氯盐侵蚀混凝土结构延寿技术初探Ⅱ——混凝土中6种胺类有机物电迁移与阻锈性能.pdf

第 1 7卷第 5期 2 0 1 4年 1 O月 建筑材料学报 j oURNAL OF B UI LDI NG MATERI AI S VO 1 17， No 5 Oc t 2O 1 4 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 7 6 1 0 7 氯盐侵蚀 混凝 土结构 延寿技术初探 混凝 土 中 6种胺 类有机物 电迁移 与 阻锈性 能 许 晨 ， 金 伟 良 ， 章 思颖 ( 1 浙 江大 学 结构 工程 研究 所 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 8 ； 2 浙江 大学 宁波 理工 学 院 土木建 筑工 程学 院 ， 浙 江 宁波 3 1 5 1 0 0 ) 摘要：采用有机元素分析仪 、 快速氯 离子测定法( Rc T) 、 电化学阻抗谱 法( E I S ) 和弱极化 法， 研究 6 种胺 类 有机 物在 混凝 土 中的 电 迁移 能 力 、 氯 离子 的排 除 情 况及 通 电前后 钢 筋锈 蚀 的 变化 情 况 结 果表明： 相 同条件下 ， 不 同的胺类阻锈剂在混凝土 中的 电迁移能力和存 留能力不同， 且胺类阻锈剂 种 类对 氯 离子 的排 除影 响不 大 ； 双 向 电渗 技 术 的 除 氯 效 果 比 电化 学的 除 氯 效果 弱 ， 但 双 向 电渗后 钢筋附近混凝土孔隙液 中阻锈剂的含量是氯离子含量( 质量摩 尔浓度) 的 2 7倍 ； 双向电渗后 混凝 土保 护层 电 阻增 大 ， 钢 筋的锈 蚀速 度 由通 电前 的 电荷 传 递 过程 控 制 转 变为 氧 气在 混 凝 土 中的渗 透 速度 控制 ， 钢 筋 的腐蚀 电位 显 著提 高 ， 从 而使 钢 筋 的耐蚀 性能得 以提 高 关键 词 ： 双 向 电渗技 术 ；混凝 土 ； 胺 类 阻锈 剂 ；氯 离子 ；电化 学 阻抗 谱 ； 弱极化 曲线 中图分类 号 ： T U3 7 5 文献标 志 码 ： A d o i ： l 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 5 0 0 3 Pr e l i mi na r y S t u d y o n S e r v i c e Li f e Ex t e n s i o n o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s u n d e r Chl o r i d e En v i r o nme nt - El e c t r o m i g r a t i o n a nd Co r r o s i o n I n hi b i t i o n Pe r f o r ma n c e o f S i x Ami n e - Ba s e d I n hi b i t o r s i n Co n c r e t e X己 ， Ch e n ， JI N We i l i a n g ， ZHANG Si y i n g ( 1 I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g，Z h i a n g Un i v e r s i t y，Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8，Ch i n a ；2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g& Ar c h i t e t u r e ，Ni n g b o I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y，Z h e j i a n g Un i v e r s i t y ，Ni n g b o 3 1 5 1 0 0 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：The p e r me a bi l i t y of s i x a m i n e b a s e d i nhi b i t o r s， t he e f f e c t i v e ne s s o f c hl o r i de r e mo va 1 a nd t he c h a ng e o f c a r bo n s t e e I i n t he c h l o r i d e c o nt a m i n a t e d r e i nf or c e d c o n c r e t e s pe c i me ns we r e s t u di e d b y or g a ni c e l e me n t a l a n a l y z e r ，r a p i d c h l o r i d e t e s t( RCT)，e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( EI S)a n d we a k p ol a r i z a t i on me t h od Th e r e s u l t s s h ow t h a t und e r t he s a me c o nd i t i on，s i