鋼筋混凝土腐蝕防護(hù)的電化學(xué)噪聲檢測

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(hù)作用下電化學(xué)腐蝕修復(fù)狀態(tài)。試驗(yàn)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(jī)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(hù)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(hù);陰極保護(hù);電化學(xué)噪聲

中圖分類號： TU761.13文獻(xiàn)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(hù)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(jì)、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(hù)參數(shù)變化，從而達(dá)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(jī)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(jìn)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(yàn)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(hù)與不采取陰極保護(hù)以及陰極保護(hù)程度不同情況下的鋼筋腐蝕和修復(fù)行為及機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(hù)28d。養(yǎng)護(hù)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(hù)系統(tǒng)。RC-RS1、RC-RS2試樣作為參照樣不進(jìn)行陰極保護(hù)，即無保護(hù)電流。對RC-RS3、RC-RS4、RC-RS5試樣實(shí)施陰極保護(hù)。

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(jìn)行測量。電化學(xué)測試在溶液中進(jìn)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(jìn)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(hù)狀況之間的聯(lián)系。

2 電化學(xué)噪聲檢測結(jié)果與機(jī)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(hù)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(yàn)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(hù)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(hù)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(hù)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(dá)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(hù)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(hù)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(shí)施陰極保護(hù)的鋼筋試樣其保護(hù)效果最佳。未采取陰極保護(hù)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(hù)層能將鋼筋與腐蝕環(huán)境隔離，對鋼筋形成一定的保護(hù)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(qiáng)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(jī)非平穩(wěn)的噪聲波動[9]。對混凝土中鋼筋通陰極保護(hù)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(hù)對鋼筋混凝土腐蝕修復(fù)程度。試驗(yàn)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(jī)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(hù)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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