張磊，李紅霞，劉智俊

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預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)腐蝕電化學(xué)模型可行性研究

張磊1，李紅霞1，劉智俊2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010）

目的探究自行設(shè)計(jì)研究錨固結(jié)構(gòu)電化學(xué)模型的可行性。方法 針對(duì)通用電解池存在的缺點(diǎn)，自行設(shè)計(jì)電解池，模擬巖土工程中錨固結(jié)構(gòu)綜合受應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)腐蝕的環(huán)境，使錨固結(jié)構(gòu)沉浸在1.0%NaCl溶液中進(jìn)行腐蝕，并通過電化學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)，通過比較設(shè)計(jì)電解池與實(shí)驗(yàn)室電解池的測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)電解池的可行性。結(jié)果實(shí)驗(yàn)室模型和設(shè)計(jì)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似性很高。結(jié)論所設(shè)計(jì)的電化學(xué)模型能夠很好地研究錨固結(jié)構(gòu)在綜合因素作用下的腐蝕規(guī)律，裝置是可行的。

錨固結(jié)構(gòu)；電化學(xué)模型；電化學(xué)腐蝕；電解池

隨著巖土工程中錨固結(jié)構(gòu)腐蝕損傷造成的工程危害日益嚴(yán)重[1—4]，錨固結(jié)構(gòu)的耐久性問題開始受到廣泛關(guān)注[5—11]。目前國(guó)內(nèi)普遍采用浸泡腐蝕試驗(yàn)研究錨固結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷規(guī)律[12—13]，但浸泡試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，目前國(guó)外學(xué)者[15—17]正使用電化學(xué)方法研究錨固結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷規(guī)律，但傳統(tǒng)的電解池不能給試樣施加應(yīng)力，不能探討應(yīng)力對(duì)腐蝕的影響。鑒于此，文中自行設(shè)計(jì)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置模型來進(jìn)行腐蝕規(guī)律的研究[18]，對(duì)此首先要證明模型的可行性。

1 設(shè)計(jì)思路

電化學(xué)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)是合適的電解池，一般在含有電解液的容器中，采用三電極系統(tǒng)構(gòu)成電流和電壓的檢測(cè)回路。工作電極：研究金屬電極；對(duì)電極：與工作電極構(gòu)成電流檢測(cè)回路；參比電極：檢測(cè)工作電極的電位變化。通過這樣的設(shè)計(jì)，就可以將金屬腐蝕的研究轉(zhuǎn)化為電化學(xué)研究。

文中所研究的材料是錨固的鋼筋，將其加工為工作電極，并且也要實(shí)現(xiàn)所要求的應(yīng)力。參比電極在近中性的電解液中一般采用甘汞電極或者氯化銀電極。對(duì)電極的要求就是本身性能穩(wěn)定，常用的材料有石墨、鉑金等，由于石墨材料產(chǎn)品較為豐富，故選擇石墨類棒材進(jìn)行研究。電解液采用模擬實(shí)際環(huán)境參數(shù)的鹽水溶液，控制其鹽含量、通氧量等因素。

通過跟蹤檢測(cè)電化學(xué)參數(shù)的變化，了解和掌握鋼筋在介質(zhì)中溶解腐蝕狀況的變化。主要的方法為線性極化法和交流阻抗法，兩種方法均對(duì)試樣表面沒有大的影響，有相關(guān)的復(fù)試參數(shù)指標(biāo)，方便進(jìn)行試樣狀態(tài)的跟蹤和定量分析。

按照上述方法，首先自行設(shè)計(jì)和加工電解池，制作三電極系統(tǒng)，開展電化學(xué)檢測(cè)，研究電解池構(gòu)成、電化學(xué)檢測(cè)方法、相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性等一系列問題，分析所設(shè)計(jì)的電化學(xué)檢測(cè)模型實(shí)驗(yàn)的可行性。

