复杂环境中土层锚杆表面锈蚀的电化学特征

胡江春， 徐晓晨， 申 号， 杨成林， 郭福伟

(中原工学院， 郑州 450007)

复杂环境中土层锚杆表面锈蚀的电化学特征

胡江春， 徐晓晨， 申 号， 杨成林， 郭福伟

(中原工学院， 郑州 450007)

锚杆锈蚀直接影响岩土工程的长期稳定性，检测判断锚杆表面锈蚀情况对评估岩土工程稳定性有一定的参考价值。本文采用自主设计的室内电化学检测系统对锚杆表面锈蚀过程进行检测。研究了锚杆表面锈蚀过程中的电化学交流阻抗谱的变化，分析了锚杆在不同土体环境、不同频段中的总阻抗均值的变化规律。实验结果表明：随着实验时间的延续，酸性土体环境中锚杆的总阻抗呈现持续增长的趋势，锚杆表面发生锈蚀较快；碱性土体环境中锚杆的总阻抗增长平缓；相较于前两种环境，中性土体环境中，锚杆表面锈蚀起始时间较晚。因此,电化学阻抗对锚杆表面锈蚀状况反应敏感，电化学阻抗谱法可以作为一种判断锚杆表面锈蚀情况的检测手段。

锚杆；复杂环境；电化学阻抗谱

许多铁路隧道、桥墩涵洞、电站地下厂房、岩土高边坡、港口岸坡、国防人防坑道等工程，大量地使用锚杆进行支护，合理的支护方式以及支护的寿命与相应工程的安全性息息相关[1]。锚杆加固作为既经济又有效的加固方式之一普遍用于岩土工程中。锚杆一旦出现问题，会使工程毁于一旦，可视为工程中的“定时炸弹”[2]。

影响工程结构或结构构件使用期限的3个主要因素为锈蚀、疲劳和磨损。对锚杆来说，最主要的因素是锈蚀[3]。

目前，锚杆锈蚀检测手段大体分为分析法和物理法。前者通过综合考虑锚杆所处环境情况和实测锚杆直径等数据来推断锚杆的锈蚀程度，后者主要通过测定锚杆引起的电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来确定锚杆的锈蚀情况。但考虑到实际工程适用性、检测成本、检测方法便捷性等诸多因素，上述方法还存在不足[4-5]。

本文采用交流阻抗谱法，结合电化学知识对锚杆表面锈蚀情况进行检测，分析锚杆电化学阻抗谱特征参数,并对锚杆表面锈蚀过程进行研究，探索利用电化学知识检测锚杆表层锈蚀情况的方法，把电化学方法引入锚杆表面锈蚀的研究和检测中，为锚杆表面锈蚀检测提供新思路、新方法。

1 实验设计

实验采用自主设计的室内电化学检测系统，通过复杂土体环境模拟装置与电化学检测装置的结合，对土体中锚杆(即钢筋)进行检测。实验步骤如下：

(1)配置800 mL浓度为0.25 mL/L的盐酸溶液和800 mL浓度为0.25 mL/L的氢氧化钠溶液,并准备800 mL的蒸馏水进行对比。分别将3种溶液均匀与自然土壤混合，模拟工程现场复杂土壤环境。

(2)在实验盒中放入一定量配置好的土壤，在土壤中放置2根两端已贴有电极的钢筋，分别记为锚杆1和锚杆2。

(3)将实验装置与电化学工作站进行连接，对实验钢筋电化学信号进行监测与记录。

2 结果与分析

分别选取相同土壤环境不同频段和不同土壤环境相同频段的总阻抗均值以及实验持续数天后阻抗实部、阻抗虚部和相位角等数据，并对其进行相互组合，进而分析钢筋表面的状况。

2.1 相同环境中不同频段总阻抗的均值变化

如图1所示，在酸性环境中，钢筋总阻抗在各频段随时间延长逐渐增大。在低频段，总阻抗增幅较大；在中高频段，总阻抗增加缓慢。

图1 酸性环境中不同频段总阻抗均值变化图

如图2所示，在碱性环境中，钢筋总阻抗在中高频段的前期呈现缓慢增长，后期增幅趋于稳定。在低频段，前3 d钢筋总阻抗出现陡增趋势，4 d后略微下降，在8～10 d降幅稳定。在碱性环境中，随着电信号频率的增大，钢筋总阻抗呈现出减小趋势。

如图3所示，在中性环境中，在不同频段，钢筋总阻抗出现降低与增加交替的现象，低频段变化大于中频段变化，中频段变化大于高频段变化。在中性环境中，钢筋总阻抗呈现出缓慢增长趋势。

图2 碱性环境中不同频段总阻抗均值变化图

图3 中性环境中不同频段总阻抗均值变化图

2.2 不同环境中相同频段总阻抗的均值变化

如图4所示，在低频段，酸性环境中钢筋总阻抗均值随时间变化最大，在碱性和中性环境中钢筋总阻抗均值趋于平稳。在1～4 d内，碱性环境中的钢筋总阻抗均值明显大于酸性和中性。

如图5与图6所示，在中频与高频段，前期钢筋总阻抗均值的变化趋势是中性>碱性>酸性。随着时间的延长，酸性环境中的钢筋总阻抗呈现出大于碱性环境的趋势。

图5 不同环境中中频段总阻抗均值变化图

图6 不同环境中高频段总阻抗均值变化图

2.3 电化学阻抗谱分析

实验持续时间为10 d。根据第10 d测得的实验数据，得出不同土壤环境中钢筋的Nyquist图，如图7所示。随着时间的变化，Nyquist曲线的曲率逐渐减小，整体呈现出上升的趋势，曲线变得伸展。

