阻锈剂对氯盐腐蚀钢筋混凝土的影响

1、阻锈剂对氯盐腐蚀钢筋混凝土的影阻锈剂对氯盐腐蚀钢筋混凝土的影响响姓名：朱文琪姓名：朱文琪学号：学号：2111406023目录目录研究背景及意义研究背景及意义主要研究内容主要研究内容实验实验结果与讨论结果与讨论结论结论 研究背景以及意义研究背景以及意义因混凝土内钢因混凝土内钢筋锈蚀导致的混凝筋锈蚀导致的混凝土结构破坏，已成土结构破坏，已成为影响混凝土结构为影响混凝土结构耐久性的第一因素。耐久性的第一因素。英国统计英国统计271个混凝土虐化破坏个混凝土虐化破坏实例，钢筋锈蚀占实例，钢筋锈蚀占全部破换实例的全部破换实例的55%2000年混凝土钢筋锈蚀导致加拿大魁年混凝土钢筋锈蚀导致加拿大魁北克省拉瓦

2、尔立交桥塌陷北克省拉瓦尔立交桥塌陷某码头板底出现裂缝及钢筋某码头板底出现裂缝及钢筋锈蚀锈蚀日照港煤码头日照港煤码头7#桥墩钢筋桥墩钢筋混凝土结构锈蚀混凝土结构锈蚀某桥墩混凝土钢筋锈蚀破坏某桥墩混凝土钢筋锈蚀破坏研究背景以及意义研究背景以及意义钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响研究背景以及意义研究背景以及意义钢筋锈蚀机理钢筋锈蚀机理通常，在碱性混凝土孔溶液中钢筋表面能生成一层致密通常，在碱性混凝土孔溶液中钢筋表面能生成一层致密的氧化膜，大量的氧化膜，大量OH-的存在加上混凝土层的保护作用，会使的存在加上混凝土层的保护作用，会使其处于相对稳定的状态。其处于相对稳定

3、的状态。随着随着CO2的侵蚀，孔溶液碱性降低，或当混凝土中钢筋的侵蚀，孔溶液碱性降低，或当混凝土中钢筋表面表面Cl-浓度高于某个值时，钝化膜会破坏，钢筋开始锈蚀，浓度高于某个值时，钝化膜会破坏，钢筋开始锈蚀，导致结构安全系数的减小和混凝土保护层的脱落，进而降低导致结构安全系数的减小和混凝土保护层的脱落，进而降低混凝土结构的使用寿命。混凝土结构的使用寿命。开裂锈蚀膨胀研究背景以及意义研究背景以及意义我国拥有海岸线上万公里，同时拥有众多岛屿，其中的我国拥有海岸线上万公里，同时拥有众多岛屿，其中的钢筋混凝土结构经常受海水、海风、海雾中的氯盐侵蚀，对钢筋混凝土结构经常受海水、海风、海雾中的氯盐侵蚀，对

4、于如何延长混凝土结构的安全使用寿命受到越来越多的关注，于如何延长混凝土结构的安全使用寿命受到越来越多的关注，其中在混凝土中添加阻锈剂是解决这一问题的有效途径之一。其中在混凝土中添加阻锈剂是解决这一问题的有效途径之一。研究背景以及意义研究背景以及意义研究意义研究意义l经济合理经济合理l能均匀地分散在混凝土中能均匀地分散在混凝土中l与混凝土材料具有良好的相容性，与混凝土材料具有良好的相容性，无不良副作用无不良副作用l可掺加到混凝土中或涂敷在钢筋可掺加到混凝土中或涂敷在钢筋的表面，便于操作的表面，便于操作l抑制、阻止、减缓钢筋腐蚀的电抑制、阻止、减缓钢筋腐蚀的电化学过程化学过程掺加钢筋阻锈剂掺加钢筋

