预应力锚固结构腐蚀电化学模型可行性研究

张磊，李红霞，刘智俊



预应力锚固结构腐蚀电化学模型可行性研究

张磊1，李红霞1，刘智俊2

（1.海军工程大学，武汉 430033；2.长江科学院，武汉 430010）

目的探究自行设计研究锚固结构电化学模型的可行性。方法 针对通用电解池存在的缺点，自行设计电解池，模拟岩土工程中锚固结构综合受应力腐蚀和电化学腐蚀的环境，使锚固结构沉浸在1.0%NaCl溶液中进行腐蚀，并通过电化学方法进行检测，通过比较设计电解池与实验室电解池的测试结果，验证设计电解池的可行性。结果实验室模型和设计模型的实验结果相似性很高。结论所设计的电化学模型能够很好地研究锚固结构在综合因素作用下的腐蚀规律，装置是可行的。

锚固结构；电化学模型；电化学腐蚀；电解池

随着岩土工程中锚固结构腐蚀损伤造成的工程危害日益严重[1—4]，锚固结构的耐久性问题开始受到广泛关注[5—11]。目前国内普遍采用浸泡腐蚀试验研究锚固结构的腐蚀损伤规律[12—13]，但浸泡试验周期较长。根据相关文献报道，目前国外学者[15—17]正使用电化学方法研究锚固结构的腐蚀损伤规律，但传统的电解池不能给试样施加应力，不能探讨应力对腐蚀的影响。鉴于此，文中自行设计电化学实验装置模型来进行腐蚀规律的研究[18]，对此首先要证明模型的可行性。

1 设计思路

电化学检测方法的基础是合适的电解池，一般在含有电解液的容器中，采用三电极系统构成电流和电压的检测回路。工作电极：研究金属电极；对电极：与工作电极构成电流检测回路；参比电极：检测工作电极的电位变化。通过这样的设计，就可以将金属腐蚀的研究转化为电化学研究。

文中所研究的材料是锚固的钢筋，将其加工为工作电极，并且也要实现所要求的应力。参比电极在近中性的电解液中一般采用甘汞电极或者氯化银电极。对电极的要求就是本身性能稳定，常用的材料有石墨、铂金等，由于石墨材料产品较为丰富，故选择石墨类棒材进行研究。电解液采用模拟实际环境参数的盐水溶液，控制其盐含量、通氧量等因素。

通过跟踪检测电化学参数的变化，了解和掌握钢筋在介质中溶解腐蚀状况的变化。主要的方法为线性极化法和交流阻抗法，两种方法均对试样表面没有大的影响，有相关的复试参数指标，方便进行试样状态的跟踪和定量分析。

按照上述方法，首先自行设计和加工电解池，制作三电极系统，开展电化学检测，研究电解池构成、电化学检测方法、相关实验结果的相关性等一系列问题，分析所设计的电化学检测模型实验的可行性。

2 试验

2.1 设计电解池

为了加固高陡边坡工程，在设计工程时，要在钢筋上施加预应力。锚筋经历较长时间的运行后因化学腐蚀、应力腐蚀等综合因素发生结构损伤和失效。为研究预应力锚筋的应力腐蚀特性，自行设计实验装置，如图1所示，进行电化学腐蚀试验。装置的容器为PVC三接口塑料管，左右两端进行密封，中间贯穿一根棒状长待测试样，为以后施加应力提供条件。容器里放置一根无应力状态的短试样作为参照，并引入对电极（石墨电极）和参比电极(甘汞电极)，构成三电极体系，装置所有连接的地方，都进行密封处理。与实验室的三电极电解池（如图2所示）相比，设计的电解池装置可以在长试样上施加外力，使探究应力对腐蚀的影响成为可能；在装置中引入无应力加载的短试样作为对照，研究应力对试样腐蚀性的影响。同时与实验室传统三电极模型的试样状态对比，进一步比较设计模型的可行性和可信程度。

