混凝土结构钢筋腐蚀的电化学特征与监测传感器系统

论文摘要

本文对氯离子环境下混凝土中钢筋腐蚀的监测问题进行了研究,应用电化学方法揭示了混凝土中钢筋腐蚀的机理,给出了适合腐蚀监测实际工程应用方法,研制开发了五电极和全固态束流式两种腐蚀传感器,搭建了腐蚀监测系统,并在混凝土梁中进行了钢筋腐蚀监测实验。研究结果表明,所进行的一系列研究为实现钢筋腐蚀监/检测开辟了新的途径。首先,采用电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectrum, EIS）技术分别对不同温度、不同浓度NaCl溶液中内置Q235碳钢样品的混凝土试件的阻抗特性进行了研究。研究结果表明混凝土中钢筋腐蚀的EIS特性体现为三个方面:1)在Nyquist图的高频及中频段出现两段容抗弧。这说明除了钢筋/混凝土界面处体现的容抗特性以外,混凝土本身也存在一定的容抗特性。2)中频段的容抗弧发生一定程度压扁。这说明出现了体现弥散效应的常相位角元件（Constant Phase Element, CPE）项,弥散效应的产生是由于混凝土中钢筋/砂浆界面的粗糙性、孤立的反应区域以及混凝土本身异质特性决定的。3)低频段发生拖尾现象,说明腐蚀体系出现了Warburg阻抗。进一步分析发现低频段Nyquist图偏离了Warburg阻抗应体现的45°线,出现这一现象的原因有二:其一,钢筋/混凝土之间的粗糙界面导致扩散过程在一定程度上体现为球形电极扩散;其二,蚀点的存在使得Nyquist曲线在低频段呈现一定容抗特性。其次,基于电化学噪声（Electrochemical Noise,EN）技术,研究了0%及3.5%NaCl溶液中混凝土内钢筋点蚀特性。研究结果表明钝化态钢筋的EN信号体现为高频白噪声;而Cl-引起点蚀的电位噪声（Electrochemical Potential Noise,EPN）中存在较大的漂移,EPN及电流噪声（Electrochemical Current Noise,ECN）中出现了明显的暂态峰,两者都体现为暂态下降（升高）、缓慢恢复的特征。通过功率谱（Power Spectral Density,PSD）分析可知,EPN及ECN的PSD曲线中出现了典型的三段式分布。极限谱噪声阻Rf→0与EIS的研究结果比较可知,在信号趋势去除后Rf→0与EIS测得的阻抗模Z具有很好的一致性。考虑到工程中点腐蚀监测EN信号中存在较大的趋势,采用对时变系统分析具有诸多优点的Sym4小波对EN进行了分析,分析结果表明采用小波分析EN得到的信号能量分布曲线（Energy Distribution Plot,EDP）能够判断点蚀的发生,较PSD等对时变系统信号处理更具优势。第三,推导了混合电位控制下电极反应方程式,并分别对稳态及暂态的工程应用简化方法进行了研究。讨论了扩散作用及CPE项对暂态测量结果的影响。验证了时间常数比半电位法具有更大的优越性,在氧气匮乏湿度较大的环境下,能够准确判断钢筋的腐蚀状态。对不同浓度的NaCl溶液中内置Q235碳钢样品的砂浆试件在恒电流及恒电位激励下的充放电过程进行了测试,并对充电过程试验结果采用分段解析的方法进行了分析,验证了工程简化方法的准确性。第四,首先制备了腐蚀传感器的核心部件-全固态参比电极,并对所制备的参比电极进行了性能检测。检测结果表明所制备的参比电极长时电位稳定,不易受到混凝土内各种离子的干扰,具有良好的抗极化特性,温度响应系数为-0.48mv/℃～-5.2 mv/℃。其次,应用所制备的全固态参比电极研制、开发了五电极及全固态束流式腐蚀传感器,其中五电极腐蚀传感器能够进行常规电化学方法及EN测试;通过电场的有限元分析可知,全固态束流式腐蚀传感器能够较好地约束辅助电极的电力线分布,从而较准确地确定工作电极的面积,进而准确测定钢筋腐蚀速率。