5、阻锈剂(Rebar Inhibitor)是钢筋的各种防是钢筋的各种防腐措施中最有效腐措施中最有效的方法之一。的方法之一。从而达到延长钢筋混凝土从而达到延长钢筋混凝土结构使用寿命的目的。结构使用寿命的目的。 主要研究内容主要研究内容亚硝酸钙亚硝酸钙Ca(NO2)2具有良好的缓蚀效率且未发现对混具有良好的缓蚀效率且未发现对混凝土有明显不利的影响和引发碱集料反应的可能性。在凝土有明显不利的影响和引发碱集料反应的可能性。在20世世纪纪70年代已广泛应用于氯盐环境下的钢筋混凝土中，但其单年代已广泛应用于氯盐环境下的钢筋混凝土中，但其单独使用阻锈效果不理想。独使用阻锈效果不理想。20世纪世纪90年代以来涌

6、现出的新型商年代以来涌现出的新型商用阻锈剂解决了这一问题，使其日趋广泛，但对其阻锈效果用阻锈剂解决了这一问题，使其日趋广泛，但对其阻锈效果和机理的研究有待加强。和机理的研究有待加强。本实验用水泥提取液模拟混凝土孔溶液，通过逐级添加本实验用水泥提取液模拟混凝土孔溶液，通过逐级添加Cl- ，模拟混凝土中钢筋的氯盐腐蚀，并通过自腐蚀电位、，模拟混凝土中钢筋的氯盐腐蚀，并通过自腐蚀电位、动电位极化和电化学阻抗谱等考察了动电位极化和电化学阻抗谱等考察了Ca(NO2)2及商用阻锈剂及商用阻锈剂NNMI，NNRI对混凝土中钢筋氯盐腐蚀行为的影响。对混凝土中钢筋氯盐腐蚀行为的影响。主要研究类容主要研究类容 实

7、验实验 水泥为市售品水泥为市售品P 042.5，化学成分见表，化学成分见表1。试样及模拟溶液体系试样及模拟溶液体系所用所用NaCl均为分析纯，用蒸馏水配制。阻锈剂均为分析纯，用蒸馏水配制。阻锈剂Ca(NO2)2为化学纯，其中为化学纯，其中Ca(NO2)2 90%，Ca(NO3)26%。NNMI和和NNRI为市售，均由有机、无机成分和表面活性成分为市售，均由有机、无机成分和表面活性成分复配而成。复配而成。实验实验试样及模拟溶液体系试样及模拟溶液体系水泥提取液由表水泥提取液由表1所示的水泥与蒸馏水按照所示的水泥与蒸馏水按照1:10的比例的比例配制。在该水泥提取液的基础上，分别按照配制。在该水泥提取

8、液的基础上，分别按照Ca(NO2)2阻锈剂阻锈剂掺量为掺量为2%、NNMI和和NNRI阻锈剂推荐量为阻锈剂推荐量为3%来配制模拟液来配制模拟液体进行试验，具体模拟液试验体系见表体进行试验，具体模拟液试验体系见表2。钢筋材料为钢筋材料为10mm的的HRB335，其成分见表，其成分见表3。腐蚀体系腐蚀体系实验实验截取长为截取长为1.5cm的的HPB235钢筋片段钢筋片段以一端为工作面以一端为工作面另一端为锡焊另一端为锡焊引接铜导线引接铜导线然后将工作面外然后将工作面外的其余部分用环的其余部分用环氧树脂封装到长氧树脂封装到长为为2.5cm的的PVC管中管中在自制有机玻璃试在自制有机玻璃试验槽中装入验

9、槽中装入2L模拟模拟溶液，钢筋预先钝溶液，钢筋预先钝化化3d以使表面形成以使表面形成稳定的钝化膜稳定的钝化膜将工作面用将工作面用 4002000目砂目砂纸逐级打磨至纸逐级打磨至镜面，用丙酮镜面，用丙酮和蒸馏水清洗和蒸馏水清洗后备用后备用用碳化硅干湿用碳化硅干湿两用砂纸将锈两用砂纸将锈迹打磨干净迹打磨干净再将其插入再将其插入模拟溶液中模拟溶液中向模拟溶液中加入向模拟溶液中加入NaCl，每隔每隔1d逐级添加，每次添逐级添加，每次添加量为加量为0.01mol/L，以提供，以提供Cl-，直至钢筋发生活性腐蚀，直至钢筋发生活性腐蚀实验实验腐蚀体系腐蚀体系采用自腐蚀电位、电化学阻抗谱和电动位极化测量考察采