x a mi ne b a s e d i nh i b i t o r s ha v e d i f f e r e nt pe r me a b i l i t y i n c o nc r e t e，bu t wi t h d i f f e r e nt a m i n e b a s e d i n hi b i t o r s，t he e f f e c t i v e ne s s o f c hl o r i de r e mo va l s h ows s l i g ht di f f e r e nc e Co m p a r e d wi t h e l e c t r oc he m i c a l c hl o r i d e r e m o v a l ，t he e f f e c t i v e ne s s of b i di r e c t i o na l e l e c t r o m i g r a t i o n r e ha b i l i t a t i o n i S we a ke r H o we v e r ，t he c o nt e nt o f a mi n e ba s e d i nhi bi t o r s i n c on c r e t e po r e s ol u t i o ns i s t wi c e t ha t of t he r e s t of c hl or i d e El e c t r oc he m i c a l i m p e d a nc e s pe c t r o s c o py ( EI S)a n d we a k p o l a r i z a t i o n t e s t s i nd i c a t e t ha t a f t e r bi d i r e c t i o na l e l e c t r o m i gr a t i on r e ha b i l i t a t i o n，t he r e s i s t a nc e o f t he c o nc r e t e c o v e r a nd t he c o r r o s i on p o t e n t i a l o f s t e e l a r e i m p r ov e d Thi s m e a ns c o r r o s i o n r e s i s t a n c e of s t e e li S i m p r o v e d Bu t t he c o r r os i o n c ur r e n t a nd t he c o r r o s i on r a t e o f s t e e 1 i s i n c r e a s e d I t i s pr o ba b l y be c a u s e a l 一 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 0 1 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 2 7 基金项 目： 国家 科 技 部 项 目 ( $ 2 o i i Z l O l O 0 ) ； 国 家 自然 科 学 基 金 重 大 国际 合 作 项 目( 5 0 9 2 0 1 0 5 8 0 6 ) ； 宁 波 市科 技 创 新 团 队 项 目 ( 2 0 1 1 B 8 1 0 0 5 ) ； 质检总局公益性科研项 目( 2 0 1 2 1 0 2 2 92 ) 第一作者 ： 许晨( 1 9 8 4 ) ， 男 ， 浙江杭州人 ， 浙江大学助理研究员 ， 博士 E ma i l ： z j u x u c h e n z j u e d u C D 通信作者 ： 金伟 良( 1 9 6 1 ) ， 男 ， 浙江杭州人 ， 浙江大学教授 ， 博士生导师 ， 博士 E ma i l ： j i n wl z j u e d u O i l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 许晨 ， 等 ： 氯盐侵蚀混凝土结构延 寿技 术初 探 混凝土 中 6种胺类有机物 电迁移与阻锈性能 7 6 5 得到 相应 的等 效 电路 模 型 1 ， 如 图 7所 示 图 7 ( a ) 尺 为参比电极端部至混凝土表 面之 间的溶液 电阻， 尺 为混凝土保护层 电阻， R 为钢筋锈层 电阻 ， R。 为 钢筋 表 面双 电 层 的 转 移 电阻 ， Q 为 混 凝 土 固 液 界 面 电容 ， Qf 为点蚀 孔 内界 面 电容 ， Q。 为混 凝 土 钢筋 界面钝 化 膜双 电层 电容 常 相 位 角 元 件 Q 表示 一个 考虑了“ 弥散效应” 的非理想 的电双层 电容， 其阻抗 Z Q Y o ( ) 一 其 中 y 0 为基本 导纳 ， 表示钢 筋表 面 的粗 糙程度 ， 量纲为 Q c m S 一 ； 表 示 电 双层 偏 离理 想 电容 的程 度 ( O ， z 1 ) ， 当 一0时 ， Q 为 电 阻 ， 当 一1时 Q 为纯 电容 1 图 7 ( a ) 的 电极 系 统 的 法 拉第 阻抗 表达 式 为 ： zR + 干 + 干 + ! ! r 1、 1+ R Y ( ) ” c t 一 与 图 7 ( a ) 相 比 ， 图 7 ( b ) 中增 加 了元 件 w ， 表 示 Wa r b u r g阻抗 ， 阻 抗 Z wYw ( 叫 ) ， 用 以模 拟 扩散 控制 效应 图 7 ( b ) 的电极 系 统 的法 拉 第 阻 抗 表 达式 为 ： zR + 干 + 干 + 。 