2 試驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)電解池

為了加固高陡邊坡工程，在設(shè)計(jì)工程時(shí)，要在鋼筋上施加預(yù)應(yīng)力。錨筋經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后因化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等綜合因素發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷和失效。為研究預(yù)應(yīng)力錨筋的應(yīng)力腐蝕特性，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。裝置的容器為PVC三接口塑料管，左右兩端進(jìn)行密封，中間貫穿一根棒狀長(zhǎng)待測(cè)試樣，為以后施加應(yīng)力提供條件。容器里放置一根無應(yīng)力狀態(tài)的短試樣作為參照，并引入對(duì)電極（石墨電極）和參比電極(甘汞電極)，構(gòu)成三電極體系，裝置所有連接的地方，都進(jìn)行密封處理。與實(shí)驗(yàn)室的三電極電解池（如圖2所示）相比，設(shè)計(jì)的電解池裝置可以在長(zhǎng)試樣上施加外力，使探究應(yīng)力對(duì)腐蝕的影響成為可能；在裝置中引入無應(yīng)力加載的短試樣作為對(duì)照，研究應(yīng)力對(duì)試樣腐蝕性的影響。同時(shí)與實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)三電極模型的試樣狀態(tài)對(duì)比，進(jìn)一步比較設(shè)計(jì)模型的可行性和可信程度。

2.2 方法步驟

材料為光面鋼筋和鍍鋅鋼筋（含螺紋），分別截取不同長(zhǎng)度，加工為棒狀電極，一端焊接導(dǎo)線，兩端均采用環(huán)氧密封。長(zhǎng)鋼筋長(zhǎng)50 cm，直徑為5 mm，各1根（光面鋼筋1#、鍍鋅鋼筋2#），模擬應(yīng)力加載試樣。短鋼筋長(zhǎng)20 cm，直徑為5 mm，光面鋼筋兩根（3#，4#），鍍鋅鋼筋3根（5#，6#，7#）作為未加載應(yīng)力的對(duì)比試樣。輔助電極為石墨電極，長(zhǎng)30 cm，直徑1 cm。參比電極為飽和甘汞電極。用240~800號(hào)砂紙打磨，丙酮去油后，吹干放在干燥器中備用，所有試樣與導(dǎo)線連接處都用環(huán)氧樹脂密封。

1）探究輔助電極的影響。為了確保對(duì)電極的均勻性，開展了對(duì)電極數(shù)量選擇的對(duì)比研究。將3#試樣放入實(shí)驗(yàn)室三電極電解池，引入甘汞參比電極和石墨輔助電極，加入1.0%的NaCl溶液，構(gòu)成三電極體系。浸泡150 min后，改變輔助電極的根數(shù)（1根或2根），對(duì)3#試樣進(jìn)行EIS和線性極化的監(jiān)測(cè)。

2）工作電極的平行性研究。由于電化學(xué)方法是間接反映試樣的狀態(tài)，因此需要對(duì)電化學(xué)檢測(cè)方法中試樣的平行性進(jìn)行專門的研究，以確保電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果的可行性。將事先準(zhǔn)備好的5#，6#，7#試樣放入設(shè)計(jì)電解池中，分別引入甘汞參比電極和石墨輔助電極，加入1.0%的NaCl溶液，構(gòu)成三電極體系。在不同時(shí)間內(nèi)，分別對(duì)三根試樣進(jìn)行線性極化和交流阻抗的測(cè)量，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平行性。

3）探究設(shè)計(jì)電解池的可行性。在實(shí)驗(yàn)室初步實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，在實(shí)際的預(yù)應(yīng)力錨固模型上安裝了設(shè)計(jì)的電化學(xué)模型，開展相關(guān)電化學(xué)方法的跟蹤檢測(cè)。采用與實(shí)驗(yàn)室模型對(duì)比的方法，進(jìn)一步考察設(shè)計(jì)模型的可行性和合理性。將1#和4#試樣放入設(shè)計(jì)電解池中，加入1.0%的NaCl溶液，分別引入甘汞參比電極和石墨輔助電極，構(gòu)成三電極體系。對(duì)4#試樣進(jìn)行線性極化和交流阻抗的監(jiān)測(cè)，通過比較3#和4#試樣的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證裝置的可行性。線性極化：試驗(yàn)采用cs310（科斯特）電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)量，工作電極為鋼樣，參比電極為甘汞電極，輔助電極為石墨電極，極化區(qū)間為-30～+30 mV，掃描速度為0.5 mV/s；交流阻抗：試驗(yàn)采用cs310（科斯特）電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)量，工作電極為鋼樣，參比電極為甘汞電極，輔助電極為石墨電極，測(cè)量的頻率范圍為100 kHz～0.1 Hz。

