摘要：以高性能混凝土耐久性檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用為目的，結(jié)合某沿海地區(qū)跨海大橋建設(shè)工程實(shí)例，利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)（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(tài)，以驗(yàn)證此工程所用混凝土耐久性。結(jié)果顯示，在該大橋主橋墩、連橋處應(yīng)力集中位置，電荷轉(zhuǎn)移電阻較低，存在被腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，其內(nèi)部電化學(xué)行為相對(duì)復(fù)雜，存在離子遷移情況，表示耐久性有待加強(qiáng)。針對(duì)此類問題，利用Abaqus有限元分析軟件優(yōu)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(yīng)用EIS技術(shù)及相關(guān)改進(jìn)措施，能夠有效提高混凝耐久性，保障大橋安全。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土耐久性檢測(cè)電化學(xué)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(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用日益廣泛。然而，鹽霧、潮汐及風(fēng)浪等惡劣環(huán)境對(duì)混凝土耐久性提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以全面評(píng)估混凝土在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全隱患增加。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）作為一種先進(jìn)的無損檢測(cè)方法，通過分析混凝土內(nèi)部電化學(xué)行為與離子遷移特性，提供精確的耐久性參數(shù)，具有重要的研究?jī)r(jià)值，基于此，研究針對(duì)案例工程中的混凝土性能展開全面檢測(cè)，并提出針對(duì)性改進(jìn)措施，以為相類似工程提供參考。

1工程概況

某工程項(xiàng)目位于我國(guó)沿海地區(qū)，為一座連接城市和離岸島嶼的跨海大橋，總長(zhǎng)23.6km。大橋主體采用高性能混凝土，設(shè)計(jì)壽命為100年。橋梁結(jié)構(gòu)包括主橋、引橋及輔助設(shè)施，由于所處海洋環(huán)境，橋梁長(zhǎng)期受到鹽霧、潮汐、風(fēng)浪等惡劣條件的侵蝕，混凝土耐久性與結(jié)構(gòu)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目中應(yīng)用的混凝土材料95%以上為高性能混凝土，橋梁施工期間，設(shè)計(jì)人員指出部分潛在風(fēng)險(xiǎn)問題，主要為氯離子侵入導(dǎo)致鋼筋銹蝕和溫差引起的溫度應(yīng)力裂縫?；诖?，此次研究需在設(shè)計(jì)初期基于EIS技術(shù)對(duì)混凝土耐久性進(jìn)行檢測(cè)。

2電化學(xué)阻抗譜技術(shù)理論

EIS技術(shù)是一種基于交流電信號(hào)測(cè)量電化學(xué)系統(tǒng)阻抗頻率響應(yīng)的方法。其基本原理是通過施加小幅度的交流電壓，測(cè)量系統(tǒng)在不同頻率下的阻抗，以獲得系統(tǒng)的電化學(xué)特性。EIS技術(shù)通過分析阻抗譜圖，可以有效表征混凝土內(nèi)部的電化學(xué)行為、離子遷移特性、腐蝕狀態(tài)。在EIS測(cè)試中，應(yīng)用如下電化學(xué)阻抗公式：

式（1）中：表示阻抗；表示實(shí)部；表示虛部；表示角頻率；表示虛數(shù)單位。

在高性能混凝土的檢測(cè)中，通過Nyquist圖（即實(shí)部對(duì)虛部的繪圖）和Bode圖（即頻率對(duì)阻抗模值與相位角的繪圖），分析混凝土電化學(xué)特性。Nyquist圖中的半圓弧、直線部分分別對(duì)應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散阻抗，通過擬合這些數(shù)據(jù)，可以得到重要參數(shù)，如混凝土中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)D和傳導(dǎo)率。具體可通過Nernst-Planck方程和Warburg阻抗的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，如公式（2）所示：

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

針對(duì)此次工程中對(duì)高性能混凝土的檢測(cè)，主要基于EIS技術(shù)理論，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土中氯離子的滲透情況，同時(shí)還可用于評(píng)估溫差引起的溫度應(yīng)力裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，提供精確的電化學(xué)參數(shù)，支持設(shè)計(jì)人員優(yōu)化混凝土配合比和施工工藝。

3電化學(xué)阻抗譜技術(shù)應(yīng)用

3.1現(xiàn)場(chǎng)取樣與準(zhǔn)備

對(duì)大橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，每隔500m進(jìn)行一次鉆芯取樣，使用金剛石鉆取芯機(jī)配置直徑100mm鉆頭，取樣位置應(yīng)覆蓋橋梁主體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部位，如主橋墩、引橋連接處和易受應(yīng)力集中的區(qū)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(jī)修整樣品尺寸，確保樣品端面平整且尺寸符合測(cè)試要求。對(duì)樣品做好編號(hào)與標(biāo)記，記錄取樣位置、取樣時(shí)間和環(huán)境條件等信息，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析和對(duì)比。將處理好的樣品存放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，保持（20±2）℃、95%以上相對(duì)濕度。

