环氧树脂涂层钢筋混凝土的电化学研究

编辑/作者:管理员  发布时间:2010-8-31  字号:

                                                 宋刘斌,李聪,黄水成,徐丹
                                      (长沙理工大学化学与生物工程学院,长沙410004)
    摘要:用4×4阵列丝束电极模拟研究混凝土中钢筋的腐蚀,将钢筋混凝土做铁丝表面涂抹树脂和混凝土表面涂抹树脂的涂层处理。通过测量铁丝的自腐蚀电位,研究不同涂层方式对混凝土防腐方面的影响。结果表明,只在混凝土表面涂抹树脂是最好的保护方式,它可以使钢筋的腐蚀电位一直处于钝化范围内,从而保证了钝化膜的完整性。环氧树脂涂层能够非常有效地防止钢筋锈蚀,可有效减少使用期间的维修管理费用,且延长了结构的使用寿命,其经济效益和社会效益是十分巨大的。
    关键词:环氧树脂;涂层;混凝土;腐蚀;丝束电极
    中图分类号:TQ630
    文献标识码:A
    文章编号:1006-2556(2009)09-0061-04
    0·前言
    当今的大坝、大桥、高楼等基础设施大多由钢筋混凝土建成,在空气和环境中富含氯离子的沿海地区和在使用去冰盐化冰的地区,氯离子是造成水泥混凝土破坏的主要因素之一。氯离子对混凝土的破坏:一方面表现在氯离子可在水泥混凝土中成盐结晶,体积膨胀,从而使水泥混凝土开裂;另一方面,氯离子可破坏钝化层,对钢筋形成点蚀[1]。为了延长基础设施的使用寿命,可以通过增加水泥混凝土结构本身的密实性(添加混合物如缓蚀剂)、钢筋表面处理、阴极保护、水泥混凝土结构表面的防护以及替代的增强材料(如碳纤维)来进行。其中,环氧树脂涂层可以有效地阻隔混凝土及钢筋与有害物质接触,从而弥补混凝土多孔性的缺陷,起到很好的防护作用[2]。
    1·材料与方法
    将长16 cm、直径为2 mm的铁丝用金相砂纸逐级打磨,经乙醇、丙酮清洗后,在铁丝表面涂覆一层环氧树脂,打磨并清洗铁丝的另一端以作为研究面。取52.5#普通硅酸盐水泥,按水灰比1∶2、灰砂比1∶4混合后搅拌均匀,分别浇注在3组15 cm×15 cm×15 cm的混凝土浇注模中。将16根铁丝排列成4×4的矩阵插入混凝土浇注试样中,行距与列距均为3 cm。插入深度不同,其中第1行铁丝距离腐蚀液浸入面为1 cm,此后逐行增加1 cm,至第4行其距离腐蚀液浸入面为4 cm。其试样结构见图1。
               
    将混凝土试样进行不同的表面处理:空白、铁丝表面涂抹树脂、混凝土表面涂抹树脂、混凝土与铁丝表面均涂抹树脂。其中,树脂涂料用环氧树脂和聚酰胺环氧树脂按1∶1的比例混合而成。
    将试样分别浸泡在2%、3%、5%、7%、10%、12%的NaCl溶液中。采用三电极法,用EG&G 283恒电位扫描仪测量电极极化曲线,连续测量9 d,测量周期为24 h;以饱和甘汞电极为参比电极,采用SDC-Ⅲ数字电位差综合测试仪测量电位,将试样浸泡在3%的NaCl溶液中,浸入面处于同一水平面。每天测量每个电极的腐蚀电位,连续测量9 d,测量周期为24 h。
    2·结果和讨论
    2.1空白试样
    将得到的腐蚀电流密度换算成腐蚀速率后,用Origin软件将它们制成直观的二维腐蚀趋势图,见图2。图中曲线1、2、3、4分别表示插入深度为14 cm、13 cm、12 cm、11 cm的4行铁丝的腐蚀电位变化。
              