10、用自腐蚀电位、电化学阻抗谱和电动位极化测量考察了钢筋腐蚀的电化学行为，测试均在了钢筋腐蚀的电化学行为，测试均在(202 ) 下进行。下进行。自腐蚀电位自腐蚀电位Ecorr 由由PARSTAT 2273型电化学工作站型电化学工作站PowerCorr板块中板块中Ecorr vs Time标准模板测试。标准模板测试。动电位扫描范围为动电位扫描范围为-250600mV（vs Ecorr ），扫描速），扫描速度度0.18mV/s，为了获得较好的重现性，至少平行测定，为了获得较好的重现性，至少平行测定3次。次。电化学阻抗谱（电化学阻抗谱（EIS）的测试率为）的测试率为10mHz100kHz，阻，阻抗谱测试

11、信号采用幅值为抗谱测试信号采用幅值为5mV的正弦波。的正弦波。测试分析测试分析实验实验所得交流阻抗谱数据由所得交流阻抗谱数据由ZsimpWin软件进行模拟，获取软件进行模拟，获取极化电阻极化电阻Rp。由。由Stern-Geary公式公式Jcorr=BRp计算腐蚀电流计算腐蚀电流密度密度Jcorr，B取取26mV。将模拟所得的将模拟所得的Jcorr代入（代入（1）计算阻锈剂的缓蚀效率：）计算阻锈剂的缓蚀效率： （1）其中，式中其中，式中J0corr和和Jcorr分别是掺加阻锈剂前后钢筋的腐分别是掺加阻锈剂前后钢筋的腐蚀电流密度。蚀电流密度。测试分析测试分析实验实验 结果与讨论结果与讨论自腐蚀电位

12、自腐蚀电位Ecorr负向值越大，钢筋越易腐蚀。图负向值越大，钢筋越易腐蚀。图1为为Ecorr随随Cl-浓度的变化趋势。浓度的变化趋势。自腐蚀电位自腐蚀电位动电位极化动电位极化结果与讨论结果与讨论4组试验体系中钢筋在相组试验体系中钢筋在相同同Cl-浓度下的动电位极浓度下的动电位极化曲线见图化曲线见图2，对其曲线，对其曲线进行数学拟合获得进行数学拟合获得Jcorr，Ecorr，Tafel斜率（斜率（ba，bc）见表）见表4。 Edes (脱附电位脱附电位)动电位极化动电位极化亚硝酸盐的阻锈机理是亚硝酸盐的阻锈机理是NO2-不参与阳极反应，优先于不参与阳极反应，优先于Cl-与阳极产物与阳极产物Fe2

13、+反应使钢筋表面形成新的致密氧化物薄膜，反应使钢筋表面形成新的致密氧化物薄膜，从而抑制阳极反应进一步发生。其防腐蚀机理可用从而抑制阳极反应进一步发生。其防腐蚀机理可用(2)表示：表示：2Fe2+2OH-+2NO2- 2NO +Fe2O3+H2O (2) 值得注意的是，当值得注意的是，当NO2-足够多时，发生上述反应；若足够多时，发生上述反应；若NO2-较少，较少，NO2-在上述反应中不断被消耗，会导致在反应后在上述反应中不断被消耗，会导致在反应后期不足以生成氧化膜以至阻锈效果减弱。因而亚硝酸盐的阻期不足以生成氧化膜以至阻锈效果减弱。因而亚硝酸盐的阻锈效果取决于锈效果取决于NO2-和和Cl-的比

