建筑钢筋腐蚀行为模拟研究

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑建筑钢筋腐蚀行为模拟研究 摘要:将物理化学的基本原理与材料学基础知识结合起来，开发了一个新的电化学方面的实验项目。模拟钢筋在混凝土中所处的碱性环境，以钢筋作为研究电极，以饱和氢氧化钙溶液为电解液，采用通二氧化碳的方法调节溶液pH值，用添加氯化钠方法调节溶液的盐度，通过测定阳极极化曲线，研究了模拟混凝土体系pH、Cl对钢筋的腐蚀和钝化成膜的影响，探讨了该实验用于本科教学所取得的教学效果。 关键词:钢筋;混凝土体系;极化曲线;教学 “物理化学实验”是化工、材料、环境、冶金、汽车等工科专业的重要基础课，“极化曲线的测定”是课程中有关电化学的经典教学内容12，目前教

2、材中最常见的实验有“镍在硫酸体系中的极化曲线”和“铁在氯化钠溶液中的极化曲线”等。本文介绍一个新的“极化曲线”方面的实验“建筑钢筋腐蚀行为的模拟研究”，这是个原创性实验项目，涉及到电化学、材料学及建筑工程等交叉学科的知识，实验的设计思想符合“新工科”专业建设的教学理念3。该实验用于材料、土木、化工等专业本科生教学，取得良好的教学效果。 1实验原理 钢筋和混凝土是常见的建筑材料。钢筋又叫做碳钢，混凝土则是由硅酸盐水泥熟料、砂、石子、水、外加剂等混合而成的人工石材。硅酸盐水泥熟料主要含有硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·

3、;Al2O3)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四种物质。其中，硅酸三钙约37%60%，硅酸二钙15%37%，铝酸三钙7%15%，铁铝酸四钙10%18%。这四种物质遇水后均会发生水化反应:2(3CaO·SiO2)+6H2O3CaO·2SiO2·3H2O(胶体)+3Ca(OH)2(晶体)2(2CaO·SiO2)+4H2O3CaO·2SiO2·3H2O(胶体)+Ca(OH)2(晶体)3CaO·Al2O3+6H2O3CaO·Al2O3·6H2O(晶体)4CaO·Al2

4、O3·Fe2O3+7H2O3CaO·Al2O3·6H2O(晶体)+CaO·Fe2O3·H2O(胶体)部分水化铝酸钙(3CaO·Al2O3·6H2O)与水泥中的少量石膏继续反应，生成水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，包括钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙)。如果忽略一些次要成分，水泥发生水化反应后的主要产物为水化硅酸钙、水化铁酸钙，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。其中，前二者呈凝胶形态，约占70%;氢氧化钙和水化硫铝酸钙为晶体，前者占20%，后者占7%。由此可见，混凝土凝结

5、过程中主要析出硅酸钙胶体以及氢氧化钙和水化硫铝酸钙晶体等，形成的孔隙液为氢氧化钙饱和溶液，pH值呈碱性。此外，混凝土中还含有雨水带入的CO2、Cl，以及黄沙、石料带入的F等其他离子，这些都会改变混凝土内部的环境，对混凝土中钢筋的腐蚀产生影响。本实验以钢筋为研究电极，以氢氧化钙和硝酸钾为电解液，加入CO2、Cl、F等，模拟钢筋在混凝土中所处的碱性环境。通过恒电位法测定其极化曲线，引导学生探讨pH、Cl等对钢筋的腐蚀和钝化成膜的影响。 2仪器和试剂 DHZ型电化学工作站(南京桑力电子设备厂)、钢筋电极、铂电极、饱和甘汞电极、通气玻璃管、pH计、玻璃电极、烧杯、量筒、容量瓶等。Ca(OH)2饱和溶液

6、(用氢氧化钠溶液调节pH值为125)、2%(体积比)硫酸溶液、NaCl、NaF(A)、二氧化碳气体钢瓶、丙酮、金相砂纸等。 3实验步骤 31钢筋电极制备 将钢筋浸入熔化的蜡中数次，封闭钢筋下部接触电解质溶液的部分。在近底部靠近鲁金毛细管口位置用刀片刮出一小块矩形钢筋面(将蜡刮干净)，用游标卡尺测量该小块钢筋面的尺寸(电极的面积02096cm2)，将电极浸入2%的H2SO4溶液中，电磁搅拌510分钟，取出用蒸馏水洗净备用。 32电解质溶液 在Ca(OH)2饱和溶液中加入KNO3作为支持电解质，支持电解质浓度约为005mol·dm3。将配制好的电解液由研究电极池一侧倒入电解池。 33极化