2.2 方法步骤

材料为光面钢筋和镀锌钢筋（含螺纹），分别截取不同长度，加工为棒状电极，一端焊接导线，两端均采用环氧密封。长钢筋长50 cm，直径为5 mm，各1根（光面钢筋1#、镀锌钢筋2#），模拟应力加载试样。短钢筋长20 cm，直径为5 mm，光面钢筋两根（3#，4#），镀锌钢筋3根（5#，6#，7#）作为未加载应力的对比试样。辅助电极为石墨电极，长30 cm，直径1 cm。参比电极为饱和甘汞电极。用240~800号砂纸打磨，丙酮去油后，吹干放在干燥器中备用，所有试样与导线连接处都用环氧树脂密封。

1）探究辅助电极的影响。为了确保对电极的均匀性，开展了对电极数量选择的对比研究。将3#试样放入实验室三电极电解池，引入甘汞参比电极和石墨辅助电极，加入1.0%的NaCl溶液，构成三电极体系。浸泡150 min后，改变辅助电极的根数（1根或2根），对3#试样进行EIS和线性极化的监测。

2）工作电极的平行性研究。由于电化学方法是间接反映试样的状态，因此需要对电化学检测方法中试样的平行性进行专门的研究，以确保电化学检测结果的可行性。将事先准备好的5#，6#，7#试样放入设计电解池中，分别引入甘汞参比电极和石墨辅助电极，加入1.0%的NaCl溶液，构成三电极体系。在不同时间内，分别对三根试样进行线性极化和交流阻抗的测量，观察实验结果的平行性。

3）探究设计电解池的可行性。在实验室初步实验研究的基础上，在实际的预应力锚固模型上安装了设计的电化学模型，开展相关电化学方法的跟踪检测。采用与实验室模型对比的方法，进一步考察设计模型的可行性和合理性。将1#和4#试样放入设计电解池中，加入1.0%的NaCl溶液，分别引入甘汞参比电极和石墨辅助电极，构成三电极体系。对4#试样进行线性极化和交流阻抗的监测，通过比较3#和4#试样的试验结果，验证装置的可行性。线性极化：试验采用cs310（科斯特）电化学工作站进行测量，工作电极为钢样，参比电极为甘汞电极，辅助电极为石墨电极，极化区间为-30～+30 mV，扫描速度为0.5 mV/s；交流阻抗：试验采用cs310（科斯特）电化学工作站进行测量，工作电极为钢样，参比电极为甘汞电极，辅助电极为石墨电极，测量的频率范围为100 kHz～0.1 Hz。

3 结果与分析

3.1 辅助电极的测试结果

图3、图4分别为试样在不同根数辅助电极下的线性极化曲线和交流阻抗曲线。根据交流阻抗曲线（见图4）为明显的单容抗弧，所以采用如图5所示的模型进行拟合，所得到结果见表2；表1为线性极化拟合的结果。

图4 交流阻抗测试结果

表1 极化曲线拟合结果

无论是从检测图形还是拟合参数（如线性极化曲线的稳定电位、腐蚀电流、极化电阻），还是EIS图谱等效电路拟合的溶液电阻和试样的阻抗，都可以看出，用1只和2只石墨电极作为辅助电极进行测试，得到的试验结果具有很好的重复性。说明辅助电极的面积对测试结果没有影响，即1只对电极就能够达到测试要求。

表2 阻抗拟合结果

3.2 工作电极的平行性测试结果

分别在20，130 h时进行了线性极化和交流阻抗检测，两种电化学方法的结果均出现良好的平行性，如图6和图7所示。

电位波动较小，三只钢样电位基本稳定在-1.01～-1.04 V，腐蚀电流密度在20 h内变化较小，130 h时的腐蚀电流密度有小幅降，三只电极测试结果重复性较好。

3.3 实验室装置与设计装置的测试结果对比

浸泡时间为7，15，35 d的线性极化曲线和交流阻抗检测结果如图8—10所示。

线性极化曲线表明，实际模型试样的稳定电位均比实验室模型稍低，腐蚀电流在同一个数量级，从7 d到35 d，稳定电位稍有下降，腐蚀电流有所下降。从交流阻抗图谱可以看出，无论是形状还是阻抗数值相同时所对应的时间，两者基本相同，而且阻抗曲线的弧形随时间延长接近圆形。这说明试样表面电化学状态越来越稳定，出现标准的阻抗电容并联电路。

4 结语

通过试验可以看到，在实验室电解池和设计电解池中得到的试验结果具有很好的重合性。表明设计电解池可行，使研究电化学、应力等多因素综合对腐蚀的影响成为可能。

[1] WATER P J. Corrosion of Prestressing Steels and Its Mitigation[J]. PCI Journal, 1992(5): 34—55.