14、值。的比值。结果与讨论结果与讨论电化学阻抗谱电化学阻抗谱结果与讨论结果与讨论电化学阻抗谱电化学阻抗谱结果与讨论结果与讨论选用选用Randle电路模型进行拟合（见图电路模型进行拟合（见图4），），Rs表示钢筋表示钢筋与参与电极之间的溶液电阻，与参与电极之间的溶液电阻，Qdl表示溶液表示溶液/钢筋界面的双电钢筋界面的双电层电容，层电容，Rp表示极化电阻。将拟合得到的极化电阻表示极化电阻。将拟合得到的极化电阻Rp代入代入Stern-Geary方程求得腐蚀电流密度方程求得腐蚀电流密度Jcorr，并以此为纵坐标，并以此为纵坐标，以以Cl-浓度为横坐标绘制曲线，得到图浓度为横坐标绘制曲线，得到图5。电化学

15、阻抗谱电化学阻抗谱结果与讨论结果与讨论若将若将Jcorr大于大于0.2A/cm2时作为腐蚀起点，则时作为腐蚀起点，则A组的临界组的临界Cl-浓度为浓度为0.010.02mol/L，C组和组和D组的临界值为组的临界值为0.030.04mol/L,B组的临界值为组的临界值为0.040.05mol/L。这与。这与自腐蚀电位法得到的结果一致，也说明了自腐蚀电位法得到的结果一致，也说明了3组阻锈剂在降组阻锈剂在降低腐蚀速率的同时亦能提高临界低腐蚀速率的同时亦能提高临界Cl-浓度值。与前面的结浓度值。与前面的结果一致。果一致。 根据图根据图5和阻锈效率公式和阻锈效率公式(1)可得到，当可得到，当Cl-浓度

16、为浓度为0.02mol/L，即，即NO2-/Cl- 为为1.47时，时，B组阻锈效率降到组阻锈效率降到98.2%；当；当Cl-浓度为浓度为0.05mol/L时其阻锈效率降到时其阻锈效率降到50.8%。为取得较高的阻锈效率（大于为取得较高的阻锈效率（大于70%）, NO2-/Cl-值最好为值最好为0.621.47。当当Cl-浓度从浓度从0.01mol/L升到升到0.03mol/L时，时，D组的阻锈效组的阻锈效率从率从76.9%上升到上升到87.1%，此后随，此后随Cl-浓度增加逐步降低。浓度增加逐步降低。C组亦呈现类似趋势：组亦呈现类似趋势：Cl-浓度为浓度为0.01，0.02，0.03mol/

17、L时的时的阻锈效率分别为阻锈效率分别为81.8%，85.0%，82.9%，随后逐步降低。，随后逐步降低。这说明按厂家建议的掺标量（水泥质量这说明按厂家建议的掺标量（水泥质量3%）添加这）添加这2种阻锈种阻锈剂，当剂，当Cl-浓度较低（不超过浓度较低（不超过0.03mol/L）时，能更好地发挥）时，能更好地发挥其阻锈效力，因而应根据不同的使用环境选择合适的阻锈剂。其阻锈效力，因而应根据不同的使用环境选择合适的阻锈剂。电化学阻抗谱电化学阻抗谱结果与讨论结果与讨论 结论与展望结论与展望（1）在用水泥提取液模拟的孔溶液中，）在用水泥提取液模拟的孔溶液中，Ca(NO2)2及及2种商用阻锈剂种商用阻锈剂N

18、NMI和和NNRI均能有效提高钢筋的自腐蚀电位，均能有效提高钢筋的自腐蚀电位，降低钢筋受降低钢筋受Cl-腐蚀的风险，减小腐蚀速率。腐蚀的风险，减小腐蚀速率。（2）Ca(NO2)2在有效降低钢筋腐蚀速率的同时能将钢在有效降低钢筋腐蚀速率的同时能将钢筋腐蚀的临界筋腐蚀的临界Cl-浓度从浓度从0.01mol/L提高到提高到0.04mol/L左右；左右；NNMI和和NNRI亦能将临界亦能将临界Cl-浓度提高到浓度提高到0.03mol/L左右。左右。（3）当）当NO2-/Cl-为为0.621.47时，时， Ca(NO2)2能最大能最大限度地发挥阻锈效果，阻锈效率高达限度地发挥阻锈效果，阻锈效率高达98.2%；在推荐掺