基于双极性电化学阻抗谱的缓蚀剂处理实验室钢绞线界面极化电阻表征与腐蚀监测

《Electrochimica Acta》：Bipolar electrochemical impedance spectroscopy for interfacial polarization resistance characterization and corrosion monitoring of inhibitor-treated laboratory tendons

　　

•开发了一个将表观极化电阻与本征极化电阻联系起来的框架。•使用双极性电化学阻抗谱（BPEIS）无需接触即可监测腐蚀和缓蚀剂性能。•BPEIS结果表明，对灌浆料电阻率误差的敏感度仅中等。•本征极化电阻与观察到的腐蚀损伤具有良好的相关性。引言双极性或非接触电化学阻抗谱（BPEIS）已被探索作为钢筋混凝土基础设施的潜在腐蚀评估方法[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，并用于表征纤维增强混凝土中纤维的分布和对齐情况[6]。双极性电化学是一种非接触方法，在其中由两个馈电电极诱导的电场内的导电材料被间接极化，同时保持电荷中性，使得导电材料形成两个极，一个正极作为阳极，另一个负极作为阴极[7]，[8]，[9]，[10]。如果在馈电电极之间施加交流电场，则极会在与感应场方向对应的阳极和阴极极端之间交替波动。在这样的极化条件下，提供了评估馈电电极之间电化学阻抗的机会。测量的阻抗包括馈电电极的界面阻抗、导电材料界面阻抗以及导体本身的阻抗，后者可假设为可忽略不计[11]，[12]，[13]，[14]。通过使用两个参比电极来测量与馈电电极分开的振荡电位差，可以部分消除馈电电极的界面阻抗，从而获得反映参比电极之间电解质阻抗和导电材料界面阻抗的阻抗。对钢筋混凝土构件的BPEIS测量通常使用放置在钢筋上方混凝土表面的4个电极阵列进行。已探索了许多电极构型，但通常反映土壤电阻率评估中使用的方法[15]，[16]。在馈电电极之间施加正弦电位扰动，产生的电流扩散到混凝土中，其中一部分极化钢材。通过钢材的电流与通过混凝土的电流之比取决于混凝土保护层厚度、混凝土电阻率、电极间距、钢材的界面阻抗和测量频率[3]，[17]，[18]，[19]。挑战在于从测量的阻抗中提取钢材界面阻抗，该阻抗包含混凝土阻抗的贡献，并且受电极布置导致的极不均匀电流分布的影响。作为EIS的替代方法，分析了恒电流脉冲响应，采用相同或类似的电极构型，存在相同的挑战[17]，[20]，[21]，[22]。为了识别测量中的各项贡献，有限元模拟表明，测量的阻抗可以描述为一个并联网络，包括局部阻抗元件、与通过混凝土的电流路径相关的欧姆阻抗以及钢筋阻抗[3]，[4]。局部阻抗项考虑了从馈电电极到钢筋表面特定位置的电流路径。它们由代表混凝土的局部欧姆阻抗和局部界面阻抗的串联组合组成。局部欧姆阻抗项是频率相关的，这是由于电极构型和试样几何形状强加的极不均匀电流分布，即使不考虑混凝土的介电特性也是如此。将局部阻抗分量（表示为局部电导）在钢筋表面进行积分，得到由全局串联欧姆阻抗与全局界面阻抗串联组成的串联路径和并联路径复杂欧姆阻抗组成的三元件电路。因此，提取钢材界面阻抗需要了解串联和并联路径中频率相关的欧姆贡献及其对试样几何形状的依赖关系[23]。然而，认识到复杂欧姆阻抗贡献在高频和低频极限下简化为纯电阻元件[24]，在假设界面阻抗均匀的情况下，应该可以将测量的极化电阻与本征极化电阻联系起来。这样做时，合适的电路模型应包括与极化电阻串联的欧姆电阻以及并联放置在这些元件上的另一个欧姆电阻，这与[25]中提出的电路略有不同。然而，如果不了解每个欧姆电阻如何受电阻率和本征极化电阻的影响，此类电路模型并不特别有用。或者，Keddam等人证明，对于给定的几何形状，可以在测量的表观极化电阻和真实的本征极化电阻之间建立关系，前提是界面阻抗在空间上是均匀的[1]，[26]。他们表明，这种关系取决于钢筋上的混凝土保护层深度。尽管如此，对于固定的试样几何形状和电极构型，混凝土电阻率的影响可以通过用电阻率对两个量进行归一化来加以考虑。本征极化电阻与电阻率的比值，$R_{p}^{0}/\rho$，类似于Wagner数，它比较常规电化学电池中的电荷转移电阻和欧姆电阻，常用于根据所需的电流分布优化电池设计[10]，[27]。