[发明专利]混凝土中钢筋锈蚀监测用全固态参比电极及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是混凝土中钢筋锈蚀监测用全固态参比电极。具体的讲是采用电化学方法监测钢筋锈蚀所设计的传感器中的核心部件-全固态参比电极(ASSRE)。

(二)背景技术

过去的研究表明钢筋锈蚀是造成钢混结构损伤以及早期失效的原因之一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费用，在土木工程中钢筋锈蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的重要组成部分。

在混凝土环境下，由于混凝土的多孔性，水分与氧气可以沿着孔隙和裂纹迁移，这恰好是低碳钢和高强度合金钢等钢材腐蚀的必要条件。在大多数情形下没有发生腐蚀的原因是这些孔隙中由于水泥的水化过程形成了高浓度的钙、钠和钾的氢氧化物，从而保持了PH值在12-13之间，这一高碱度环境是钢材钝化，形成致密的γ型氧化铁防止了钢材的快速腐蚀。然而当Cl^-(可来自除冰盐或者海水)经过混凝土表面在钢筋表面进行聚集或者由于CO₂(来自大气，也是造成全球气候变暖的重要因素之一)的作用使孔溶液PH值降低的情况下，钝化膜遭到破坏，混凝土对钢筋的保护作用失效，在O₂以及H₂O充足的情况下钢筋截面积减小或者出现蚀点。

从本质上讲土木工程中绝大多数的金属腐蚀过程属于电化学反应过程(除高温氧化过程外)。所以电化学方法成为监测结构中钢材锈蚀的最本质的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法在实验室状态下对腐蚀科学问题进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但能够获得诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知揭示腐蚀电化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩散过程、点蚀的发生过程等等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供更加可靠的依据。

电化学方法是揭示腐蚀科学问题的最本质的方法，然而过去采用电化学方法研究腐蚀问题绝大部分处于实验室状态下进行的，如何将电化学方法应用于实际工程成为近几年国内外研究的热点。毫无疑问电化学发放从原理上讲是成熟和可靠的，针对具体工程如何架构传感器及采集系统，为电化学方法搭建应用平台是实际工程要解决的具体技术问题。

应用电化学方法对上述钢筋腐蚀发生的电化学过程进行长期监测需要电位稳定的参比电极，对于腐蚀监测而言参比电极须具备稳定、对混凝土结构的化学反应及温度不敏感、在较小极化作用下能够通过微弱的电流、具有较小的滞后效应、长寿命、环保等特性。过去大量的研究中所制备的参比电极由于使用寿命有限、价格昂贵等因素限制了其在实际工程中的应用。由于Ag/AgCl液态参比电极在过去相当长的时间内在电化学领域得到了广泛的应用，其稳定性以及价格都优于其它参比电极，所以本文对基于Ag/AgCl体系的参比电极进行了研究，制备了新的全固态参比电极(ASSRE)。

所设计的全固态参比电极服役寿命长、价格低廉等优点必将使其能够广泛的应用于电化学方法监测混凝土中钢筋的锈蚀中，为解决结构健康监测以及全寿命设计提供有力保障。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有长寿命、性能稳定以及价格低廉的混凝土中钢筋锈蚀监测用全固态参比电极及其制备方法。

本发明的产品结构为：采用Ag/AgCl/KClsat体系，由从参比电极的轴心向外依次为纯度为99.99％的Ag、AgCl层、三组分多孔层以及水泥浆层构成。

本发明的产品还有这样一些技术特征：

1、其中三组分多孔层为质量比为KCI∶Al₂O₃∶PTFE=1∶O.5～2∶O.5～2的多孔结构。

本发明产品的制备方法为：首先采用直接氯化法在Ag丝表面形成AgCl层；将表面为AgCl层的Ag丝放入成型模具中，在模具内加入预混的质量比为KCI∶Al₂O₃∶PTFE=1∶O.5～2∶O.5～2的Al2O3、KCl及PTFE三组分，加压成型；将成型好的Ag/AgCl/三组分层放入另外的成型模具，在模具内加入水泥净浆，放置24小时后脱模；最后焊接导线，采用环氧树脂密封。

本发明产品的制备方法还可以包括这样一些技术特征：

1、采用直接氯化法在Ag丝上制备AgCl；

2、在三组分中加入与KCl同等质量的AgCl粉末。

根据Nemst方程可知，