一种可用于混凝土内部固态MnO2参比电极研究

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

Studies on the Performance Characteristics of M anganese
Oxide Reference Electrode for Concrete Environments
FAN Ling ，WEI Jun ，PENG Shuquan ，LIU Dong ，DONG Rongzhen
(1．School ofResource and SafetyEngineering，Central South Univemity，Changsha 410083，China；
2．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)
Abstract：Manganese oxide(MnO2)reference electrodes are presented which can be used for concrete
environments．The materials of MnO2 electrodes mainly are MnO2 gels，Ca(OH)2 gels and high purity graphite
powders．Three kinds of MnO2 electrodes with different ratio of the main materials，namely A，B and C，are
accomplished．Their comparable performance characteristics are evaluated in a synthetic concrete pore solution
which is corresponding to the concrete environments．The reject rates of MnO2electrodes are gotten by setting the
permitted variance of the electrode’S potentials．Their properties expressed as the relative standard error of sensorial
potential are analyzed，such as electrochemical reproducibility，electrochemical stability，and sensitivities of
temperature，carbonization and chloride ion．Their comprehensive properties are compared by calculating each
electrode’S comprehensive value which is based on the reject rate，the relative standard error and the coresponding
weight value．The experimental results show that：at first，MnO2electrode A，B and C have good performances，and
the reproducibility of each electrode is lower than its stability，sensi’ti‘vi’ti es of temperature，carbonization and chloride
ion．The second，above each performance and comprehensive property of MnO2 electrode C are better than
MnO2 electrode A and B．The presented MnO2 reference electrodes are essential to the developing of chemistry sensor
technique in nondestructive inspection of concrete and long—term health monitoring of concrete．
Key words：concrete；solid manganese oxide reference electrode；chemistry sensor technique；long-term health
monitoring；relative standard eror
EEACC：7230 doi：10．3969／j．issn．1004—1699．2014．06．001
一种可用于混凝土内部固态MnO2参比电极研究
樊玲，卫军，彭述权，刘栋，董荣珍
(1．中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；2．中南大学土木工程学院，长沙410075)
：l：
摘要：研发一种可用于混凝土内部固态MnO 参比电极。电极主要材料为MnO 胶体、Ca(OH)：胶体和高纯度石墨粉末。调
整材料质量配比制备A、B和C类固态MnO。参比电极，配置模拟混凝土内部环境的混凝土模拟液进行MnO 参比电极对比试验
研究。通过电位波动限值分析MnO：参比电极不合格率；通过电极电位值相对标准误差分析其重现性、稳定性、温度、碳化和氯
离子敏感性五项性能；给定各项性能权重值进而计算综合分数值，评定MnO 参比电极综合性能。研究表明：A、B和c类MnO
电极具有较好的性能，其重现性性能低于其稳定性、温度、碳化和氯离子敏感性。C类MnO 电极各项性能以及综合性能最优，
A、B类次之。所研发的固态MnO：参比电极对发展混凝土结构无损检测和长期健康监测电化学传感器技术具有重要意义。
关键词：混凝土；固态MnO：参比电极；电化学传感器技术；长期健康监测；相对标准误差
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1004—1699(2014)06—0709—06
和长
采用电化学传感器技术进行混凝土结构无损检测
期健康监测是通过植入混凝土结构内部的特定传
感器体系来监(检)测其离子浓度变化，进而评估混凝
土结构服役状态。具备良好重现性、稳定性、温度、碳
项目来源：国家自然科学基金项目(51378501，51174291)；开放研究基金项目(CKWV2013210／KY)；科技支疆项目(2010ZJ05)
收稿日期：2013一t2—13 修改日期：2014—05—15
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传感技术学报
WWW．chinatransducers．con 第27卷
化和氯离子敏感性的可植入固态参比电极对于传感器
体系长期性能具有决定性影响。因此，研发可用于混
凝土内部固态参比电极对发展混凝土结构无损检测和
长期健康监测电化学传感器技术具有重要意义。甘汞
电极和Cu／CuSO 电极属于液态参比电极。将其植入
混凝土内部技术难度大，同时监测过程中液态电解质
中的氯离子、铜离子容易腐蚀钢筋混凝土结构¨ 』。
Ag／AgCl电极具有良好的稳定性，但其是裸露性、氯离
子敏感性电极_4 。植入混凝土内部后，一方面AgCl
镀层容易剥落和溶解而失去参比电极功能，另一方面
混凝土结构中氯离子影响Ag／AgCl电极电位稳定，以
及Ag／AgC1电极中氯离子影响混凝土结构中氯离子浓
度，导致测量结果失真 J。
石墨电极、Meta1．metal oxide(MMO)电极、
NiFe O 参比电极和MnO 参比电极属于固态参比
电极。石墨电极电位不稳定，不能用作参比电
极。Metal—metal oxide(MMO)电极、NiFe2O4参比
电极是2种最新报道的新材料电极，其性能尚在初
步研究中，不能确定能否应用于混凝土内部环境
中[9-12 3。MnO，参比电极通常为采用导电碱性浆体
作为中间层、粉状MnO，作为最上层的电极_1 J。
该电极具有电位稳定性，但是其温度敏感性和长期
使用性能方面难以满足混凝土长期健康监测要
求¨6 J。改变参比电极结构和优化电极材料可改善
MnO，参比电极的性能。
本文在此基础上，设计并制备以MnO 胶体、Ca
(OH) 胶体和石墨粉末为主要电极材料具有五层层
状结构A、B和C类MnO，参比电极。配置混凝土模
拟液进行对比试验研究其不合格率，重现性，稳定性，
温度、碳化和氯离子敏感性，进而分析其综合性能。
1 MnO 参比电极层状结构
MnO，参比电极由外壳和内部层状充填物构
成。外壳为一段直径较小的圆管；内部层状充填物
可分为5层，从下往上依次为水泥胶体层、Ca(OH)
胶体层、MnO 胶体层、插入铜导线的高纯度石墨粉
末层及环氧树脂层(见图1)。混凝土内部离子通过
水泥胶体层孔隙扩散至传感器内部。参比电极加人
ca(OH) 胶体层有利于电极电位长期稳定性。环
氧树脂层与外壳共同密封参比电极。石墨粉末层具
有导电性，可使铜导线不必插入MnO 胶体中，从而
避免MnO 胶体影响铜导线导致电极电位改变