【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于腐蚀科学与防护，特别涉及一种钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法。
技术介绍
1、混凝土结构中钢筋腐蚀的破坏是混凝土保护层覆盖下钢筋的电化学腐蚀，与一般的钢结构腐蚀和混凝土的化学腐蚀和冻害不同，也就是说在发生顺筋开裂以前，环境介质(氯离子、二氧化碳、水和氧气)是通过保护层混凝土而侵入的，因此，扩散传质过程对研究混凝土钢筋锈蚀是关键。在钢筋锈蚀发生以后，特别是水下或高强混凝土结构的腐蚀受氧气传质扩散的影响极其显著，此时钢筋的腐蚀速度大都是由扩散传质过程来控制的。因此，研究分析扩散传质对其腐蚀电极反应动力学以及腐蚀状况评价的影响具有重要意义。
2、一般情况下，电极过程动力学对钢筋锈蚀电化学过程起着支配作用，其电极过程主要由扩散传质、电荷转移传递过程以及表面吸附/脱附等多因素的影响，而且电流-电势关系是表征电极反应动力学的基本途径。当钢筋腐蚀反应受活化控制时，即局部阴、阳极反应均为电荷传递控制且扩散传质可以忽略时，并在特定的电极条件下，可以推导得出测量的电流值i与外加的过电位δe之间的关系公式，即钢筋锈蚀体系的二参数方程式或三参数方程式如下：
3、或
4、上式被称为腐蚀钢筋电极的一般速度方程式，是大部分测定钢筋腐蚀速度的电化学测试方法的理论基础。由以上方程式即可从实验测定的极化数据计算出钢筋的腐蚀电流icorr、阳极铁溶解反应与阴极耗氧反应的tafel斜率βfe与然后依据腐蚀面积a得到腐蚀电流密度此外，极化曲线在腐蚀电位处切线的斜率称为极化电阻rp，而且有腐蚀电流对于具体的钢筋锈蚀过
5、另外，在此基础上还有人提出了弱极化区的三点法或四点法，及其与线性极化测量相结合法和利用曲线拟合技术计算tafel斜率、极化电阻和腐蚀电流的方法。目前该电极化法测量技术是实验室和工业现场测量评价腐蚀速度的常用方法，在一般实验室、工业现场在线检测以及其它工业应用中，都会选用其较方便、快捷的、能够直观的分析和处理数据的方法与手段。
6、然而，实际工程中的钢筋的腐蚀不仅受活化极化过程的控制，尤其是局部反应可能经常受浓差极化/扩散传质影响，因为当反应速度很快，阴极反应所需周围溶液中被还原的氧气不足时，极限扩散就会出现。而腐蚀过程中的局部阳极反应的浓差极化通常可以忽略，这是因为反应界面上的金属离子可以快速补充。因此实际过程中的大多数阴极反应既有活化极化又有浓差极化(混合控制)，如何用电化学方法来准确分析测定腐蚀过程的电化学动力学参数，是一个比较复杂的问题。为此，有人提出了四参数的极化曲线方程式：
7、
8、依据混合控制下腐蚀电极的极化曲线方程式，可以通过极化曲线估计出腐蚀电流icorr、tafel斜率βfe与极限扩散传质电流ilr等多个电化学参数。总之，目前从钢筋锈蚀的稳态极化曲线可以得到极化电阻、腐蚀电流、塔菲尔斜率等能反应活化极化的动力学参数。虽然给出了极限扩散传质电流与腐蚀电流关系的方程式，但还是不能准确定量地描述扩散传质对其腐蚀过程影响程度。
9、然而，在电化学阻抗谱中，极化电阻就相当于在腐蚀电位下测得阻抗频率为零的法拉第阻抗，也就是说若在频率趋近于无穷大时的阻抗实部为溶液电阻，在频率趋近于零时的阻抗实部为溶液电阻与极化电阻的总和。严格来说，从锈蚀的钢筋进行电化学阻抗谱上，仅当阻抗的虚部在频率零时的阻抗等于零而实部为有限值时，可以测得极化电阻。若有存在warburg阻抗时，当频率趋近于零时的阻抗实部和虚部都趋于无穷大，就得不到极化电阻。若对腐蚀电极反应影响的状态变量，仅考虑电极电位与反应物浓度时，从等效电路处理电化学阻抗谱数据，在低频区，当频率趋近于零时的阻抗可近似看作是溶液电阻、电荷转移电阻与扩散电阻三者之和，这样可以由扩散电阻的数值大小定量地反应扩散传质对腐蚀电极反应的影响，但这是由数值拟合得到的扩散电阻，更没有具体表达式。因此，本专利技术基于电极反应动力学和锈蚀钢筋的极化曲线，不仅提供了钢筋锈蚀过程中扩散电阻的理论表达式，同时给出了简单、有效的计算方法。
技术实现思路