7、曲线测定 采用3电极体系，以钢筋电极为研究电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，分别安装在对应的电极管中。其中，钢筋电极工作面置于毛细管口约5mm，各电极用电缆与工作站连接。测量参数设置:电压范围06V10V，最低电压0.6V，静置5min直至电压稳定开始测定，扫速0.01V/s，灵敏度0001V。 34pH值的影响 将二氧化碳气体鼓泡通入Ca(OH)2饱和溶液，至溶液的pH=12、11、10、9。加入KNO3作为支持电解质，重复上述极化曲线测定步骤。 35氯离子的影响 在容量瓶中分别配制支持电解质KNO3浓度约为005mol·dm3，NaCl浓度为001、002、004、

8、0.06、008mol·dm3的饱和Ca(OH)2溶液，重复上述极化曲线测定步骤。 36氟离子的影响 将实验步骤4中的氯离子换成氟离子，测定不同pH值模拟孔隙液中氟离子浓度对极化曲线的影响。 4结论 铁在电解质溶液中的极化曲线通常含有金属活化区、钝化过渡区、钝化区、过钝化区4大区域4。图1为钢筋在饱和氢氧化钙溶液中的极化曲线，图中并没有出现全部4个相应区域，仅出现钝化和过钝化区，原因在于碱性溶液中钢筋表面已预先形成钝化的保护膜，逐渐升高阳极极化电位电流缓慢增加，当电位达到06903V时(对应电流值为0.2615mA)，电流开始快速上升，此时钢筋表面产生气泡并发生腐蚀，该电位对应于钢筋

9、在此条件下的腐蚀电位。利用二氧化碳改变溶液的pH值测定极化曲线。pH对极化电位及电流的影响如表1所示，可以看出，随着溶液pH的降低，钢筋过钝化区的阳极极化电位逐渐变小，钢筋更易腐蚀。换句话说，溶液碱性增加，钢筋的钝化区加宽，更容易发生钝化，稳定性加强5。图2为氢氧化钙溶液中加入不同浓度氯化钠时钢筋电极的极化曲线，相应的极化电位和电流列于表2。在氯化钠存在的条件下，钢筋的过钝化区明显减小，腐蚀电位负移。随着氯离子浓度的增加，钢筋的过钝化区的阳极极化电位逐渐变小，钢筋更易被腐蚀。氯离子加快金属的腐蚀有多种机理解释:成相膜理论认为氯离子有较强的穿透能力，它可以穿透金属表面氧化膜的孔隙或缺陷处，破坏氧

10、化膜的结构。吸附理论则认为，氯离子电负性很强，比溶液中的O2或氢氧根离子更容易吸附到金属表面。氯离子与金属表面的接触可以使金属离子水化，致使金属以离子形式转移到溶液中，引起腐蚀6。此外，也有文献认为，氯离子的吸附能降低金属阳极过程的超电位，进而引起点蚀，点蚀电位即为表中的腐蚀电位7。用氟化钠代替氯化钠重复上述实验，得到类似结果(见表3所示)。在氟离子存在的条件下，钢筋的腐蚀电位负移，且浓度愈高，电位负移愈明显，与文献报道结果相符8。实验得出以下结论:(1)钢筋在模拟混凝土体系中会形成钝化膜，阻止腐蚀的发生，随着溶液pH下降，钢筋更容易被腐蚀。(2)溶液中含有微量氯离子和氟离子可破坏铁的钝化，随

11、着离子浓度的增加，点蚀电位降低，点蚀更容易。由于该实验体系是模拟钢筋混凝土系统，故而可得到推论:渗入混凝土内部的雨水带入的CO2、Cl，及黄沙、石料中的F等可加快钢筋的腐蚀。 5工程案例分析 在实验思考题部分，我们请学生依据实验结果分析这样一个工程案例:深圳鹿丹村是一个建成仅20余年的社区，如今小区内楼房已成危房，墙面、楼板开裂，钢筋外露，有的用手轻轻一折就断，市住建局在检查后确认问题产生的原因在于当年施工时使用了海砂。海砂是受海水侵蚀而没有经过淡化处理的砂，含有大量氯离子。混凝土中氯离子与氢氧根离子浓度比存在一个临界值8，当浓度比高于临界值时，钢筋的腐蚀就比较快。因此，建筑工程规范规定普通钢筋混凝土砂子氯离子含量应小于006%，预应力混凝土砂子氯离子含量小于002%9。资料显示，没有经过净化处理海砂的氯离子含量在0.088%0119%之间，若只是进行简单净化处理，含量仍达到0065%0079%，远超过规范允许的范围10。鹿丹村建筑物正是用了氯离子含量超标的海砂，导致钢筋快速腐蚀，产生严重质量事故。通过对工程案例的分析，学生对本实验的原理、方法和结果留下了极为深刻的印象。 6结语 实验模拟钢筋在混凝土中所处的碱性环境，以钢筋为研究电极，氢氧化钙和硝酸钾