[2] VEHOVR L, KUHAR V, VEHOVR A. Hydrogen-assisted Stress-corrosion of Prestressing Wires in a Motoway Viaduct[J]. Engineering Failure Analysis,1998, 5(1): 21—27.

[3] VALIENTE A. Stress Corrosion Failure of Large Diameter Pressure Pipelines of Prestressed Concrete[J]. Engineering Failure Analysis, 2001, 8(3): 245—261.

[4] SCHUPACK M. A Survey of the Durability Performance of Post-tensioning Tendons[J]. ACI Journal, 1978, 75(10): 501—510.

[5] 唐树名, 曾祥勇, 邓安福.预应力锚索群锚锚固边坡均质岩体的室内模型试验研究[J].中国公路学报, 2004, 17(3): 20—24.

[6] 冯君.顺层岩质边坡开挖稳定性及其支护措施研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.

[7] FIP State-of-Art Report: Corrosion and Corrosion Protection of Prestressed Ground Anchoranges[R]. London: Federation International de la Precontrainte, 1986.

[8] TORIBIO J. Hydrogen Embrittlement of Prestressing Steels: The Concept of Effective Stress in Design[J]. Materials & Design, 1997, 18: 81—85.

[9] SCHROEDER R M, MÜLLER I L. Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement Suscepti-bility of an Eutectoid Steel Employed in Prestressed Concrete[J]. Corrosion Science, 2003, 45: 1969—1983.

[10] PROVERBIO E, LONGO P. Failure Mechanisms of High Strength Steels in Bicarbonate Solutions under Anodic Polarization[J]. Corrosion Science, 2003, 45: 2017—2030.

[11] TORIBIO J, OVEJERO E. Microstructure-based Modeling of Hydrogen Assisted Cracking in Pear-litic Steels[J]. Materials Science and Engineering, 2001, A319—321: 540—543.

[12] 富民.氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应[D]. 北京: 中国矿业大学, 2008.

[13] NAKAKYAMA M, BEAUDOIN J J. A Novel Technique for Determining Bond Strength Developed between Cement Paste and Steel[J]. Cement and Concrete Research, 1987, 17(3): 478—488.

[14] RAHMAN M S, DIVI S, CHANDRA D, et al. Effect of Different Salts on the Corrosion Properties of Friction Type A607 Steel Rock Bolt in Simulated Concentrated Water[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(6): 665—673.

[15] DIVIS S, CHANDRA D, DAEMEN J. Corrosion Susceptibility of Potential Rock Bolts in Aerated Multi-ionic simulated Concentrated Water[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2011, 26(1): 124—129.

[16] DARMAWAN M S, STEWART M G. Spatial Time-dependent Reliability Analysis of Corroding Pretensioned Prestressed Concrete Bridge Girders[J]. Structural Safety, 2007, 29: 16—31.

[17] LI Fu-min, YUAN Ying-shu, WANG Bo, et al. Corrosion Characteristics of Prestressing Steel Strands in Concrete Corroded by Chloride Attack[C]// Proceeding of the 2nd International Workshop on Life Cycle Management of Coastal Concrete Structure. Yokohama: Port and Airport Research Institute, 2008: 95—98.

[18] 金涛, 何卫平, 廖圣智, 等. 2024-T62铝合金涂层外场腐蚀环境下电化学性能研究[J]. 装备环境工程, 2016, 13(1): 8—13.

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

国家自然科学基金项目（41272350，51309025）

张磊（1991—），男，河北任丘，硕士，主要研究方向为舰船腐蚀与防护。