左俊卿 房霆宸 朱敏濤

【摘 要】本文采用電化學噪聲技術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腐蝕修復狀態。試驗結果表明：鋼筋混凝土受氯鹽侵蝕，導致鋼筋鈍化膜破損，產生隨機非平穩的電化學噪聲波動。摻有氯離子濃度低的試樣電化學噪聲電阻值明顯大于各組摻氯離子濃度高試樣。當施加陰極保護之后，各組鋼筋試樣噪聲電阻均隨時間增長而增大。

【關鍵詞】鋼筋混凝土;腐蝕防護;陰極保護;電化學噪聲

中圖分類號： TU761.13文獻標識碼： 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現腐蝕的發生和發展，在大型工程上需要有一套腐蝕防護監測系統在鋼筋腐蝕破壞早期即可直接在結構上靈敏可靠、準確定量而且能無損、經濟、簡捷、易行地檢測結構中鋼筋腐蝕的發生、發展速度、破壞程度以及與鋼筋腐蝕直接相關的一些混凝土保護參數變化，從而達到預警目的。

常用的非破損檢測方法分物理法和電化學法兩大類[1-3]。其中電化學噪聲屬于電化學方法之一。電化學噪聲（Electrochemical Noise， ECN）是指在自然電位下，當鋼筋發生坑蝕時，電極表面產生的電位或電流隨機自發波動現象[4-6]。通過高分辨率精密電化學儀器記錄下這種電化學噪聲，并通過快速傅立葉轉換，將信號從時域轉換到頻域，可以測試電位和電流的噪聲標準差和極化電阻值，進而確定鋼筋腐蝕速率，并且獲取有關鋼筋表面電化學腐蝕過程的一些寶貴信息[7-8]。電化學噪聲測試對鋼筋不會產生擾動。但測試所需儀器復雜而昂貴，同時需避免其它外界噪聲源的耦合干擾。本試驗采用電化學噪聲方法測試鋼筋在不同腐蝕程度混凝土介質中，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，通過導線將兩根鋼筋連接起來以形成連續的導電通路。成型時，在拌合水中加預先入氯化鈉，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量的2.0%，RC-RS5號試樣氯離子摻入量為水泥質量的3.0%。所有試樣在室溫下濕養護28d。養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，同時在水泥砂漿內埋入一片80mm×50mm的活化鈦網作為陽極材料。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。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。

電化學測試采用上海辰華儀器有限公司CHI660E電化學工作站進行測量。電化學測試在溶液中進行，將鋼筋混凝土試樣浸泡在與預摻等濃度NaCl溶液中。采用三電極系統：以并聯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，與鋼筋形成電連續系統。電化學噪聲測試對電極為相同材質的鋼筋。采樣頻率為2Hz，采樣時間為600s。電化學噪聲數據采取時域分析法中的數學統計分析方法進行分析，其主要參數為噪聲電位的標準方差σU;噪聲電流的標準方差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準方差之比。噪聲電阻來估計該電化學反應電阻，從而建立噪聲行為與腐蝕防護狀況之間的聯系。

2 電化學噪聲檢測結果與機理分析

圖1（a）、（b）分別是各組混凝土中鋼筋試樣電化學噪聲電位和電流標準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中，且所受的陰極保護情況不同，但其電位值標準偏差數量級和電流值標準偏差數量級大致相同，分別在10-4V左右和10-10A左右。由試驗結果可以看出，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準偏差均較小;未施加陰極保護RC-RS2組試樣各齡期噪聲電位和電流標準偏差都很大;氯離子摻量較高的RC-RS5組前期噪聲電位和電流標準偏差較大，后期減小。結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定性，降低噪聲電位和電流離散度，削弱了鋼筋表面化學活性，有利于鋼筋表面鈍化膜的修復。

采用標準方差計算得到噪聲電阻與時間關系曲線，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試樣RC-RS1噪聲電阻值明顯大于各組摻有氯離子腐蝕介質的鋼筋試樣。當施加陰極保護之后，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，其腐蝕程度最嚴重。

通常情況下，處于腐蝕介質中的鋼筋混凝土，其混凝土保護層能將鋼筋與腐蝕環境隔離，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、毛細孔、微細裂縫的復雜體系，半徑小而穿透力極強的氯離子可通過其內部孔隙和裂縫滲透至鋼筋/混凝土界面破壞鋼筋鈍化膜。當混凝土中鋼筋表面發生鈍化或均勻腐蝕時，電化學體系將產生噪聲。鋼筋表面鈍化膜破壞和修復過程競爭越激烈，產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型半導體的雙層結構成相膜，其中存在位錯、缺陷、晶體不均勻及其它一些與表面狀態有關的不規則因素，導致通過這層膜的腐蝕電流產生隨機非平穩的噪聲波動[9]。對混凝土中鋼筋通陰極保護電流，可迫使陽極腐蝕反應不能產生電子，使鋼筋表面電位低于平衡電位，阻礙鋼筋陽極反應，有效降低電化學噪聲。

4 結論

應用電化學噪聲測試了不同腐蝕環境下陰極保護對鋼筋混凝土腐蝕修復程度。試驗結果表明混凝土中摻入的氯離子滲透到鋼筋/混凝土界面，導致鋼筋鈍化膜破損，產生隨機非平穩的電化學噪聲波動。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同施加陰極保護電流，阻礙鋼筋陽極反應發生，修復其表面鈍化膜，提高噪聲電阻值。

【參考文獻】

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