一 ( 2) + yc t 足 足 R ( a ) Be f o r ep o we r O n ( b ) Af t e r p o we r O n 图 7 电化学 阻抗谱 的等效电路图 Fi g7 Eq ui v a l e n t e l e c t r i c c i r c u i t f o r t he s i mul a t i o n o f r es ul t s of EI S t e s t s 采 取 图 7中 的等 效 电路对 通 电前后 钢筋 混凝 土 试件的电化学阻抗谱 ， 用软件 Z S i mp Wi n进行拟合 处理 由图 5 ， 6 可 以看 出 ， 阻抗谱 的试 验数 据 与拟 合 曲线吻合得很好 表 2 ， 3分别为通电前后钢筋混凝 土试件电化学阻抗谱的等效 电路元件拟合值 可以 看 出 ， 与通 电前 相 比 ， 保 护层 电阻 有增 有 减 ， 变 化 不 大 虽 然 已有 研 究 表 明 ， 通 电 后 阴 极 反 应 产 生 的 OH一 在外 加 电场作 用下 向外 迁 移 ， 与 混凝 土孑 L 隙 液 中的钙离 子 形 成 C a ( OH) ， 在 混 凝 土孔 隙 壁 上 沉 淀 ， 使 混凝 土孔 隙孔 径减 小或 封 闭 ， 导致 混凝 土 孔 隙 率下降 但是 ， 由于测试 是在 自然风 干 1个月后进 行 ， 各 试件 的风 干程 度不 同 ， 使 得保 护层 电阻变 化规 律并 不 明显 同 时 ， 与通 电前 相 比， 代 表 钢 筋 锈层 电 表 2通电前钢筋混凝土试件电化学阻抗谱 的等效 电路元件拟合值 T a b l e 2 Fi t t i n g d a t a o f EI S me a s u r e me n t s f o r r e i n f o r c e d c o nc r e t e s p e c i me ns b e f o r e p o we r o n 表 3 通 电后钢筋 混凝 土试件 电化学 阻抗谱 的等效 电路元件拟合值 T a b l e 3 Fi t t i ng d a t a o f EI S me a s u r e me n t s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s a f t e r p o we r o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 许晨 ， 等 ： 氯盐侵蚀混凝土结构延 寿技 术初 探 混凝土 中 6种胺类有机物 电迁移与阻锈性能 7 6 7 动也较小 ， 数据准确 ， 但其 分析方程 为均匀腐蚀计 算 对于发生点蚀 的钢筋来说 ， 其数据有 一定 的误 差 ， 但 可 以作 为参 考 在通电结束后 的较短时间 内， 通 电对钢筋 的影 响较大 ， 阻锈剂 的存在无法阻止钢筋碱性腐蚀 的发 生 所 以 ， 短 时 间 内 ， 双 向电渗 技 术 对 钢 筋耐 蚀 能 力 的提高程度与电化学除氯类似 但从长期效果来看 ， 由于混凝土内阻锈剂含量是剩余氯离子的 2 7倍 ， 双向电渗技术对钢筋耐蚀性能的提高应该优于电化 学 除氯 ， 但 这还 需要 长期 试 验研究 3 结 论 ( 1 ) 相 同条 件下 ， 不 同 的胺类 阻锈 剂在 混凝 土 中 的电迁 移能力 和存 留能 力 不 同 就 混 凝 土 中阻 锈 剂 的含 量 而言 ， N， N 一 二 甲基 乙醇 胺及 乙醇 胺 较 高 ， 1 ， 6一 己二 胺居 中 ， 三 乙烯 四胺及 胍其 次 ， 二 甲胺最 少 ( 2 ) 相 同条件 下 ， 不 同胺类 阻锈 剂对 氯离 子 的排 除影 响不 大 双 向 电渗 技术 对 氯 离 子 的去 除 能 力 比 电化学除氯的效果要弱 双向电渗后 ， 钢筋附近混凝 土孔 隙液 中阻锈 剂 的含量 是氯 离子 含量 的 2 7倍 ， 这对 胺类 阻锈 剂 阻锈 作 用 的发 挥 非 常 有利 但 有 必 要进 行 长期试 验 研究 ( 3 ) 双向电渗后的电化学阻抗谱数据表 明， 混凝 土保 护 层 电 阻有 增 有 减 ， 变 化 规 律不 明显 同 时 ， 代 表钢 筋锈 层 的阻 抗 降 低 显 著 ， 可 能 由于 锈 蚀 被 还原 成铁 单质 所致 ( 4 ) 双向电渗后 的弱极化曲线数据表明， 试件 中 钢筋的腐蚀电位明显提高， 钢筋的耐蚀性能提高 ， 且 从弱极化 曲线的变化来看 ， 钢筋已恢复钝化 同时， 钢 筋的腐蚀电流密度和锈蚀速率略有增长， 表明通电过 程 中发 生 了碱 性 腐 蚀 ， 钢 筋 表 面 钝 化 膜 破 坏 程 度 增 大 但很 可能在 放置 较 长 一段 时 间 后 ， 随着 氧 气 的进 入 ， 钢筋 表面将恢 复钝化 但 这需要长期 试验验证 参考 文 献 ： 1 Z HANG Yi ， J I N We i l ia n g D i s t r i b u t i o n o f c h l o r i d e a c c u mu l a t i o n i n ma r i n e t i d a l z o n e a l o n g a l t i t u d e J Ma t e r i a