3 結(jié)果與分析

3.1 輔助電極的測(cè)試結(jié)果

圖3、圖4分別為試樣在不同根數(shù)輔助電極下的線性極化曲線和交流阻抗曲線。根據(jù)交流阻抗曲線（見圖4）為明顯的單容抗弧，所以采用如圖5所示的模型進(jìn)行擬合，所得到結(jié)果見表2；表1為線性極化擬合的結(jié)果。

圖4 交流阻抗測(cè)試結(jié)果

表1 極化曲線擬合結(jié)果

無論是從檢測(cè)圖形還是擬合參數(shù)（如線性極化曲線的穩(wěn)定電位、腐蝕電流、極化電阻），還是EIS圖譜等效電路擬合的溶液電阻和試樣的阻抗，都可以看出，用1只和2只石墨電極作為輔助電極進(jìn)行測(cè)試，得到的試驗(yàn)結(jié)果具有很好的重復(fù)性。說明輔助電極的面積對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有影響，即1只對(duì)電極就能夠達(dá)到測(cè)試要求。

表2 阻抗擬合結(jié)果

3.2 工作電極的平行性測(cè)試結(jié)果

分別在20，130 h時(shí)進(jìn)行了線性極化和交流阻抗檢測(cè)，兩種電化學(xué)方法的結(jié)果均出現(xiàn)良好的平行性，如圖6和圖7所示。

電位波動(dòng)較小，三只鋼樣電位基本穩(wěn)定在-1.01～-1.04 V，腐蝕電流密度在20 h內(nèi)變化較小，130 h時(shí)的腐蝕電流密度有小幅降，三只電極測(cè)試結(jié)果重復(fù)性較好。

3.3 實(shí)驗(yàn)室裝置與設(shè)計(jì)裝置的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

浸泡時(shí)間為7，15，35 d的線性極化曲線和交流阻抗檢測(cè)結(jié)果如圖8—10所示。

線性極化曲線表明，實(shí)際模型試樣的穩(wěn)定電位均比實(shí)驗(yàn)室模型稍低，腐蝕電流在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，從7 d到35 d，穩(wěn)定電位稍有下降，腐蝕電流有所下降。從交流阻抗圖譜可以看出，無論是形狀還是阻抗數(shù)值相同時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，兩者基本相同，而且阻抗曲線的弧形隨時(shí)間延長(zhǎng)接近圓形。這說明試樣表面電化學(xué)狀態(tài)越來越穩(wěn)定，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的阻抗電容并聯(lián)電路。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)可以看到，在實(shí)驗(yàn)室電解池和設(shè)計(jì)電解池中得到的試驗(yàn)結(jié)果具有很好的重合性。表明設(shè)計(jì)電解池可行，使研究電化學(xué)、應(yīng)力等多因素綜合對(duì)腐蝕的影響成為可能。

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Feasibility Study Report for the Corrosion Electrochemical Model of Prestressed Anchorage Structure Corrosion

ZHANG Lei1, LI Hong-xia1, LIU Zhi-jun2

(1.Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Objective To explore the feasibility of electrochemical model in researching the anchorage structure. Methods Electrolytic cell was designed based on its weakness to simulate the comprehensive stress corrosion and electrochemical corrosion environment of the anchorage structure in geotechnical engineering. The anchorage structure was immersed in 1.0 % NaCl solution for corrosion and tested by electrochemical method. The feasibility of the electrolytic cell was verified by comparing test results of designed electrolytic cell and laboratory electrolytic cell. Results The experiment results of laboratory model and design model had very high similarity. Conclusion The electrochemistry model designed can research the corrosion law of anchorage structure under composite factors properly. The device is feasible.

anchorage structure; electrochemical model; electrochemical corrosion; electrolytic cell

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.021

TJ85；TG172

A

1672-9242(2017)03-0107-05

2016-06-29；

2016-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41272350，51309025）

張磊（1991—），男，河北任丘，碩士，主要研究方向?yàn)榕灤g與防護(hù)。