[发明专利]钢筋腐蚀监测用全固态参比电极的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及化学学科，具体说就是一种钢筋腐蚀监测用全固态参比电极的制备方法。

(二)背景技术

过去的研究表明钢筋腐蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因之一，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人力、物力和财力，在土木工程中钢筋腐蚀的监测是结构安全评定、维修加固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^-(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。

土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的腐蚀过程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材腐蚀的最本质的方法。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。

建立基于电化学技术的腐蚀监测系统能够实时、准确掌握钢筋的腐蚀状态，为大规模钢混结构的安全评定及全寿命设计提供科学依据。腐蚀传感器为丰富的电化学测试技术提供硬件支持，是确保各种腐蚀监测方法能够在实际工程中得以应用的载体和平台。参比电极(Reference Electrode，RE)是构成腐蚀传感器的核心部件，是腐蚀电化学测试过程中度量电极电位的“标尺”。参比电极是构建钢筋腐蚀监测传感器的核心元件。目前研究及应用的全固态参比电极，还普遍存在电极电位不稳定、易受环境因素影响及服役寿命短等问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种钢筋腐蚀监测用全固态参比电极的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：首先采用EB-PVD技术制备二元合金的混合金属氧化物功能芯，然后应用具有优异空间结构的蒙脱石复合材料制备碱性导电功能层，最后集成上述成果，架构具有5层结构的全固态参比电极；步骤如下：

步骤一：制备参比电极功能芯

参比电极功能芯的制备包括EB-PVD态和氧化态两个过程，通过优化EB-PVD沉积工艺参数，在Ti棒上得到制备态二元合金膜；进而，通过控制氧分压对制备态的合金膜进行氧化处理。采用双源蒸发EB-PVD制备合金膜，通过调整基板温度、沉积速率、靶基距、蒸汽入射角优化制备工艺。基板温度Ts与蒸发材料的熔点Tm的比值由低至高的变化过程中，形成的膜层由非晶态经柱状晶向轴晶转变，选定0.3＜Ts/Tm＜0.5与0.5＜Ts/Tm＜1两个基板温度区；选定EB-PVD控制参数见表1

表1EB-PVD沉积功能膜层的控制参数

将EB-PVD制备完成后的二元合金膜，在高温炉内进行氧化处理，氧化温度为760℃，持载时间为20min，升温速率为5℃/min。

步骤二：制备参比电极导电功能层

以蒙脱石作为固态参比电极导电功能层的载体材料，进行层间离子夹杂，形成具有良好导电性的参比电极导电层，交换阳离子与H₂O以微弱的氢键相连接，形成水合状态，从而减小H₂O分子的流动性，进而在层间结构中使得阳离子以稳定的溶液状态存在，采用蒙脱石：导电粒子：水为1∶0.6∶0.3，制备过程中采用直径≤100μm的蒙脱石与导电粒子进行干粉料预混30min，然后加入蒸馏水再次搅拌30min，将最终制备的导电浆液注入到参比电极的壳体内。

步骤三：水泥过渡层的制备

在传感器壳体底端注入P.O.42.5水泥∶水＝1∶0.4的水泥浆液，采用1MPa压力压实，形成高度为0.5cm的水泥浆柱体，在温度为80℃、适度90％状态下养护7天；

步骤四：参比电极的封装