預應力錨固結構腐蝕電化學模型可行性研究

張磊，李紅霞，劉智俊

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預應力錨固結構腐蝕電化學模型可行性研究

張磊1，李紅霞1，劉智俊2

（1.海軍工程大學，武漢 430033；2.長江科學院，武漢 430010）

目的探究自行設計研究錨固結構電化學模型的可行性。方法 針對通用電解池存在的缺點，自行設計電解池，模擬巖土工程中錨固結構綜合受應力腐蝕和電化學腐蝕的環境，使錨固結構沉浸在1.0%NaCl溶液中進行腐蝕，并通過電化學方法進行檢測，通過比較設計電解池與實驗室電解池的測試結果，驗證設計電解池的可行性。結果實驗室模型和設計模型的實驗結果相似性很高。結論所設計的電化學模型能夠很好地研究錨固結構在綜合因素作用下的腐蝕規律，裝置是可行的。

錨固結構；電化學模型；電化學腐蝕；電解池

隨著巖土工程中錨固結構腐蝕損傷造成的工程危害日益嚴重[1—4]，錨固結構的耐久性問題開始受到廣泛關注[5—11]。目前國內普遍采用浸泡腐蝕試驗研究錨固結構的腐蝕損傷規律[12—13]，但浸泡試驗周期較長。根據相關文獻報道，目前國外學者[15—17]正使用電化學方法研究錨固結構的腐蝕損傷規律，但傳統的電解池不能給試樣施加應力，不能探討應力對腐蝕的影響。鑒于此，文中自行設計電化學實驗裝置模型來進行腐蝕規律的研究[18]，對此首先要證明模型的可行性。

1 設計思路

電化學檢測方法的基礎是合適的電解池，一般在含有電解液的容器中，采用三電極系統構成電流和電壓的檢測回路。工作電極：研究金屬電極；對電極：與工作電極構成電流檢測回路；參比電極：檢測工作電極的電位變化。通過這樣的設計，就可以將金屬腐蝕的研究轉化為電化學研究。

文中所研究的材料是錨固的鋼筋，將其加工為工作電極，并且也要實現所要求的應力。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。對電極的要求就是本身性能穩定，常用的材料有石墨、鉑金等，由于石墨材料產品較為豐富，故選擇石墨類棒材進行研究。電解液采用模擬實際環境參數的鹽水溶液，控制其鹽含量、通氧量等因素。

通過跟蹤檢測電化學參數的變化，了解和掌握鋼筋在介質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，兩種方法均對試樣表面沒有大的影響，有相關的復試參數指標，方便進行試樣狀態的跟蹤和定量分析。

按照上述方法，首先自行設計和加工電解池，制作三電極系統，開展電化學檢測，研究電解池構成、電化學檢測方法、相關實驗結果的相關性等一系列問題，分析所設計的電化學檢測模型實驗的可行性。

2 試驗

2.1 設計電解池

為了加固高陡邊坡工程，在設計工程時，要在鋼筋上施加預應力。錨筋經歷較長時間的運行后因化學腐蝕、應力腐蝕等綜合因素發生結構損傷和失效。為研究預應力錨筋的應力腐蝕特性，自行設計實驗裝置，如圖1所示，進行電化學腐蝕試驗。裝置的容器為PVC三接口塑料管，左右兩端進行密封，中間貫穿一根棒狀長待測試樣，為以后施加應力提供條件。容器里放置一根無應力狀態的短試樣作為參照，并引入對電極（石墨電極）和參比電極(甘汞電極)，構成三電極體系，裝置所有連接的地方，都進行密封處理。與實驗室的三電極電解池（如圖2所示）相比，設計的電解池裝置可以在長試樣上施加外力，使探究應力對腐蝕的影響成為可能；在裝置中引入無應力加載的短試樣作為對照，研究應力對試樣腐蝕性的影響。同時與實驗室傳統三電極模型的試樣狀態對比，進一步比較設計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），分別截取不同長度，加工為棒狀電極，一端焊接導線，兩端均采用環氧密封。長鋼筋長50 cm，直徑為5 mm，各1根（光面鋼筋1#、鍍鋅鋼筋2#），模擬應力加載試樣。短鋼筋長20 cm，直徑為5 mm，光面鋼筋兩根（3#，4#），鍍鋅鋼筋3根（5#，6#，7#）作為未加載應力的對比試樣。輔助電極為石墨電極，長30 cm，直徑1 cm。參比電極為飽和甘汞電極。用240~800號砂紙打磨，丙酮去油后，吹干放在干燥器中備用，所有試樣與導線連接處都用環氧樹脂密封。

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

2）工作電極的平行性研究。由于電化學方法是間接反映試樣的狀態，因此需要對電化學檢測方法中試樣的平行性進行專門的研究，以確保電化學檢測結果的可行性。將事先準備好的5#，6#，7#試樣放入設計電解池中，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，構成三電極體系。在不同時間內，分別對三根試樣進行線性極化和交流阻抗的測量，觀察實驗結果的平行性。

3）探究設計電解池的可行性。在實驗室初步實驗研究的基礎上，在實際的預應力錨固模型上安裝了設計的電化學模型，開展相關電化學方法的跟蹤檢測。采用與實驗室模型對比的方法，進一步考察設計模型的可行性和合理性。將1#和4#試樣放入設計電解池中，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，構成三電極體系。對4#試樣進行線性極化和交流阻抗的監測，通過比較3#和4#試樣的試驗結果，驗證裝置的可行性。線性極化：試驗采用cs310（科斯特）電化學工作站進行測量，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，極化區間為-30～+30 mV，掃描速度為0.5 mV/s；交流阻抗：試驗采用cs310（科斯特）電化學工作站進行測量，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，測量的頻率范圍為100 kHz～0.1 Hz。

3 結果與分析

3.1 輔助電極的測試結果

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

圖4 交流阻抗測試結果

表1 極化曲線擬合結果

無論是從檢測圖形還是擬合參數（如線性極化曲線的穩定電位、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行測試，得到的試驗結果具有很好的重復性。說明輔助電極的面積對測試結果沒有影響，即1只對電極就能夠達到測試要求。

表2 阻抗擬合結果

3.2 工作電極的平行性測試結果

分別在20，130 h時進行了線性極化和交流阻抗檢測，兩種電化學方法的結果均出現良好的平行性，如圖6和圖7所示。

電位波動較小，三只鋼樣電位基本穩定在-1.01～-1.04 V，腐蝕電流密度在20 h內變化較小，130 h時的腐蝕電流密度有小幅降，三只電極測試結果重復性較好。

3.3 實驗室裝置與設計裝置的測試結果對比

浸泡時間為7，15，35 d的線性極化曲線和交流阻抗檢測結果如圖8—10所示。

線性極化曲線表明，實際模型試樣的穩定電位均比實驗室模型稍低，腐蝕電流在同一個數量級，從7 d到35 d，穩定電位稍有下降，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值相同時所對應的時間，兩者基本相同，而且阻抗曲線的弧形隨時間延長接近圓形。這說明試樣表面電化學狀態越來越穩定，出現標準的阻抗電容并聯電路。

4 結語

通過試驗可以看到，在實驗室電解池和設計電解池中得到的試驗結果具有很好的重合性。表明設計電解池可行，使研究電化學、應力等多因素綜合對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

國家自然科學基金項目（41272350，51309025）

張磊（1991—），男，河北任丘，碩士，主要研究方向為艦船腐蝕與防護。