CN109374519A - 一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括下述步骤：步骤1，成型若干个钢筋混凝土构件，对钢筋混凝土构件拆模、养护后进行海水暴露；步骤2，采用线性极化电阻法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的极化电阻值；步骤3，采用交流阻抗谱法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的电荷转移电阻值；步骤4，对获得的极化电阻值和电荷转移电阻值进行拟合分析，得出极化电阻值和电荷转移电阻值之间的关系，然后基于现有的极化电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值，获得电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值；步骤5，以电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值测算结构完整的钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀速率。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料检测领域，涉及一种混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，具体涉及一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法。
背景技术
钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，其造价较低，是工程建设中首选的建筑材料。然而，由于结构设计、施工维护、工作环境及材料内部等因素的影响，钢筋混凝土结构在抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化作用下，暴露出了越来越严重的耐久性问题。特别是由环境引起的钢筋腐蚀，己成为威胁工程结构安全的最主要和最普遍的病害。因此，通过对混凝土结构中钢筋锈蚀速率的测定，开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，对于在役结构的耐久性评定和剩余寿命预测，具有重要的科学意义和实用价值。
混凝土结构中钢筋腐蚀的检测方法大体上可分为物理方法(电阻棒法、涡流法、射线法、红外热像法、声发射法、超声波、冲击-回声法等)和电化学方法(半电池电位法、线性极化法、交流阻抗谱法、Tafel极化曲线法、恒电量法、电化学噪声法等)。而钢筋混凝土中钢筋的腐蚀本质为电化学腐蚀，因此，电化学方法特别适用于混凝土结构中钢筋腐蚀状态的评价，在各种测定钢筋腐蚀速率的电化学方法中，线性极化电阻法和交流阻抗谱法是最常用的两种方法。
交流阻抗谱法作为一种电化学检测方法，能测试求出混凝土的氯离子扩散系数、定性描述钢筋-混凝土界面区微观形貌和确定腐蚀反应的控制过程，同时，交流阻抗谱法还具有施加的交流信号对腐蚀体系影响较小的优势。但是，目前尚未见采用交流阻抗谱法定量表示钢筋腐蚀速率的相关报道。而线性极化电阻法虽然可以定量的表征钢筋锈蚀速率，但是其具有施加的电流信号对腐蚀体系影响较大，加速钢筋腐蚀的劣势。
发明内容
发明目的：针对现有的表征混凝土中钢筋锈蚀速率检测方法需要对试件进行破坏，可靠性不强且施加的电信号对腐蚀体系影响较大的问题，本发明提供一种基于交流阻抗谱法表征钢筋锈蚀速率的检测方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括下述步骤：
步骤1，成型若干个钢筋混凝土构件，对钢筋混凝土构件拆模、养护后进行海水暴露；
步骤2，采用线性极化电阻法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的极化电阻值；
步骤3，采用交流阻抗谱法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的电荷转移电阻值；
步骤4，对获得的极化电阻值和电荷转移电阻值进行拟合分析，得出极化电阻值和电荷转移电阻值之间的关系，然后基于现有的极化电阻值表征钢筋锈蚀速率的特征值，获得电荷转移电阻值表征钢筋锈蚀速率的特征值；
步骤5，以电荷转移电阻值表征钢筋锈蚀速率的特征值测算结构完整的钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀速率。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤1中，各个成型的钢筋混凝土构件中钢筋的规格、型号及初始状态保持一致，成型后的钢筋混凝土构件在温度为20℃、相对湿度为70%的环境下养护24 h后脱模，脱模后放入温度为20±3°C，相对湿度为90%的养护室继续养护28 d。
步骤1中，对钢筋混凝土构件进行海水暴露试验时，其浸泡介质为3.5%的NaCl溶液(以质量计)；暴露试验开始后对室内的温度、湿度及海水体积进行定期测定并及时调节，使其满足实际热带海洋环境要求，即室内温度25±2°C，相对湿度80%，海水浓度3.5%。
步骤2中，线性极化电阻法测试包括下述步骤：测试前8 h将待测构件浸泡在饱和Ca(OH)2溶液中，采用三电极体系，在室温条件下用电化学工作站对暴露0、28、90和180 d的构件进行线性极化电阻法测试。其中，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10mV，扫描速度为0.1667 mV/s。
钢筋的极化电阻根据下式确定：
式中：ΔE为施加的极化电位值/mV；ΔI为极化前后相应的电流密度变化/μA·cm-2；R p为极化电阻/Ω·cm2。
步骤3中，交流阻抗谱法测试包括下述步骤：测试前8 h将待测构件浸泡在饱和Ca(OH)2溶液中，采用三电极体系，在室温条件下用电化学工作站对暴露0、28、90和180 d的构件进行交流阻抗谱法测试，其中，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波。
根据交流阻抗谱法测试得到的奈奎斯特曲线，通过ZSimpWin软件，并选择相应的最佳等效电路进行拟合，获得不同种类钢筋的电荷转移电阻值。
利用电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值判断钢筋锈蚀速率的方法为：当电荷转移电阻在1.23-0.123 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率很高；当电荷转移电阻在12.3-1.23 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率高；当电荷转移电阻在123-1.23 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率为中等或低；当电荷转移电阻大于＞123 kΩ·cm2范围时，判断此时钢筋未发生锈蚀。
