建筑鋼筋腐蝕行為模擬研究

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯建筑鋼筋腐蝕行為模擬研究 摘要:將物理化學(xué)的基本原理與材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的電化學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。模擬鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境，以鋼筋作為研究電極，以飽和氫氧化鈣溶液為電解液，采用通二氧化碳的方法調(diào)節(jié)溶液pH值，用添加氯化鈉方法調(diào)節(jié)溶液的鹽度，通過(guò)測(cè)定陽(yáng)極極化曲線，研究了模擬混凝土體系pH、Cl對(duì)鋼筋的腐蝕和鈍化成膜的影響，探討了該實(shí)驗(yàn)用于本科教學(xué)所取得的教學(xué)效果。 關(guān)鍵詞:鋼筋;混凝土體系;極化曲線;教學(xué) “物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是化工、材料、環(huán)境、冶金、汽車等工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，“極化曲線的測(cè)定”是課程中有關(guān)電化學(xué)的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容12，目前教

2、材中最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)有“鎳在硫酸體系中的極化曲線”和“鐵在氯化鈉溶液中的極化曲線”等。本文介紹一個(gè)新的“極化曲線”方面的實(shí)驗(yàn)“建筑鋼筋腐蝕行為的模擬研究”，這是個(gè)原創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涉及到電化學(xué)、材料學(xué)及建筑工程等交叉學(xué)科的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想符合“新工科”專業(yè)建設(shè)的教學(xué)理念3。該實(shí)驗(yàn)用于材料、土木、化工等專業(yè)本科生教學(xué)，取得良好的教學(xué)效果。 1實(shí)驗(yàn)原理 鋼筋和混凝土是常見(jiàn)的建筑材料。鋼筋又叫做碳鋼，混凝土則是由硅酸鹽水泥熟料、砂、石子、水、外加劑等混合而成的人工石材。硅酸鹽水泥熟料主要含有硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·

3、;Al2O3)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四種物質(zhì)。其中，硅酸三鈣約37%60%，硅酸二鈣15%37%，鋁酸三鈣7%15%，鐵鋁酸四鈣10%18%。這四種物質(zhì)遇水后均會(huì)發(fā)生水化反應(yīng):2(3CaO·SiO2)+6H2O3CaO·2SiO2·3H2O(膠體)+3Ca(OH)2(晶體)2(2CaO·SiO2)+4H2O3CaO·2SiO2·3H2O(膠體)+Ca(OH)2(晶體)3CaO·Al2O3+6H2O3CaO·Al2O3·6H2O(晶體)4CaO·Al2

4、O3·Fe2O3+7H2O3CaO·Al2O3·6H2O(晶體)+CaO·Fe2O3·H2O(膠體)部分水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·6H2O)與水泥中的少量石膏繼續(xù)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，包括鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣)。如果忽略一些次要成分，水泥發(fā)生水化反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣。其中，前二者呈凝膠形態(tài)，約占70%;氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣為晶體，前者占20%，后者占7%。由此可見(jiàn)，混凝土凝結(jié)

5、過(guò)程中主要析出硅酸鈣膠體以及氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣晶體等，形成的孔隙液為氫氧化鈣飽和溶液，pH值呈堿性。此外，混凝土中還含有雨水帶入的CO2、Cl，以及黃沙、石料帶入的F等其他離子，這些都會(huì)改變混凝土內(nèi)部的環(huán)境，對(duì)混凝土中鋼筋的腐蝕產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)以鋼筋為研究電極，以氫氧化鈣和硝酸鉀為電解液，加入CO2、Cl、F等，模擬鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境。通過(guò)恒電位法測(cè)定其極化曲線，引導(dǎo)學(xué)生探討pH、Cl等對(duì)鋼筋的腐蝕和鈍化成膜的影響。 2儀器和試劑 DHZ型電化學(xué)工作站(南京桑力電子設(shè)備廠)、鋼筋電極、鉑電極、飽和甘汞電極、通氣玻璃管、pH計(jì)、玻璃電極、燒杯、量筒、容量瓶等。Ca(OH)2飽和溶液