3.2電化學(xué)阻抗譜測(cè)量步驟

在測(cè)試過程中，將混凝土樣品表面進(jìn)行清潔處理，并將預(yù)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(jìn)行測(cè)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(cè)表面，這一電極用于提t6zvC/Hxoulx5j69NZqlFscpEpFKWkeEFBSsfddguwY=供穩(wěn)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(fù)責(zé)響應(yīng)電流的測(cè)量。最后，將輔助電極（如石墨電極）放置在樣品的另一側(cè)，并確保輔助電極浸入含有電解質(zhì)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(xué)工作站，設(shè)定測(cè)試參數(shù)，交流電壓幅度設(shè)定為5mV，頻率范圍設(shè)定為從0.1Hz到1MHz。

3.3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

利用專業(yè)軟件對(duì)EIS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過擬合Nyquist圖中的半圓和直線部分，計(jì)算出混凝土的電荷轉(zhuǎn)移電阻和Warburg系數(shù)；再應(yīng)用Nernst-Planck方程計(jì)算氯離子的擴(kuò)散系數(shù)。將不同位置和時(shí)間點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估混凝土耐久性在不同環(huán)境條件下的變化。檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)樣品主要存在兩種情況，分別為橋梁常規(guī)結(jié)構(gòu)樣品和應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)果如圖1所示。

觀察Nyquist圖，應(yīng)力集中位置為虛線k，半圓弧較小，實(shí)部和虛部變化范圍較大，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct較低，約為120Ω。非應(yīng)力集中位置為實(shí)線k，半圓弧相對(duì)較大，實(shí)部與虛部的變化范圍較小，電荷轉(zhuǎn)移電阻較高，約為150Ω。這表明應(yīng)力集中位置的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，電荷更容易傳遞，而非應(yīng)力集中位置的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，電荷傳遞受阻[2]。

在應(yīng)力集中位置，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)較高，約為1.5×10-12m2/s，而非應(yīng)力集中位置為1.2×10-12m2/s。較高的擴(kuò)散系數(shù)表明氯離子更容易滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，增加了鋼筋銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)。這種差異可能與應(yīng)力集中位置的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)不均勻、微裂縫較多有關(guān)，為氯離子提供了更多的滲透通道。而非應(yīng)力集中位置的較低氯離子擴(kuò)散系數(shù)則得益于其均質(zhì)、穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)氯離子的阻隔作用顯著，可以降低鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。通過比較不同區(qū)域的阻抗譜特征，可以準(zhǔn)確地評(píng)估混凝土的抗?jié)B性能和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，為耐久性分析提供數(shù)據(jù)支持。

3.4改進(jìn)措施

3.4.1優(yōu)化混凝土配合比

為增強(qiáng)大橋在應(yīng)力集中位置的耐久性，減少侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，可通過優(yōu)化混凝土配合比的方式提高應(yīng)力集中位置結(jié)構(gòu)致密性與抗氯離子滲透能力。研究應(yīng)用Abaqus有限元軟件，根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立應(yīng)力集中位置的模型，并根據(jù)不同的礦物摻合料比例與水灰比，輸入相應(yīng)的材料參數(shù)，包括彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等[3]。最佳配合比參數(shù)如表1所示。根據(jù)此次工程高性能混凝土的檢測(cè)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可通過提高硅灰摻量與粉煤灰摻量的方式填補(bǔ)混凝土孔隙提高密實(shí)度與抗?jié)B性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度與抗氯離子滲透能力。同時(shí)，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(dǎo)致流動(dòng)性不足，需增加一定量減水劑提高密實(shí)度[4]。通過改進(jìn)混凝土配合比參數(shù)，能夠進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度與承載力，在重載和惡劣環(huán)境下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

3.4.2防腐措施

由于沿海區(qū)域環(huán)境特殊性，大橋高性能混凝土建筑結(jié)構(gòu)會(huì)受到氯離子侵蝕、潮汐作用引起的濕干交替與鹽霧腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致鋼筋銹蝕、混凝土開裂，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降[5]?；诖?，需對(duì)其進(jìn)行一系列防腐防銹蝕措施。選用環(huán)氧樹脂和聚氨酯涂料作為防腐材料，前者具有較強(qiáng)的附著力和耐化學(xué)腐蝕性能，后者具有較強(qiáng)的耐磨性與抗紫外線性能。具體操作如下：（1）對(duì)鋼筋表面進(jìn)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(huán)氧底漆，干燥時(shí)間為24h；（3）涂覆厚度約為100μm聚氨酯中間涂層，干燥時(shí)間為24h；（4）涂覆厚度約為50μm聚氨酯面漆，干燥時(shí)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(xiàn)象。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，傳統(tǒng)檢測(cè)方式在高性能混凝土耐久性檢測(cè)方面存在一定局限性，而EIS技術(shù)通過精準(zhǔn)的電化學(xué)參數(shù)分析，是目前新興檢測(cè)手段之一，能夠有效提高檢測(cè)效率，保障結(jié)果精度。未來，應(yīng)不斷完善技術(shù)應(yīng)用過程，不斷細(xì)化操作，深化對(duì)EIS技術(shù)應(yīng)用的研究，實(shí)現(xiàn)高效、綠色環(huán)保目標(biāo)。

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