高性能混凝土耐久性檢測中電化學阻抗譜技術應用

摘要：以高性能混凝土耐久性檢測新技術的應用為目的，結合某沿海地區跨海大橋建設工程實例，利用電化學阻抗譜技術（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS），分析阻抗譜圖，從而表征混凝土的離子遷移情況及腐蝕狀態，以驗證此工程所用混凝土耐久性。結果顯示，在該大橋主橋墩、連橋處應力集中位置，電荷轉移電阻較低，存在被腐蝕風險，其內部電化學行為相對復雜，存在離子遷移情況，表示耐久性有待加強。針對此類問題，利用Abaqus有限元分析軟件優化混凝土配合比，確定最佳硅灰摻量為7%、粉煤灰摻量為25%、水灰比為0.38、高效減水劑摻量為1.5%，并采取防腐涂層，以提高混凝土耐久性。由此可見，應用EIS技術及相關改進措施，能夠有效提高混凝耐久性，保障大橋安全。

關鍵詞：高性能混凝土耐久性檢測電化學阻抗混凝土

ApplicationofElectrochemicalImpedanceSpectroscopyTechnologyinDurabilityTestingofHigh-PerformanceConcrete

LIUXiaogang

ShenzhenTagenEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Shenzhen，GuangdongProvince，518109China

Abstract：Withtheaimofapplyingnewtechnologyfordurabilitytestingofhigh-performanceconcrete，combinedwithaconstructionprojectofacross-seabridgeinacoastalarea，ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy（EIS）technologyisusedtoanalyzeimpedancespectratocharacterizeionicmigrationandcorrosionstatesofconcrete，inordertoverifythedurabilityoftheconcreteusedinthisproject.Resultsshowedlowchargetransferresistanceatstressconcentrationpointsinthemainbridgepiersandconnectingbridge，andtherewasariskofcorrosion.Theinternalelectrochemicalbehaviorwasrelativelycomplex，andtherewasionmigration，indicatingthatdurabilityneedstobestrengthened.?;Toaddressthis，Abaqusfiniteelementanalysissoftwarewasusedtooptimizetheconcretemixproportion，determiningtheoptimalsilicafumecontentof7%，flyashcontentof25%，watercementratioof0.38，andhigh-efficiencywaterreducercontentof1.5%.Anti-corrosioncoatingwasalsoappliedtoenhancedurabilityoftheconcrete.ItcanbeseenthattheapplicationofEIStechnologyandrelatedimprovementmeasurescaneffectivelyenhanceconcretedurabilityandensuredbridgesafety.

KeyWords：High-performanceconcrete;Durabilitytesting;EIS;Concrete

隨著沿海地區基礎設施建設的不斷發展，高性能混凝土在橋梁工程中的應用日益廣泛。然而，鹽霧、潮汐及風浪等惡劣環境對混凝土耐久性提出了巨大挑戰。傳統檢測技術難以全面評估混凝土在復雜環境下的長期性能，導致結構安全隱患增加。電化學阻抗譜技術（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）作為一種先進的無損檢測方法，通過分析混凝土內部電化學行為與離子遷移特性，提供精確的耐久性參數，具有重要的研究價值，基于此，研究針對案例工程中的混凝土性能展開全面檢測，并提出針對性改進措施，以為相類似工程提供參考。

1工程概況

某工程項目位于我國沿海地區，為一座連接城市和離岸島嶼的跨海大橋，總長23.6km。大橋主體采用高性能混凝土，設計壽命為100年。橋梁結構包括主橋、引橋及輔助設施，由于所處海洋環境，橋梁長期受到鹽霧、潮汐、風浪等惡劣條件的侵蝕，混凝土耐久性與結構安全面臨嚴峻挑戰。該項目中應用的混凝土材料95%以上為高性能混凝土，橋梁施工期間，設計人員指出部分潛在風險問題，主要為氯離子侵入導致鋼筋銹蝕和溫差引起的溫度應力裂縫。基于此，此次研究需在設計初期基于EIS技術對混凝土耐久性進行檢測。