发明原理：混凝土结构中钢筋发生腐蚀的本质为电化学腐蚀，其中，线性极化电阻法和交流阻抗谱法谱法是最常用的两种电化学检测方法。本发明通过采用线性极化电阻法和交流阻抗谱法谱法对同一根钢筋进行长期监测，获得R p与R ct之间的关系，然后，基于现有的R p表征钢筋锈蚀速率的特征值，得出R ct表征钢筋锈蚀速率的特征值，以评定混凝土中钢筋的锈蚀速率。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1) 本发明的混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法基于交流阻抗谱法提出的表征钢筋锈蚀速率的特征值，可以在不破坏试件的条件下，只需要测试钢筋的R ct值，即可检测出混凝土内部钢筋的锈蚀速率，测试过程保证了结构的完整性，同时避免了劈裂结构所引入的损伤；而且，与线性极化电阻法相比，交流阻抗谱法具有施加的交流信号对腐蚀体系影响较小的优势；
(2) 本发明的方法应用广泛，除可以测试混凝土中钢筋的腐蚀速率，还能间接表征混凝土的电阻值，钢筋表面的双电层电容等参数。另外，还能求出混凝土的氯离子扩散系数、定性描述钢筋-混凝土界面区微观形貌和确定腐蚀反应的控制过程。
附图说明
图1为不同种类钢筋混凝土中钢筋的R p与R ct之间的关系，图中，C50B表示混凝土强度等级为C50，钢筋为B。其中，A为普通钢筋，B为有机新涂层钢筋，C为2205双相不锈钢筋。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
实施例1
一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，小型混凝土构件成型及海水暴露：按照既定配合比成型C30有机新涂层钢筋构件，拆模、养护28 d后进行海水暴露0、28、90和180 d；
步骤2，线性极化电阻法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10 mV，扫描速度为0.1667 mV/s，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R p值。
步骤3，交流阻抗谱法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R ct值。
步骤4，通过步骤(2)和步骤(3)得出的R p值与R ct值见图1。
实施例2
一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，小型混凝土构件成型及海水暴露：按照既定配合比成型C50普通钢筋构件，拆模、养护28 d后进行海水暴露0、28、90和180 d；
步骤2，线性极化电阻法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10 mV，扫描速度为0.1667 mV/s，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R p值。
步骤3，交流阻抗谱法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R ct值。
步骤4，通过步骤(2)和步骤(3)得出的R p值与R ct值见图1。
实施例3
一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，小型混凝土构件成型及海水暴露：按照既定配合比成型C50有机新涂层钢筋构件，拆模、养护28 d后进行海水暴露0、28、90和180 d；
步骤2，线性极化电阻法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10 mV，扫描速度为0.1667 mV/s，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R p值。
步骤3，交流阻抗谱法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R ct值。
步骤4，通过步骤(2)和步骤(3)得出的R p值与R ct值见图1。
实施例4
一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，小型混凝土构件成型及海水暴露：按照既定配合比成型C50 2205双相不钢筋构件，拆模、养护28 d后进行海水暴露0、28、90和180 d；
步骤2，线性极化电阻法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10 mV，扫描速度为0.1667 mV/s，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R p值。
步骤3，交流阻抗谱法测试：在室温条件下采用电化学工作站进行测试，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波，并计算得出不同暴露龄期钢筋的R ct值。
步骤4，通过步骤(2)和步骤(3)得出的R p值与R ct值见图1。
将实施例1 ~ 4得出的R p值与R ct值进行拟合分析，得出了R p与R ct之间的关系：
此公式的回归系数r 2 = 0.9571。
获知R p与R ct之间的关系后，然后，基于现有的R p表征钢筋锈蚀速率的特征值，获得R ct表征钢筋锈蚀速率的特征值(见表1)。即：通过测试钢筋的R ct值即可检测出混凝土中钢筋的锈蚀速率。
表1
注：R p为极化电阻，R ct为电荷转移电阻。
以上回归公式相关系数与图1说明了实施例1 ~ 4的有效性，也表明了基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法的可行性。
由上述实施例可知，本发明的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法应用广泛，可适用于各种类型的现代混凝土构件中钢筋锈蚀速率的检测。
本发明的一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，基于现有的R p表征钢筋锈蚀速率的特征值，通过建立R p与R ct之间的关系，得出R ct表征钢筋锈蚀速率的特征值，可以在不破坏构件的条件下，只需测试R ct，检测出混凝土中钢筋的锈蚀速率。
