高性能混凝土耐久性检测中电化学阻抗谱技术应用

摘要：以高性能混凝土耐久性检测新技术的应用为目的，结合某沿海地区跨海大桥建设工程实例，利用电化学阻抗谱技术（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS），分析阻抗谱图，从而表征混凝土的离子迁移情况及腐蚀状态，以验证此工程所用混凝土耐久性。结果显示，在该大桥主桥墩、连桥处应力集中位置，电荷转移电阻较低，存在被腐蚀风险，其内部电化学行为相对复杂，存在离子迁移情况，表示耐久性有待加强。针对此类问题，利用Abaqus有限元分析软件优化混凝土配合比，确定最佳硅灰掺量为7%、粉煤灰掺量为25%、水灰比为0.38、高效减水剂掺量为1.5%，并采取防腐涂层，以提高混凝土耐久性。由此可见，应用EIS技术及相关改进措施，能够有效提高混凝耐久性，保障大桥安全。

关键词：高性能混凝土耐久性检测电化学阻抗混凝土

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

随着沿海地区基础设施建设的不断发展，高性能混凝土在桥梁工程中的应用日益广泛。然而，盐雾、潮汐及风浪等恶劣环境对混凝土耐久性提出了巨大挑战。传统检测技术难以全面评估混凝土在复杂环境下的长期性能，导致结构安全隐患增加。电化学阻抗谱技术（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，EIS）作为一种先进的无损检测方法，通过分析混凝土内部电化学行为与离子迁移特性，提供精确的耐久性参数，具有重要的研究价值，基于此，研究针对案例工程中的混凝土性能展开全面检测，并提出针对性改进措施，以为相类似工程提供参考。

1工程概况

某工程项目位于我国沿海地区，为一座连接城市和离岸岛屿的跨海大桥，总长23.6km。大桥主体采用高性能混凝土，设计寿命为100年。桥梁结构包括主桥、引桥及辅助设施，由于所处海洋环境，桥梁长期受到盐雾、潮汐、风浪等恶劣条件的侵蚀，混凝土耐久性与结构安全面临严峻挑战。该项目中应用的混凝土材料95%以上为高性能混凝土，桥梁施工期间，设计人员指出部分潜在风险问题，主要为氯离子侵入导致钢筋锈蚀和温差引起的温度应力裂缝。基于此，此次研究需在设计初期基于EIS技术对混凝土耐久性进行检测。

2电化学阻抗谱技术理论

EIS技术是一种基于交流电信号测量电化学系统阻抗频率响应的方法。其基本原理是通过施加小幅度的交流电压，测量系统在不同频率下的阻抗，以获得系统的电化学特性。EIS技术通过分析阻抗谱图，可以有效表征混凝土内部的电化学行为、离子迁移特性、腐蚀状态。在EIS测试中，应用如下电化学阻抗公式：

式（1）中：表示阻抗；表示实部；表示虚部；表示角频率；表示虚数单位。

在高性能混凝土的检测中，通过Nyquist图（即实部对虚部的绘图）和Bode图（即频率对阻抗模值与相位角的绘图），分析混凝土电化学特性。Nyquist图中的半圆弧、直线部分分别对应电荷转移电阻和扩散阻抗，通过拟合这些数据，可以得到重要参数，如混凝土中氯离子的扩散系数D和传导率。具体可通过Nernst-Planck方程和Warburg阻抗的关系进行计算，如公式（2）所示：

式（2）中：R表示气体常数；T表示绝对温度；F表示法拉第常数；C表示氯离子浓度；表示Warburg系数。

针对此次工程中对高性能混凝土的检测，主要基于EIS技术理论，实时监测混凝土中氯离子的渗透情况，同时还可用于评估温差引起的温度应力裂缝对混凝土结构的影响，提供精确的电化学参数，支持设计人员优化混凝土配合比和施工工艺。

3电化学阻抗谱技术应用

3.1现场取样与准备

对大桥进行现场取样，每隔500m进行一次钻芯取样，使用金刚石钻取芯机配置直径100mm钻头，取样位置应覆盖桥梁主体结构及关键部位，如主桥墩、引桥连接处和易受应力集中的区域。取样完成后，将钻取的混凝土芯样小心取出，避免样品破损[1]。用干净的布或刷子清洁样品表面，去除灰尘和碎屑。使用精密切割机修整样品尺寸，确保样品端面平整且尺寸符合测试要求。对样品做好编号与标记，记录取样位置、取样时间和环境条件等信息，以便后续数据分析和对比。将处理好的样品存放至标准养护室，保持（20±2）℃、95%以上相对湿度。

3.2电化学阻抗谱测量步骤

在测试过程中，将混凝土样品表面进行清洁处理，并将预先制备好的电极膏均匀涂覆在样品表面，确保电极与混凝土表面紧密接触。采用三电极体系进行测试，具体操作如下。

首先，将参比电极（如饱和甘汞电极）固定在样品的一侧表面，这一电极用于提t6zvC/Hxoulx5j69NZqlFscpEpFKWkeEFBSsfddguwY=供稳定的参考电位。其次，将工作电极（如铂电极）安装在样品表面中央位置，工作电极负责响应电流的测量。最后，将辅助电极（如石墨电极）放置在样品的另一侧，并确保辅助电极浸入含有电解质溶液的槽中，以保证良好的电流通路。