6、(用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為125)、2%(體積比)硫酸溶液、NaCl、NaF(A)、二氧化碳?xì)怏w鋼瓶、丙酮、金相砂紙等。 3實(shí)驗(yàn)步驟 31鋼筋電極制備 將鋼筋浸入熔化的蠟中數(shù)次，封閉鋼筋下部接觸電解質(zhì)溶液的部分。在近底部靠近魯金毛細(xì)管口位置用刀片刮出一小塊矩形鋼筋面(將蠟刮干凈)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量該小塊鋼筋面的尺寸(電極的面積02096cm2)，將電極浸入2%的H2SO4溶液中，電磁攪拌510分鐘，取出用蒸餾水洗凈備用。 32電解質(zhì)溶液 在Ca(OH)2飽和溶液中加入KNO3作為支持電解質(zhì)，支持電解質(zhì)濃度約為005mol·dm3。將配制好的電解液由研究電極池一側(cè)倒入電解池。 33極化

7、曲線測(cè)定 采用3電極體系，以鋼筋電極為研究電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，分別安裝在對(duì)應(yīng)的電極管中。其中，鋼筋電極工作面置于毛細(xì)管口約5mm，各電極用電纜與工作站連接。測(cè)量參數(shù)設(shè)置:電壓范圍06V10V，最低電壓0.6V，靜置5min直至電壓穩(wěn)定開(kāi)始測(cè)定，掃速0.01V/s，靈敏度0001V。 34pH值的影響 將二氧化碳?xì)怏w鼓泡通入Ca(OH)2飽和溶液，至溶液的pH=12、11、10、9。加入KNO3作為支持電解質(zhì)，重復(fù)上述極化曲線測(cè)定步驟。 35氯離子的影響 在容量瓶中分別配制支持電解質(zhì)KNO3濃度約為005mol·dm3，NaCl濃度為001、002、004、

8、0.06、008mol·dm3的飽和Ca(OH)2溶液，重復(fù)上述極化曲線測(cè)定步驟。 36氟離子的影響 將實(shí)驗(yàn)步驟4中的氯離子換成氟離子，測(cè)定不同pH值模擬孔隙液中氟離子濃度對(duì)極化曲線的影響。 4結(jié)論 鐵在電解質(zhì)溶液中的極化曲線通常含有金屬活化區(qū)、鈍化過(guò)渡區(qū)、鈍化區(qū)、過(guò)鈍化區(qū)4大區(qū)域4。圖1為鋼筋在飽和氫氧化鈣溶液中的極化曲線，圖中并沒(méi)有出現(xiàn)全部4個(gè)相應(yīng)區(qū)域，僅出現(xiàn)鈍化和過(guò)鈍化區(qū)，原因在于堿性溶液中鋼筋表面已預(yù)先形成鈍化的保護(hù)膜，逐漸升高陽(yáng)極極化電位電流緩慢增加，當(dāng)電位達(dá)到06903V時(shí)(對(duì)應(yīng)電流值為0.2615mA)，電流開(kāi)始快速上升，此時(shí)鋼筋表面產(chǎn)生氣泡并發(fā)生腐蝕，該電位對(duì)應(yīng)于鋼筋