2電化學阻抗譜技術理論

EIS技術是一種基于交流電信號測量電化學系統阻抗頻率響應的方法。其基本原理是通過施加小幅度的交流電壓，測量系統在不同頻率下的阻抗，以獲得系統的電化學特性。EIS技術通過分析阻抗譜圖，可以有效表征混凝土內部的電化學行為、離子遷移特性、腐蝕狀態。在EIS測試中，應用如下電化學阻抗公式：

式（1）中：表示阻抗；表示實部；表示虛部；表示角頻率；表示虛數單位。

在高性能混凝土的檢測中，通過Nyquist圖（即實部對虛部的繪圖）和Bode圖（即頻率對阻抗模值與相位角的繪圖），分析混凝土電化學特性。Nyquist圖中的半圓弧、直線部分分別對應電荷轉移電阻和擴散阻抗，通過擬合這些數據，可以得到重要參數，如混凝土中氯離子的擴散系數D和傳導率。具體可通過Nernst-Planck方程和Warburg阻抗的關系進行計算，如公式（2）所示：

式（2）中：R表示氣體常數；T表示絕對溫度；F表示法拉第常數；C表示氯離子濃度；表示Warburg系數。

針對此次工程中對高性能混凝土的檢測，主要基于EIS技術理論，實時監測混凝土中氯離子的滲透情況，同時還可用于評估溫差引起的溫度應力裂縫對混凝土結構的影響，提供精確的電化學參數，支持設計人員優化混凝土配合比和施工工藝。

3電化學阻抗譜技術應用

3.1現場取樣與準備

對大橋進行現場取樣，每隔500m進行一次鉆芯取樣，使用金剛石鉆取芯機配置直徑100mm鉆頭，取樣位置應覆蓋橋梁主體結構及關鍵部位，如主橋墩、引橋連接處和易受應力集中的區域。取樣完成后，將鉆取的混凝土芯樣小心取出，避免樣品破損[1]。用干凈的布或刷子清潔樣品表面，去除灰塵和碎屑。使用精密切割機修整樣品尺寸，確保樣品端面平整且尺寸符合測試要求。對樣品做好編號與標記，記錄取樣位置、取樣時間和環境條件等信息，以便后續數據分析和對比。將處理好的樣品存放至標準養護室，保持（20±2）℃、95%以上相對濕度。

3.2電化學阻抗譜測量步驟

在測試過程中，將混凝土樣品表面進行清潔處理，并將預先制備好的電極膏均勻涂覆在樣品表面，確保電極與混凝土表面緊密接觸。采用三電極體系進行測試，具體操作如下。

首先，將參比電極（如飽和甘汞電極）固定在樣品的一側表面，這一電極用于提t6zvC/Hxoulx5j69NZqlFscpEpFKWkeEFBSsfddguwY=供穩定的參考電位。其次，將工作電極（如鉑電極）安裝在樣品表面中央位置，工作電極負責響應電流的測量。最后，將輔助電極（如石墨電極）放置在樣品的另一側，并確保輔助電極浸入含有電解質溶液的槽中，以保證良好的電流通路。

完成電極的布置后，將電極連接到電化學工作站，設定測試參數，交流電壓幅度設定為5mV，頻率范圍設定為從0.1Hz到1MHz。

3.3數據處理與結果分析

利用專業軟件對EIS測試數據進行分析。通過擬合Nyquist圖中的半圓和直線部分，計算出混凝土的電荷轉移電阻和Warburg系數；再應用Nernst-Planck方程計算氯離子的擴散系數。將不同位置和時間點的檢測數據進行比對，評估混凝土耐久性在不同環境條件下的變化。檢測過程中，發現樣品主要存在兩種情況，分別為橋梁常規結構樣品和應力集中區，結果如圖1所示。