完成电极的布置后，将电极连接到电化学工作站，设定测试参数，交流电压幅度设定为5mV，频率范围设定为从0.1Hz到1MHz。

3.3数据处理与结果分析

利用专业软件对EIS测试数据进行分析。通过拟合Nyquist图中的半圆和直线部分，计算出混凝土的电荷转移电阻和Warburg系数；再应用Nernst-Planck方程计算氯离子的扩散系数。将不同位置和时间点的检测数据进行比对，评估混凝土耐久性在不同环境条件下的变化。检测过程中，发现样品主要存在两种情况，分别为桥梁常规结构样品和应力集中区，结果如图1所示。

观察Nyquist图，应力集中位置为虚线k，半圆弧较小，实部和虚部变化范围较大，电荷转移电阻Rct较低，约为120Ω。非应力集中位置为实线k，半圆弧相对较大，实部与虚部的变化范围较小，电荷转移电阻较高，约为150Ω。这表明应力集中位置的混凝土内部结构较为松散，电荷更容易传递，而非应力集中位置的混凝土内部结构致密，电荷传递受阻[2]。

在应力集中位置，氯离子的扩散系数较高，约为1.5×10-12m2/s，而非应力集中位置为1.2×10-12m2/s。较高的扩散系数表明氯离子更容易渗透进入混凝土内部，增加了钢筋锈蚀的风险。这种差异可能与应力集中位置的混凝土孔隙结构不均匀、微裂缝较多有关，为氯离子提供了更多的渗透通道。而非应力集中位置的较低氯离子扩散系数则得益于其均质、稳定的孔隙结构，对氯离子的阻隔作用显著，可以降低钢筋锈蚀风险。通过比较不同区域的阻抗谱特征，可以准确地评估混凝土的抗渗性能和腐蚀风险，为耐久性分析提供数据支持。

3.4改进措施

3.4.1优化混凝土配合比

为增强大桥在应力集中位置的耐久性，减少侵蚀风险，可通过优化混凝土配合比的方式提高应力集中位置结构致密性与抗氯离子渗透能力。研究应用Abaqus有限元软件，根据大桥结构特点，建立应力集中位置的模型，并根据不同的矿物掺合料比例与水灰比，输入相应的材料参数，包括弹性模量、抗拉强度、抗压强度等[3]。最佳配合比参数如表1所示。根据此次工程高性能混凝土的检测与优化设计，可通过提高硅灰掺量与粉煤灰掺量的方式填补混凝土孔隙提高密实度与抗渗性，增强结构抗压强度与抗氯离子渗透能力。同时，控制水灰比，通过减少水灰比，能够降低混凝土孔隙率，但还需控制最低限，避免水灰比过低导致流动性不足，需增加一定量减水剂提高密实度[4]。通过改进混凝土配合比参数，能够进一步提高结构抗压强度与承载力，在重载和恶劣环境下保持结构的稳定和安全。

3.4.2防腐措施

由于沿海区域环境特殊性，大桥高性能混凝土建筑结构会受到氯离子侵蚀、潮汐作用引起的湿干交替与盐雾腐蚀风险，导致钢筋锈蚀、混凝土开裂，结构强度下降[5]。基于此，需对其进行一系列防腐防锈蚀措施。选用环氧树脂和聚氨酯涂料作为防腐材料，前者具有较强的附着力和耐化学腐蚀性能，后者具有较强的耐磨性与抗紫外线性能。具体操作如下：（1）对钢筋表面进行喷砂或抛丸处理，去除锈蚀和氧化皮，保证附着力；（2）涂覆一层厚度约为50μm环氧底漆，干燥时间为24h；（3）涂覆厚度约为100μm聚氨酯中间涂层，干燥时间为24h；（4）涂覆厚度约为50μm聚氨酯面漆，干燥时间为48h；（5）完成涂覆后，检查涂层的厚度均匀性，确保无气泡与脱落现象。

4结语

综上所述，传统检测方式在高性能混凝土耐久性检测方面存在一定局限性，而EIS技术通过精准的电化学参数分析，是目前新兴检测手段之一，能够有效提高检测效率，保障结果精度。未来，应不断完善技术应用过程，不断细化操作，深化对EIS技术应用的研究，实现高效、绿色环保目标。

参考文献

[1]陈平.高速公路高性能混凝土力学性能及耐久性试验检测研究[J].交通科技与管理，2024，5（12）：100-102.

[2]沈倍敏.高性能混凝土在复杂环境下的耐久性能研究[J].中国水泥，2024（6）：75-77.

[3]王浩.高性能混凝土在公路路面施工中的应用研究[J].运输经理世界，2024（14）：151-153.

[4]陈建康.超高性能混凝土（UHPC）力学性能研究进展[J].中国科学：物理学力学天文学，2024，54（5）：148-167.

[5]王会杰，李红卫，郝梅，等.超高性能混凝土研究与应用[J].工业建筑，2023，53（S1）：672-674.