第五,应用所开发的传感器平台及工程测试方法对加速腐蚀后的钢筋混凝土梁的腐蚀状态进行了监测,并研究了不同腐蚀状态下梁基本力学性能的退化。监测的结果表明加速腐蚀完成后的混凝土内钢筋腐蚀的腐蚀电流密度icorr的量级为10+1μA/cm2,而钝化态梁内钢筋的腐蚀速率仅为10-1μA/cm2。EN的监测结果表明钢筋表面发生了严重的点蚀。梁的正截面承载力试验发现钢筋从未腐蚀到严重腐蚀过程中,梁的破坏形态从典型的适筋梁破坏逐渐转化成典型的少筋梁破坏。随着腐蚀程度的增加,梁的极限承载力下降、延性降低、刚度减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 腐蚀现状及重大危害
• 1.1.2 腐蚀监/检测的意义
• 1.2 腐蚀监/检测研究现状
• 1.2.1 化学方法
• 1.2.2 物理方法
• 1.2.3 无损检测技术
• 1.3 基于电化学原理的腐蚀监／检测研究现状
• 1.3.1 腐蚀的电化学本质
• 1.3.2 基于电化学原理的腐蚀监／检测研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 氯离子环境下混凝土中钢筋腐蚀阻抗特性
• 2.1 引言
• 2.2 电化学阻抗谱原理
• 2.3 实验
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 混凝土中钢筋腐蚀EIS 整体特征
• 2.4.2 阻抗谱的等效电路拟合
• 2.4.3 低频段阻抗特征
• 2.5 本章小结
• 第3章 氯离子环境下钢筋点蚀的电化学噪声特性
• 3.1 引言
• 3.2 电化学噪声分析方法
• 3.2.1 频域分析
• 3.2.2 小波分析
• 3.3 实验
• 3.4 结果及讨论
• 3.4.1 氯离子对混凝土中钢筋腐蚀EN 时域内的影响
• 3.4.2 EN 的PSD 分析
• 3.4.3 EN 的小波分析
• 3.4.4 EN 的产生机理
• 3.5 本章小结
• 第4章 钢筋腐蚀的电化学过程及其特征参数监测方法
• 4.1 引言
• 4.2 混合电位理论
• 4.3 腐蚀速率的稳态测量
• 4.3.1 线性极化法
• 4.3.2 弱极化法
• 4.4 腐蚀速率的暂态测量
• 4.4.1 RC 电路恒电流阶跃响应
• 4.4.2 RC 电路恒电位阶跃响应
• 4.4.3 CPE 及Warburg 阻抗对时域响应的影响
• 4.4.4 时域响应的分段求解
• 4.4.5 腐蚀状态的定性判断
• 4.5 实验
• 4.6 结果及讨论
• 4.6.1 恒电流阶跃
• 4.6.2 恒电位阶跃
• 4.7 本章小结
• 第5章 钢筋腐蚀监测传感器的研制与性能测试
• 5.1 引言
• 5.2 全固态参比电极的制备及性能检测
• 5.2.1 全固态参比电极的制备
• 5.2.2 全固态参比电极的性能检测
• 5.3 五电极腐蚀传感器
• 5.4 全固态束流式腐蚀传感器
• 5.4.1 全固态束流式腐蚀传感器束流效果有限元分析
• 5.4.2 全固态束流式腐蚀传感器的制备
• 5.5 本章小结
• 第6章 混凝土梁的钢筋腐蚀监测及承载力退化
• 6.1 引言
• 6.2 混凝土梁的制备及腐蚀监测系统
• 6.3 混凝土中钢筋腐蚀的监测
• 6.3.1 半电位监测结果
• 6.3.2 稳态测试结果
• 6.3.3 暂态测试结果
• 6.3.4 EN 监测结果
• 6.4 梁的正截面承载力试验结果及承载力退化分析
• 6.4.1 梁的正截面承载力试验结果
• 6.4.2 梁的正截面承载力退化分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历