【摘要】 电化学工作站在传统硅酸盐水泥中的应用始于20世纪80年代。

导电混凝土是20世纪70年代发展起来的一种新型建筑材料。导电混凝土可用于除冰、融雪、电磁屏蔽等。传统的导电混凝土通常是在混凝土中掺入导电材料。导电混凝土有很多缺点，如钢纤维生锈和导电材料分散不均匀。与传统导电混凝土不同，离子导电砂浆是一种新型建筑材料。将多孔水泥砂浆(孔隙率为17%~35%)浸入电解液中一段时间，即可制得离子导电砂浆。

 

电化学工作站是一种广泛应用于生物、化学、电化学等领域的测量材料电化学性质的仪器。电化学工作站在传统硅酸盐水泥中的应用始于20世纪80年代。McCarter是最早对硬化水泥浆体进行电化学阻抗谱(EIS)研究的人之一。随后，一些学者证明了胶凝材料的EIS特性与水灰比和水化时间有关。在此基础上，建立了描述水泥水化过程EIS的水泥界面模型和等效电路。

 

近年来，电化学工作站在水泥领域的应用主要集中在氯离子膨胀和钢筋锈蚀的研究。电化学工作站还被用来研究水泥的基本性能和新的施工技术，如水化、耐久性、水泥表面改性等，特别是水泥的微观结构和EIS已经被用来揭示水泥水化的机理。

 

离子导电砂浆是将电解质溶液渗透到多孔砂浆试件中制备的一种新型硅酸盐水泥基建筑材料。离子导电砂浆的导电机理是内部自由离子在外电场作用下的定向运动。

 

由于离子导电砂浆具有较强的电化学性能，Xu[1]等人利用电化学工作站对离子导电砂浆的性能进行了测试。测试了离子导电砂浆渗透过程中的开路电位。

 

结果表明，开路电位的变化能有效地反映不同孔隙率和电解液质量分数的样品的渗透率。除对试件进行渗透外，还利用电化学工作站测试了不同孔隙率、不同电解液浓度、不同电解液种类的渗透试件的电化学阻抗谱。然后利用准Randles电路模型建立了离子导电砂浆的等效电路。最后，建立了电路参数与孔隙率或电解液的关系。

 

测试结果表明，等效电路的溶液电阻与试件的实际电阻率呈线性相关。这表明等效电路能有效地反映离子导电砂浆的真实电阻率，等效电路电子元件参数的变化符合离子导电砂浆的导电机理。

 

图1. 开路电位测试。[1]

 

使用的电化学工作站为Metrohm公司生产的Autolab M204。将电解液倒入储罐的一侧，直到电解液的高度与样品相等。然后进行开路电位的数据采集，测试时间为15分钟，时间间隔为0.2 S，如图1所示。

图2. EIS测试。[1]

 

利用Autolab M204电化学工作站测量了离子导电砂浆的电化学阻抗谱。试验过程中，砂浆试件的电极与电化学工作站的测量插头紧密连接，如图2所示。EIS的参数设置如下：频率范围为10-1 Hz ~ 106 Hz；频率分布模式设置为每十年点；频率点是每十年10次；交流信号幅值为10 mV；干扰信号类型为单正弦波。

 

FRA(频响分析)测试由PGSTAT 302N内部完成，预计总测试时间约220秒。在EIS试验后立即用伏安法(双电极法)测量砂浆的电阻率。EIS试验不会破坏试样，也不会改变试样的微观结构。因此，可以认为试样的电阻率和电阻抗系数是在相同的条件下进行测试的，并且可以对两次测试的结果进行比较。

 

他们利用电化学工作站测试了离子导电砂浆在渗透过程中的开路电位。此外，还利用电化学工作站对离子导电砂浆的奈奎斯特曲线进行了测试。在此基础上，模拟了离子导电砂浆的等效电路，并对试件的实际电阻率与等效电路参数RS的相关性进行了拟合，验证了等效电路的有效性。

 

[1] Xu, A.; Weng, Y.; Zhao, R. Permeability and Equivalent Circuit Model of Ionically Conductive Mortar Using Electrochemical Workstation. Materials 2020, 13, 1179.

 

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