觀察Nyquist圖，應力集中位置為虛線k，半圓弧較小，實部和虛部變化范圍較大，電荷轉移電阻Rct較低，約為120Ω。非應力集中位置為實線k，半圓弧相對較大，實部與虛部的變化范圍較小，電荷轉移電阻較高，約為150Ω。這表明應力集中位置的混凝土內部結構較為松散，電荷更容易傳遞，而非應力集中位置的混凝土內部結構致密，電荷傳遞受阻[2]。

在應力集中位置，氯離子的擴散系數較高，約為1.5×10-12m2/s，而非應力集中位置為1.2×10-12m2/s。較高的擴散系數表明氯離子更容易滲透進入混凝土內部，增加了鋼筋銹蝕的風險。這種差異可能與應力集中位置的混凝土孔隙結構不均勻、微裂縫較多有關，為氯離子提供了更多的滲透通道。而非應力集中位置的較低氯離子擴散系數則得益于其均質、穩定的孔隙結構，對氯離子的阻隔作用顯著，可以降低鋼筋銹蝕風險。通過比較不同區域的阻抗譜特征，可以準確地評估混凝土的抗滲性能和腐蝕風險，為耐久性分析提供數據支持。

3.4改進措施

3.4.1優化混凝土配合比

為增強大橋在應力集中位置的耐久性，減少侵蝕風險，可通過優化混凝土配合比的方式提高應力集中位置結構致密性與抗氯離子滲透能力。研究應用Abaqus有限元軟件，根據大橋結構特點，建立應力集中位置的模型，并根據不同的礦物摻合料比例與水灰比，輸入相應的材料參數，包括彈性模量、抗拉強度、抗壓強度等[3]。最佳配合比參數如表1所示。根據此次工程高性能混凝土的檢測與優化設計，可通過提高硅灰摻量與粉煤灰摻量的方式填補混凝土孔隙提高密實度與抗滲性，增強結構抗壓強度與抗氯離子滲透能力。同時，控制水灰比，通過減少水灰比，能夠降低混凝土孔隙率，但還需控制最低限，避免水灰比過低導致流動性不足，需增加一定量減水劑提高密實度[4]。通過改進混凝土配合比參數，能夠進一步提高結構抗壓強度與承載力，在重載和惡劣環境下保持結構的穩定和安全。

3.4.2防腐措施

由于沿海區域環境特殊性，大橋高性能混凝土建筑結構會受到氯離子侵蝕、潮汐作用引起的濕干交替與鹽霧腐蝕風險，導致鋼筋銹蝕、混凝土開裂，結構強度下降[5]。基于此，需對其進行一系列防腐防銹蝕措施。選用環氧樹脂和聚氨酯涂料作為防腐材料，前者具有較強的附著力和耐化學腐蝕性能，后者具有較強的耐磨性與抗紫外線性能。具體操作如下：（1）對鋼筋表面進行噴砂或拋丸處理，去除銹蝕和氧化皮，保證附著力；（2）涂覆一層厚度約為50μm環氧底漆，干燥時間為24h；（3）涂覆厚度約為100μm聚氨酯中間涂層，干燥時間為24h；（4）涂覆厚度約為50μm聚氨酯面漆，干燥時間為48h；（5）完成涂覆后，檢查涂層的厚度均勻性，確保無氣泡與脫落現象。

4結語

綜上所述，傳統檢測方式在高性能混凝土耐久性檢測方面存在一定局限性，而EIS技術通過精準的電化學參數分析，是目前新興檢測手段之一，能夠有效提高檢測效率，保障結果精度。未來，應不斷完善技術應用過程，不斷細化操作，深化對EIS技術應用的研究，實現高效、綠色環保目標。

參考文獻

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[3]王浩.高性能混凝土在公路路面施工中的應用研究[J].運輸經理世界，2024（14）：151-153.

[4]陳建康.超高性能混凝土（UHPC）力學性能研究進展[J].中國科學：物理學力學天文學，2024，54（5）：148-167.

[5]王會杰，李紅衛，郝梅，等.超高性能混凝土研究與應用[J].工業建筑，2023，53（S1）：672-674.