1、本专利技术以混凝土中钢筋腐蚀过程为例，提供一种钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析与表征方法。工程实践表明，混凝土中的钢筋锈蚀是因为钝化膜的破坏而引起的，特别是在大面积的钢筋表面上具有高浓度离子时，即使保持高碱性的环境下，氯离子不仅能够充分活化钢筋，而且很可能是发生均匀腐蚀，即发生阳极铁溶解腐蚀和阴极耗氧腐蚀。本专利技术针对阳极铁溶解/阴极耗氧反应的动力学过程和行为，基于电极反应动力学模型的理论基础，给出了阳极铁溶解反应和阴极耗氧反应的电荷转移电阻以及阴极氧气扩散电阻的表达式与计算方法。本
技术实现思路
不仅是一种材料腐蚀过程中的电化学分析评价方法，对研究材料在不同环境条件下腐蚀破坏的本质机理和规律性也有重要的意义。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，包括以下步骤：
4、第一步，建立钢筋腐蚀反应过程的动力学模型
5、所述动力学模型包括阳极的钢筋溶解反应、阴极的耗氧腐蚀反应、电极表面的氧气扩散动力学模型；
6、第二步，极化条件下的动力学方程分析；
7、第三步，分析极化条件下测试曲线得到扩散电阻计算表达式。
8、进一步，所述阳极的钢筋溶解反应的电流密度为：
9、
10、其中
11、
12、进一步，阴极的耗氧腐蚀反应的电流密度为：
13、
14、其中
15、
16、进一步，所述电极表面的氧气扩散动力学模型为：
17、或或
18、进一步，所述第二步的具体过程为：
19、(1)设定钢筋腐蚀过程的法拉第过程的电流密度if是电压v和反应物浓度ci的函数，则有if＝f(v，ci)，式(23)；
20、(2)极化的测试过程中有δv变化和δci变化时，对式(23)if＝f(v，ci)进行taylor展开，则有
21、当δv和δci变化很小时，则高阶忽略，仅仅取近似一阶，即线性近似，则有：
22、
23、(3)对于阳极的钢筋溶解反应，由式(25)和式(6)可得：即其中是稳态时电位；那么电荷转移电阻
24、对于阴极的耗氧腐蚀过程，由式(25)和式(14)可得：即
25、对于电极表面的氧气扩散动力学模型，由式(18)可得，即
26、利用式(32)代入式(30)消除项，可得耗氧反应的电阻形式为：其中，氧气电荷转移电阻与氧气扩散电阻
27、若将式(20)代入式(35)可得扩散电阻的另一种形式为
28、若将式(22)式代入式(35)可得
29、进一步，所述第二步极化条件下的动力学方程分析得到的各电极的反应电阻表达本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述阳极的钢筋溶解反应的电流密度为：
3.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，阴极的耗氧腐蚀反应的电流密度为：
4.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述电极表面的氧气扩散动力学模型为：
5.根据权利要求2-4任一项所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述第二步的具体过程为：
6.根据权利要求5所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述第二步极化条件下的动力学方程分析得到的各电极的反应电阻表达式如下：
7.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述第三步包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述第三步得到的各电极电阻值为：
【技术特征摘要】
1.一种钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述阳极的钢筋溶解反应的电流密度为：
3.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，阴极的耗氧腐蚀反应的电流密度为：
4.根据权利要求1所述的钢筋腐蚀中氧气扩散过程的电化学分析方法，其特征在于，所述电极表面的氧气扩散动力学模型为：
5.根据权利要求2-...
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