类型a
主作者与研究机构及发表信息
本研究的主要作者包括J.Y. Hu、Y.J. Liu、Z. Dong和S.S. Zhang，其中J.Y. Hu和Y.J. Liu来自华中科技大学土木与水利工程学院，Z. Dong同时隶属于浙江工业大学建筑工程学院以及杭州城市工程结构与防灾减灾技术重点实验室，S.S. Zhang为通讯作者。该研究发表于《Journal of Building Engineering》，文章编号为110736，发表时间为2024年9月12日。
学术背景
本研究属于电化学保护领域，具体探讨了电流控制的阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection, ICCP）技术在钢筋腐蚀防护中的应用效率评估方法。ICCP是一种通过外加电流将钢筋极化为阴极以抑制腐蚀的技术，广泛应用于氯化物污染混凝土结构的修复。然而，传统评估ICCP效率的方法主要依赖定性指标，如保护电位和电位衰减，这些方法存在争议且难以提供定量数据。因此，研究团队提出了一种新的电化学测量方法，结合电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）技术，旨在实现对ICCP效率的定量评估，并确定最佳保护电流密度。
研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：
材料准备与试样设计
研究使用了七根HPB 300级钢棒作为实验对象，每根钢棒直径为12毫米，长度为250毫米。为了确保实验条件一致，钢棒两端涂覆环氧树脂并包裹绝缘胶带，暴露面积统一为11.31平方厘米。暴露表面经过打磨、清洗处理，以去除杂质。实验变量包括ICCP电流密度（2、100、200、300、500 mA/m²）和初始腐蚀程度（0%、3%、9%理论质量损失）。
预腐蚀与ICCP处理
为了模拟不同初始腐蚀状态，研究采用外加电流加速腐蚀（Impressed Current Accelerated Corrosion, ICAC）技术对部分钢棒进行预腐蚀处理，使其达到3%和9%的理论质量损失。随后，所有钢棒被浸入3.5%的NaCl溶液中，并施加恒定电流进行ICCP处理，持续时间为7天。实验使用电化学工作站作为直流电源，确保电流输出精度达到pA级别。
电化学测量与数据分析
研究设计了一种双电路电化学装置，用于在ICCP过程中实时测量钢棒的电化学特性。一个电路负责施加ICCP电流，另一个电路则通过三电极系统进行EIS测量。EIS测试频率范围为10 mHz至30 kHz。此外，还记录了保护电位和电位衰减数据，作为传统评估标准的参考。所有数据通过ZSimpWin软件进行拟合分析，提取关键参数如电荷转移电阻（Charge Transfer Resistance, Rct）。
主要结果
1. 保护电流密度对ICCP效率的影响
实验结果显示，随着保护电流密度的增加，Rct值先升高后降低。低电流密度（如2 mA/m²和100 mA/m²）下，Rct值反映了抗腐蚀反应的能力；而高电流密度（如300 mA/m²和500 mA/m²）下，Rct值对应于还原反应（如氧还原反应或氢气析出反应）的阻力。对于初始无腐蚀的钢棒，200 mA/m²的电流密度提供了最佳保护效果，其对应的保护电位约为-1.04 V（相对于饱和甘汞电极，SCE）。
初始腐蚀程度对ICCP效率的影响
对于具有不同程度初始腐蚀的钢棒，相同电流密度下的Rct值随腐蚀程度增加而降低。例如，在200 mA/m²的电流密度下，初始腐蚀程度为0%、3%和9%的钢棒，其Rct值分别提高了165.9%、484.3%和121.7%。这表明更严重的初始腐蚀需要更高的保护电流密度才能实现有效防护。
EIS数据的分析与解释
EIS结果显示，低电流密度下仅观察到单个电容弧，而高电流密度下出现两个电容弧。前者对应于腐蚀反应，后者则与氢气析出过程中的中间产物有关。通过拟合等效电路模型，研究进一步验证了Rct值的变化趋势与保护电流密度之间的关系。
结论与意义
本研究成功开发了一种基于EIS的定量评估方法，用于监测ICCP过程中钢棒的电化学特性。研究发现，最佳保护电流密度不仅取决于保护目标的具体条件，还与初始腐蚀程度密切相关。这一成果为优化ICCP设计提供了科学依据，具有重要的工程应用价值。此外，该方法克服了传统评估标准的局限性，为未来相关研究提供了新思路。
研究亮点
1. 提出了基于EIS的定量评估方法，能够准确测定ICCP的最佳保护电流密度。
2. 首次揭示了初始腐蚀程度与最佳保护电流密度之间的定量关系。
3. 开发了双电路电化学装置，实现了在ICCP过程中实时测量钢棒的电化学特性。
其他有价值内容
研究还讨论了Rct值的物理意义及其在不同保护阶段的解释方法。此外，通过对腐蚀产物层的分析，提出了两种可能的机制来解释初始腐蚀程度对ICCP效率的影响：一是腐蚀产物层可能消耗部分电子，降低保护效果；二是腐蚀导致钢表面粗糙度增加，从而需要更高的保护电流密度。这些发现为进一步研究ICCP技术提供了重要参考。