9、在此條件下的腐蝕電位。利用二氧化碳改變?nèi)芤旱膒H值測(cè)定極化曲線。pH對(duì)極化電位及電流的影響如表1所示，可以看出，隨著溶液pH的降低，鋼筋過(guò)鈍化區(qū)的陽(yáng)極極化電位逐漸變小，鋼筋更易腐蝕。換句話說(shuō)，溶液堿性增加，鋼筋的鈍化區(qū)加寬，更容易發(fā)生鈍化，穩(wěn)定性加強(qiáng)5。圖2為氫氧化鈣溶液中加入不同濃度氯化鈉時(shí)鋼筋電極的極化曲線，相應(yīng)的極化電位和電流列于表2。在氯化鈉存在的條件下，鋼筋的過(guò)鈍化區(qū)明顯減小，腐蝕電位負(fù)移。隨著氯離子濃度的增加，鋼筋的過(guò)鈍化區(qū)的陽(yáng)極極化電位逐漸變小，鋼筋更易被腐蝕。氯離子加快金屬的腐蝕有多種機(jī)理解釋:成相膜理論認(rèn)為氯離子有較強(qiáng)的穿透能力，它可以穿透金屬表面氧化膜的孔隙或缺陷處，破壞氧

10、化膜的結(jié)構(gòu)。吸附理論則認(rèn)為，氯離子電負(fù)性很強(qiáng)，比溶液中的O2或氫氧根離子更容易吸附到金屬表面。氯離子與金屬表面的接觸可以使金屬離子水化，致使金屬以離子形式轉(zhuǎn)移到溶液中，引起腐蝕6。此外，也有文獻(xiàn)認(rèn)為，氯離子的吸附能降低金屬陽(yáng)極過(guò)程的超電位，進(jìn)而引起點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕電位即為表中的腐蝕電位7。用氟化鈉代替氯化鈉重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到類似結(jié)果(見(jiàn)表3所示)。在氟離子存在的條件下，鋼筋的腐蝕電位負(fù)移，且濃度愈高，電位負(fù)移愈明顯，與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相符8。實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:(1)鋼筋在模擬混凝土體系中會(huì)形成鈍化膜，阻止腐蝕的發(fā)生，隨著溶液pH下降，鋼筋更容易被腐蝕。(2)溶液中含有微量氯離子和氟離子可破壞鐵的鈍化，隨

11、著離子濃度的增加，點(diǎn)蝕電位降低，點(diǎn)蝕更容易。由于該實(shí)驗(yàn)體系是模擬鋼筋混凝土系統(tǒng)，故而可得到推論:滲入混凝土內(nèi)部的雨水帶入的CO2、Cl，及黃沙、石料中的F等可加快鋼筋的腐蝕。 5工程案例分析 在實(shí)驗(yàn)思考題部分，我們請(qǐng)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析這樣一個(gè)工程案例:深圳鹿丹村是一個(gè)建成僅20余年的社區(qū)，如今小區(qū)內(nèi)樓房已成危房，墻面、樓板開(kāi)裂，鋼筋外露，有的用手輕輕一折就斷，市住建局在檢查后確認(rèn)問(wèn)題產(chǎn)生的原因在于當(dāng)年施工時(shí)使用了海砂。海砂是受海水侵蝕而沒(méi)有經(jīng)過(guò)淡化處理的砂，含有大量氯離子?；炷林新入x子與氫氧根離子濃度比存在一個(gè)臨界值8，當(dāng)濃度比高于臨界值時(shí)，鋼筋的腐蝕就比較快。因此，建筑工程規(guī)范規(guī)定普通鋼筋混凝土砂子氯離子含量應(yīng)小于006%，預(yù)應(yīng)力混凝土砂子氯離子含量小于002%9。資料顯示，沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化處理海砂的氯離子含量在0.088%0119%之間，若只是進(jìn)行簡(jiǎn)單凈化處理，含量仍達(dá)到0065%0079%，遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范允許的范圍10。鹿丹村建筑物正是用了氯離子含量超標(biāo)的海砂，導(dǎo)致鋼筋快速腐蝕，產(chǎn)生嚴(yán)重質(zhì)量事故。通過(guò)對(duì)工程案例的分析，學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的原理、方法和結(jié)果留下了極為深刻的印象。 6結(jié)語(yǔ) 實(shí)驗(yàn)?zāi)M鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境，以鋼筋為研究電極，氫氧化鈣和硝酸鉀