在双极性电化学中，$R_{p}^{0}/\rho$同样反映了电流在双极性电极和周围电解质之间的分配。$R_{p}^{0}/\rho$值较大表明电流更容易通过电解质而非嵌入式导体流动，促进从电流注入电极更大的电流扩散，从而产生更大的有效极化钢材面积。尽管如此，在$R_{p}^{0}/\rho$值的实际范围内，所考虑的几何形状在双对数刻度上显示出线性关系，这表明可以使用明确的表达式从表观极化电阻$R_{p,app}$估算本征极化电阻$R_{p}^{0}$，前提是已知混凝土电阻率。尽管这一框架前景广阔，但该方法的准确性和实际实施尚未进行系统评估。假设使用恒电流方法测量的极化电阻与从BPEIS获得的极化电阻一致，则该关系应适用于两种技术。本研究的总体目标是开发并验证一个BPEIS解释框架，提供本征极化电阻和电解质介质电阻率的合理估计。提出了一种数学表达式，考虑了串联和并联欧姆项对整体测量的贡献，能够从测量的表观值恢复本征极化电阻。该模型应用于钢绞线增强灌浆料圆柱体的测量，设计为代表后张桥拉筋的截面，用于评估浸渍缓蚀剂的有效性。在缓蚀剂浸渍前后进行BPEIS测量，以估计欧姆电阻和极化电阻作为暴露时间的函数。从选定的试样中提取的钢绞线进行了腐蚀损伤的定性评估。然后将观察到的腐蚀严重程度与BPEIS衍生的参数进行比较，以评估所提出的解释方法在评估缓蚀剂性能方面的实用性。章节摘要表观与本征极化电阻之间的理论关系开发了一个模型来模拟具有代表性拉筋几何形状的BPEIS。该模型用于建立欧姆电阻与灌浆料电阻率之间的关系以及表观极化电阻与本征值之间的关系，假设腐蚀均匀且灌浆料电阻率均匀。探索了钢筋几何形状对欧姆电阻-电阻率关系的影响。实验方法浇注了具有束状钢绞线的模拟拉筋，以测试BPEIS区分浸渍进入其中的缓蚀液性能的能力。拉筋在氯盐污染灌浆料中浇注以引发腐蚀，随后通过水浸渍加速该过程。然后施加缓蚀液，使用双极性电化学阻抗谱监测腐蚀活动随时间的变化。结果提供了每种暴露情况的BPEIS测量结果，并使用模型推导的表达式将测量的欧姆和极化电阻与电阻率和本征极化电阻联系起来。使用表面轮廓法量化的腐蚀损伤用于表明BPEIS准确评估所施加缓蚀剂腐蚀抑制能力的能力。讨论结果表明，BPEIS能够检测具有明确几何形状的增强水泥基系统中腐蚀活动的变化，并能区分未处理和经缓蚀剂处理的试样。本研究开发的方法提供了在假设腐蚀均匀的情况下将BPEIS测量的表观极化电阻与本征极化电阻联系起来的框架。尽管如此，仍然存在几个不确定来源。结论本研究开发并评估了一个解释双极性电化学阻抗谱（BPEIS）测量的框架，将测量的欧姆电阻和表观极化电阻与灌浆料电阻率和钢筋的本征极化电阻联系起来。该框架基于系统内部的电流分布，从而产生对测量阻抗的串联和并联欧姆贡献。有限元模拟CRediT作者贡献声明Stanley C. Agbakansi：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，方法论，调查研究，数据整理。Christopher L. Alexander：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。利益冲突声明作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Christopher L. Alexander报告获得了佛罗里达州交通部提供的财务支持。Christopher L. Alexander拥有专利权号US9829452B2，授予佛罗里达大学研究基金会。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响他们客观性的竞争性财务利益或个人关系。致谢作者感谢佛罗里达州交通部提供的财务支持（合同号BED25-977-06，技术监控人Ronald Simmons）。本文的观点和发现是作者的观点和发现，不一定代表资助机构的观点。作者还感谢Justin Silnutzer对本研究早期阶段的贡献以及在后续项目人员培训方面的协助。Stanley C. Agbakansi | Christopher L. Alexander