具体而言，本发明的一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法是根据钢筋锈蚀后，其钝化膜的电阻发生变化来间接评定钢筋锈蚀速率，通过采用线性极化电阻法和交流阻抗谱法对同一根钢筋进行长期监测，获得R p与R ct之间的关系，然后，基于现有的R p表征钢筋锈蚀速率的特征值，得出R ct表征钢筋锈蚀速率的特征值，以评定混凝土中钢筋的锈蚀速率；在非破损方法中，本方法具有方便快捷，可靠性强，且施加的交流信号对腐蚀体系影响较小的优势。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1，成型若干个钢筋混凝土构件，对钢筋混凝土构件拆模、养护后进行海水暴露；
步骤2，采用线性极化电阻法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的极化电阻值；
步骤3，采用交流阻抗谱法对构件进行测试，获取不同暴露龄期钢筋的电荷转移电阻值；
步骤4，对获得的极化电阻值和电荷转移电阻值进行拟合分析，得出极化电阻值和电荷转移电阻值之间的关系，然后基于现有的极化电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值，获得电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值；
步骤5，以电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值测算结构完整的钢筋混凝土构件的钢筋锈蚀速率。
2.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，步骤1中，各个成型的钢筋混凝土构件中钢筋的规格、型号及初始状态保持一致，成型后的钢筋混凝土构件在温度为20℃、相对湿度为70%的环境下养护24 h后脱模，脱模后放入温度为20±3°C，相对湿度为90%的养护室继续养护28 d。
3.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，步骤1中，对钢筋混凝土构件进行海水暴露试验时，其浸泡介质为3.5%的NaCl溶液(以质量计)；暴露试验开始后对室内的温度、湿度及海水体积进行定期测定并及时调节，使其满足实际热带海洋环境要求，即室内温度25±2°C，相对湿度80%，海水浓度3.5%。
4.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，步骤2中，线性极化电阻法测试包括下述步骤：测试前8 h将待测构件浸泡在饱和Ca(OH)2溶液中，采用三电极体系，在室温条件下用电化学工作站对暴露0、28、90和180 d的构件进行线性极化电阻法测试；其中，电位扫描范围为相对于自腐蚀电位-10 mV ~ +10mV，扫描速度为0.1667 mV/s。
5.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，所述钢筋的极化电阻根据下式确定：
式中：ΔE为施加的极化电位值/mV；ΔI为极化前后相应的电流密度变化/μA·cm-2；R p为极化电阻/Ω·cm2。
6.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，步骤3中，交流阻抗谱法测试包括下述步骤：测试前8 h将待测构件浸泡在饱和Ca(OH)2溶液中，采用三电极体系，在室温条件下用电化学工作站对暴露0、28、90和180 d的构件进行交流阻抗谱法测试，其中，扫描频率为10 mHz ~ 100 kHz，阻抗测试信号为10 mV幅值的正弦波。
7.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，根据交流阻抗谱法测试得到的奈奎斯特曲线，通过ZSimpWin软件，并选择相应的最佳等效电路进行拟合，获得不同种类钢筋的电荷转移电阻值。
8.根据权利要求1所述的基于交流阻抗谱法表征混凝土中钢筋锈蚀速率的检测方法，其特征在于，利用电荷转移电阻表征钢筋锈蚀速率的特征值判断钢筋锈蚀速率的方法为：当电荷转移电阻在1.23-0.123 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率很高；当电荷转移电阻在12.3-1.23 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率高；当电荷转移电阻在123-1.23 kΩ·cm2范围时，判断钢筋锈蚀速率为中等或低；当电荷转移电阻大于＞123 kΩ·cm2范围时，判断此时钢筋未发生锈蚀。
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| JING JIANG等: "Effect of length of gas/liquid/solid three-phase boundary zone on cathodic and corrosion behavior of metals", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 * |
| 方志刚等: "《舰船防腐防漏工程》", 31 December 2017, 国防工业出版社 * |
| 王文蕊: "模拟海工环境中碱激发矿渣体系钢筋锈蚀性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109946356A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-06-28 | 大连海事大学 | 一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法 |
| CN109946356B (zh) * | 2019-04-19 | 2021-01-05 | 大连海事大学 | 一种高温、火灾后混凝土损伤定量评价方法 |
| CN110987786A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-10 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法 |
| CN110987786B (zh) * | 2019-12-26 | 2022-08-09 | 国网四川省电力公司电力科学研究院 | 电力互感器及其支撑架构的金属腐蚀状态判断方法 |
| WO2023216542A1 (zh) * | 2022-05-07 | 2023-11-16 | 苏州科技大学 | 一种电化学阻抗谱等效模拟电路选取方法及系统 |
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