn)生的電位或電流隨機自發(fā)波動現(xiàn)象[4-6]。通過高分辨率精密電化學(xué)儀器記錄下這種電化學(xué)噪聲，并通過快速傅立葉轉(zhuǎn)換，將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，可以測試電位和電流的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差和極化電阻值，進而確定鋼筋腐蝕速率，并且獲取有關(guān)鋼筋表面電化學(xué)腐蝕過程的一些寶貴信息[7-8]。電化學(xué)噪聲測試對鋼筋不會產(chǎn)生擾動。但測試所需儀器復(fù)雜而昂貴，同時需避免其它外界噪聲源的耦合干擾。本試驗采用電化學(xué)噪聲方法測試鋼筋在不同腐蝕程度混凝土介質(zhì)中，采取陰極保護與不采取陰極保護以及陰極保護程度不同情況下的鋼筋腐蝕和修復(fù)行為及機理。

1 原材料與試驗方法

試驗成型五組鋼筋混凝土試樣。試樣尺寸為100mm×100mm×65mm，試樣中埋入兩根鋼筋，通過導(dǎo)線將兩根鋼筋連接起來以形成連續(xù)的導(dǎo)電通路。成型時，在拌合水中加預(yù)先入氯化鈉，以模擬被氯鹽侵蝕的混凝土。其中RC-RS1試樣不摻入氯離子，RC-RS2、RC-RS3、RC-RS4試樣氯離子摻入量為水泥質(zhì)量的2.0%，RC-RS5號試樣氯離子摻入量為水泥質(zhì)量的3.0%。所有試樣在室溫下濕養(yǎng)護28d。養(yǎng)護末期將試樣暴露于室外，在RC-RS3試樣上表面鋪覆一層厚8mm～10mm的素水泥砂漿，同時在水泥砂漿內(nèi)埋入一片80mm×50mm的活化鈦網(wǎng)作為陽極材料。然后在RC-RS4試樣和RC-RS5試樣上表面鋪覆一層厚8mm～10mm的碳納米管-碳纖維/水泥基熱電材料作為輔助電源和陽極材料。采用以上五組試樣，建立陰極保護系統(tǒng)。RC-RS1、RC-RS2試樣作為參照樣不進行陰極保護，即無保護電流。對RC-RS3、RC-RS4、RC-RS5試樣實施陰極保護。

電化學(xué)測試采用上海辰華儀器有限公司CHI660E電化學(xué)工作站進行測量。電化學(xué)測試在溶液中進行，將鋼筋混凝土試樣浸泡在與預(yù)摻等濃度NaCl溶液中。采用三電極系統(tǒng)：以并聯(lián)連通的兩根鋼筋為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，不銹鋼片為對電極。參比電極和對電極都處于溶液中，與鋼筋形成電連續(xù)系統(tǒng)。電化學(xué)噪聲測試對電極為相同材質(zhì)的鋼筋。采樣頻率為2Hz，采樣時間為600s。電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)采取時域分析法中的數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析方法進行分析，其主要參數(shù)為噪聲電位的標(biāo)準(zhǔn)方差σU;噪聲電流的標(biāo)準(zhǔn)方差σI和噪聲電阻Rn。噪聲電阻定義為噪聲電位和噪聲電流的標(biāo)準(zhǔn)方差之比。噪聲電阻來估計該電化學(xué)反應(yīng)電阻，從而建立噪聲行為與腐蝕防護狀況之間的聯(lián)系。