l s J o u r n a l 2 01 1 ， 1 O 8( 5 )： 4 67 - 4 7 5 2 3 4 FAJ ARDO G，ES CADEI LLAS G，ARLI GUI E GEl e c t r o c h e mi c a l c hl o r i d e e x t r a c t i o n ( ECE)f r o m s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s c o n t a mi n a t e d b y“ a r t i f i c i a l ”s e a wa t e r J Cor r o s ibn S c i e n c e， 2 0 0 6， 4 8 ( 1 )： 1 1 0 1 2 5 MI RANDA J M ， GONZGdLEZ J A， COBO A， e t a 1 S e v e r a 1 q ue s t i o n a b o u t e l e c t r o e h e mi c a l r e h a b i l i t a t i o n me t h o d s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 4 8 ( 8)： 21 7 2 21 8 8 徐建芝 ， 丁铸 ， 邢峰 钢筋 混凝土 电化学脱盐 修复技 术研究 现 5 6 7 8 9 - 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 状 J 混凝士， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 2 2 2 4 XU J i a n z h i ，DI NG Zh u，XI NG Fe n g Re s e a r c h s t a t u s o f e l e c t r o c h e mi c a l c h l o r i d e e x t r a c t ion( ECE)o n s t e e l r e i nf o r c e d c o n c r e t e J 3 C o n c r e t e ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 2 2 2 4 ( i n C h i n e s e ) S AW ADA S， KUB0 J ， PAGE C L， e t a 1 El e c t r o c h e mi c a l i n j e c t i o n o f o r g a n i c c o r r o s i o n i n h i b it o r s in t o c a r b o n a t e d c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s： P a r t 1 Ef f e c t s o n p o r e s ol u t i o n c h e mi s t r y J C o r r o s io n S c i e n c e ， 2 0 0 7 ， 4 9 ( 3 ) ： 1 1 8 6 1 2 0 4 S AW ADA S， PAGE C I ， PAGE M MEl e c t r o c h e mi c a l i n j e e t i o n o f o r g a n i c c o r r o s i o n i n h i b i t o r s i n t o c o n c r e t e J C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 0 5， 4 7 ( 8 )： 2 0 6 3 2 0 7 8 KUBO J， S AW ADA S， PAGE C L， e t a 1 El e c t r o c h e mi c a l i n h i b i t o r i n j e c t i o n f o r c o n t r o l o f r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n i n c a r b o n a t e d c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d C o r r o s i o n ， 2 0 0 8 ， 5 9 ( 2 ) ： 1 0 7 1 1 4 唐军务 ， 李森林 ， 蔡伟成 ， 等 钢筋 混凝 土结构 电渗 阻锈 技术 J 海洋工程 ， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ： 8 3 8 8 TANG J u n wu， LI Se n l i n， CAI W e i c h e n g， e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o f i n h i bi t o r e l e c t r o mi g r a t i o n a n t i c o r r o s i o n t e c h n o l o g y o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J Th e Oc e a n E n g i n e e r i n g 。 