图7 不同环境中钢筋的Nyquist图

对图7中A区进行放大处理得到图8。从图8可以看出，3种不同土壤环境中均出现了容抗弧。对比不同土壤环境中钢筋的Bode图(图9)，发现同一现象。起初，容抗弧的直径较小，随着时间的延长，容抗弧直径增大，在低频段图像有向“直线”发展的趋势。结合类似研究可知，直线容抗弧的出现表明电阻在逐渐增大[6-8]。通过观察土壤中钢筋表面的变化，可发现钢筋表面出现部分锈蚀。由此可知，在此时间段，钢筋开始锈蚀。由图6可以看出，钢筋表面发生变化的时间，碱性早于酸性，酸性早于中性。结合图7所示Nyquist曲线发展整体趋势可以得出，酸性环境中，钢筋表面锈蚀呈现持续状态；碱性环境中，钢筋起初产生反应，随后钢筋表面生成钝化膜，曲线曲率略微增大；中性环境中，相较前两种环境，钢筋锈蚀反应起始较慢，但土壤原本含有物质的复杂性对钢筋也产生不同程度的影响。

图8 不同环境中钢筋的Nyquist图的高频弧示意图

图9 不同环境中钢筋的Bode图

3 结 语

通过分析3种不同土壤环境中钢筋总阻抗的变化可以发现，在不同频率电信号条件下，随着电信号频率的增大，钢筋总阻抗呈现显著减小趋势。通过分析不同土壤环境中钢筋的Nyquist图和Bode图，可发现，随着时间的推移，对钢筋表面锈蚀影响最大的是酸性土壤环境；通过对电化学阻抗谱的分析，可以判断钢筋锈蚀的起始时间以及钢筋表面锈蚀情况。

实验采取室内实验，做到实时检测，实验效果较好。并且，该方法可成功运用到实际工程中。当然，此方案、方法还有待改进，也是今后研究的重点。

[1] 郭乃胜,刘克文,胡江春，等.膨胀土地区基坑支护的控制方案及险情处理方法[J].中原工学院学报,2015,26(4):88-91.

[2] 曾宪明,雷志梁,张文巾,等.关于锚杆“定时炸弹问题”的讨论[J].岩土力学与工程学, 2002,21(1)：143-147.

[3] 杜彧.锚杆的锈蚀与防护[J].冶金矿山设计与建设,2001,33(3):13-17.

[4] 龚晨辉.基于红外感应加热的混凝钢筋锈蚀检测研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[5] 胡江春.岩土电化学的理论及试验研究[M].北京：煤炭工业出版社，2013:1-11.

[6] 许晨，李志远，金伟良.混凝土中钢筋锈蚀的电化学阻抗谱特征研究[J].防腐科学与防护技术，2011,23(5):393-399.

[7] 夏天.不同腐蚀环境下混凝土中钢筋锈蚀速率电化学模型研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[8] 许晨.混凝土结构钢筋锈蚀电化学表征与相关检/监测技术[D].杭州：浙江大学，2012.

(责任编辑：陆俊杰)

Electrochemical Characteristics of Anchors’ Surface Corrosion in Complex Environment

HU Jiang-chun, XU Xiao-chen, SHEN Hao, YANG Cheng-lin, GUO Fu-wei

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

As is know to all, the corrosion of anchors directly affects the long-term stability of rock and soil engineering. Therefore, the detection and judgement of the surface corrosion can be consult for evaluating the stability of geotechnical engineering. In this paper, the corrosion process of anchor surface is tested by using the indoor electrochemical detection system with independent design. During the process of corrosion, the changes of electrochemical impedance spectroscopy are studied. And in different soil environment and different frequency bands ,the change rules of the mean value of total impedance are analyzed. According to the tests, the total impedance of the anchors shows a trend of continuous growth in the acidic environment, besides, its surface corrodes faster with the extension of experimental time; In an alkaline environment, the total impedance increases slowly. Compared with the above, its corrosion starts lately in the neutral soil. From the tests which have been done, it is not difficult to find that the electrochemical impedance is sensitive to the corrosion of anchors, and this method can be used to determine the corrosion of anchors’ surface.

anchor; complex environment; electrochemical impedance spectra

2016-09-02

国家自然科学基金项目(51074196；51574296)；河南理工大学深部矿井建设省重点学科开放实验室开放基金项目(2014KF-03)

胡江春(1971-)，男，河南灵宝人，副教授，博士，主要研究方向为岩土工程。

胡江春：博士，副教授，硕士生导师，中原工学院青年拔尖人才，获省级和校级青年骨干教师计划资助。中国岩石力学与工程学会软岩工程与深部灾害控制分会常务理事，国家自然科学基金委评审专家。曾在国有矿山从事设计、施工和技术管理工作5年。2006年起在中原工学院建筑工程学院工作，主要研究方向为岩土力学与地下工程、地质灾害防治、岩土体基本性质。发表学术论文50余篇，被SCI、EI、ISTP收录17篇；获得国家专利授权7项；出版教材2部，著作2部；主持、参与完成省部级以上科研项目16项，其中国家自然科学基金项目2项、国家重点实验室开放基金和河南省科技攻关项目各1项，获厅级以上科技奖励7项。

1671-6906(2016)06-0006-04

O646.6

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.002