2 電化學(xué)噪聲檢測結(jié)果與機理分析

圖1（a）、（b）分別是各組混凝土中鋼筋試樣電化學(xué)噪聲電位和電流標(biāo)準(zhǔn)偏差隨時間變化曲線。雖然各組鋼筋試樣處于不同腐蝕介質(zhì)中，且所受的陰極保護情況不同，但其電位值標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)量級和電流值標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)量級大致相同，分別在10-4V左右和10-10A左右。由試驗結(jié)果可以看出，未摻入氯離子的RC-RS1和摻入氯離子而施加陰極保護的RC-RS3、RC-RS4試樣的噪聲電位和電流標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小;未施加陰極保護RC-RS2組試樣各齡期噪聲電位和電流標(biāo)準(zhǔn)偏差都很大;氯離子摻量較高的RC-RS5組前期噪聲電位和電流標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，后期減小。結(jié)果表明對鋼筋施加陰極保護電流提高了鋼筋表面噪聲電流和電位穩(wěn)定性，降低噪聲電位和電流離散度，削弱了鋼筋表面化學(xué)活性，有利于鋼筋表面鈍化膜的修復(fù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)方差計算得到噪聲電阻與時間關(guān)系曲線，見圖2。如圖所示，混凝土中鋼筋噪聲電阻Rn達到MΩ級。未摻入氯離子的的基準(zhǔn)試樣RC-RS1噪聲電阻值明顯大于各組摻有氯離子腐蝕介質(zhì)的鋼筋試樣。當(dāng)施加陰極保護之后，RC-RS3、RC-RS4、RC-RS5鋼筋試樣噪聲電阻均隨時間增長而增大，RC-RS5增大幅度尤其明顯。陰極保護后期，RC-RS4噪聲電阻大于RC-RS3，RC-RS5，說明氯離子摻量較低，且采用溫差電片與水泥基熱電材料鋪覆層協(xié)同實施陰極保護的鋼筋試樣其保護效果最佳。未采取陰極保護的腐蝕試樣RC-RS2噪聲電阻初期高于摻入3.0%氯離子的RC-RS5，但在隨后所有齡期其噪聲電阻都是最小，其腐蝕程度最嚴(yán)重。

通常情況下，處于腐蝕介質(zhì)中的鋼筋混凝土，其混凝土保護層能將鋼筋與腐蝕環(huán)境隔離，對鋼筋形成一定的保護作用。同時水泥水化作用形成的的高堿性環(huán)境使鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜。但由于混凝土是一個包含凝膠孔、毛細(xì)孔、微細(xì)裂縫的復(fù)雜體系，半徑小而穿透力極強的氯離子可通過其內(nèi)部孔隙和裂縫滲透至鋼筋/混凝土界面破壞鋼筋鈍化膜。當(dāng)混凝土中鋼筋表面發(fā)生鈍化或均勻腐蝕時，電化學(xué)體系將產(chǎn)生噪聲。鋼筋表面鈍化膜破壞和修復(fù)過程競爭越激烈，產(chǎn)生的噪聲電位及電流的波動頻率較高。同時，鈍化膜為高度無序的n型半導(dǎo)體的雙層結(jié)構(gòu)成相膜，其中存在位錯、缺陷、晶體不均勻及其它一些與表面狀態(tài)有關(guān)的不規(guī)則因素，導(dǎo)致通過這層膜的腐蝕電流產(chǎn)生隨機非平穩(wěn)的噪聲波動[9]。對混凝土中鋼筋通陰極保護電流，可迫使陽極腐蝕反應(yīng)不能產(chǎn)生電子，使鋼筋表面電位低于平衡電位，阻礙鋼筋陽極反應(yīng)，有效降低電化學(xué)噪聲。

4 結(jié)論

應(yīng)用電化學(xué)噪聲測試了不同腐蝕環(huán)境下陰極保護對鋼筋混凝土腐蝕修復(fù)程度。試驗結(jié)果表明混凝土中摻入的氯離子滲透到鋼筋/混凝土界面，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破損，產(chǎn)生隨機非平穩(wěn)的電化學(xué)噪聲波動。采用溫差電片與水泥基熱電材料鋪覆層對混凝土中鋼筋協(xié)同施加陰極保護電流，阻礙鋼筋陽極反應(yīng)發(fā)生，修復(fù)其表面鈍化膜，提高噪聲電阻值。

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