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ： 8 3 8 8 ( i n Ch i n e s e ) L I D E D R Ha n d b o o k o f c h e mi s t r y a n d p h y s i c s M B o c a R a t o n： CRC Pr e s s ， 2 0 0 9： 2 0 1 - 2 0 5 张书圣 ， 温永红 ， 丁彩风 ， 等 有机化学手册 M 北京 ： 化学工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ： 1 5 3 - 1 5 9 Z H ANG Sh u s he n g， W EN Yo n g h o n g， DI NG Ca i f e n g， e t a 1 D e a n s h a n d b o o k o f o r g a n i c c h e mi s t r y M B e ij i n g ： C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s， 2 0 0 6： 1 53 1 5 9 ( i n Ch i n e s e ) 曹楚南 ， 张鉴清 电化 学阻抗谱 导论 M 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 0 2： 2 6 - 5 1 CAO Ch u n a n， ZHANG J i a n q i ng An i n t r o d u c t i o n t o e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2： 2 6 5 1 ( i n Ch i n e s e ) 许晨 ， 李志远 ， 金伟 良 混凝 土中钢筋锈 蚀的 电化 学阻抗谱 特 征研究 J 腐蚀科 学与防护技术 ， 2 0 1 1 ， 2 3 ( 5 ) ： 3 9 3 3 9 8 XU Ch e n， LI Zh i y u a n， J I N W e i l i a n g El e c t r o c h e mi c a l i mp e d a nc e s p e c t r o s c o py c h a r a c t e r i s t i c s o f c o r r os i o n b e h a v i o r o f r e b a r i n c o n c r e t e J Co r r o s i o n S c i e n c e a n d P r o t e c t i o n T e c h n o l o gy， 2 01 1， 2 3( 5 )： 3 9 3 3 9 8 ( i n Ch i n e s e ) 许晨， 金伟 良 ， 王传坤 混凝 土中钢 筋脱 钝的 电化学弱极化 判 别方法口 交通科学与工程 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 1 3 6 XU Ch e n，J I N W e i l i a n g，W ANG Ch u a n g k u n Di s t i n g u i s h i n g t he d e p a s s i v a t i o n o f r e ba r i n c o nc r e t e wi t h we a k p o l a r i z a t i o n me t h o d J J o u r n a l o f Tr a n s p o r t S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9， 2 5( 4) ： 3 1 - 3 6 ( i n Ch i n e s e ) ASTM G 1 0 2 S t a n d a r d p r a c t i c e f o r c a l c u l a t i o n o f c o r r o s i o n r a t e s a n d r e l a t e d i n f or m a t i o n f r o m e l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e me n t s S 王凤平 ， 康万利 ， 敬和 民 腐蚀 电化学原 理、 方法及 应用 M 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 8 ： 9 5 - 9 8 W ANG Fe n g p i n，KANG Wa n l i ，J I NG He roi n Pr i n c i p l e s， me t h o d s a n d a p p l i c a t i o n o f e l e c t r o c h e mi s t r y o f c o r r o s i o n M B e ij i n g ： C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 8： 9 5 9 8 ( i n C h i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m