    由图2可知:在测量的第1天,铁丝的电位均小于-0.28 V。根据文献:当铁丝电位在0~-0.28 V时不发生锈蚀,-0.28~-0.40 V时存在锈蚀可能,而小于-0.40 V会发生锈蚀。这表明,在浸泡1 d后,铁丝表面的钝化膜都已遭到了不同程度的破坏。而且随着时间的推移,铁丝的腐蚀不断在加剧,电位不断地负移。前6天铁丝的电位负移程度很大,而在后3天则趋于平稳,这主要与混凝土的结构有关。由于混凝土内部结构很复杂,每块区域的密实性不一,孔隙数和孔隙大小也各不相同,使得前6天每根铁丝受到的腐蚀程度有着很大的差异性。而随着浸泡时间的不断延续,铁丝周围的Cl-浓度都达到了临界值,16根铁丝的电位图逐渐趋于平稳,使得铁丝后3天的腐蚀电位差距较前6天的要小。
    2.2环氧树脂涂层铁丝表面
    铁丝表面涂抹树脂试样的电化学测量结果见图3。
               
    由图3可知:在测量的第1天,第1行铁丝的平均电位就已经小于-0.40 V,铁丝都受到了腐蚀,而第2、3、4行铁丝仍处于钝化状态。这主要是由于第1行铁丝离底部的浸入面最近,Cl-到达第1行铁丝最快,吸附时间也最长,使得铁丝上的树脂涂层最快被破坏而引起腐蚀。除第2行铁丝外,其他3行铁丝从第5天开始电位都趋于平缓,到了第7天,电位都有小幅的下降而到第8天时又逐渐上升。出现这一现象的原因是:经过几天的浸泡后,铁丝上的涂层逐渐被氯离子破坏,裸露出的铁丝与周围高碱性的混凝土发生了碱腐蚀,形成一层保护膜,使得电位逐渐平缓并有所上升。但由于氯离子的不断侵蚀,混凝土的孔隙液里充满了游离的Cl-,铁丝上刚形成的钝化膜又遭到了破坏,使得电位又出现了下降。
    2.3环氧树脂涂层混凝土表面
    图4是混凝土表面涂抹树脂试样中铁丝的平均腐蚀电位随时间变化图。由图4可知,混凝土表面涂抹树脂试样的平均自腐蚀电位变化较稳定,并未随着时间的增加而发生很大的负移,9 d里电位都稳定在-0.28 V以上。比较4个试样我们可知,只在混凝土表面涂抹环氧树脂的做法保护性能最优。这是因为混凝土内部具有高碱性(pH值为12.5~13),钢筋处在这种高碱性条件下会发生碱腐蚀,在极短的时间内钢筋表面迅速形成一层厚约十至几十埃且十分致密的Fe3O4和Fe2O3钝化膜,将保护钢筋免遭进一步腐蚀。只有钢筋表面的钝化膜遭到破坏,钢筋才可能进一步腐蚀[1]。
              
    2.4丝束电极中腐蚀电位分布

    图5中X,Y轴表示铁丝所处的坐标,Z轴为腐蚀电位的相反数-E。从图5可知,混凝土表面涂抹树脂试样的电位分布图波动性最小,除了几根异常的铁丝外,大多数铁丝在浸泡9 d后,电位值仍高于-0.28V处于钝化状态,这是因为混凝土外表面上的环氧树脂涂层有效地阻止了有害物质的侵入。混凝土中钢筋钝化膜遭到破坏的机理[3-6]:一是混凝土的碳化,空气中的CO2在混凝土表面逐渐被Ca(OH)2吸收形成CaCO3;二是Cl-的侵入,Cl-渗透到钢筋周围达到一定的浓度(临界浓度)时就会破坏钝化膜,导致钢筋发生电化学腐蚀。由于混凝土涂层在混凝土与溶液之间形成了很好的阻隔作用,阻止了腐蚀介质的进入,使得铁丝一直在混凝土中处于很好的钝化状态。所以,在混凝土表面涂抹环氧树脂的方式能有效地保护钢筋不被腐蚀。这说明了只在混凝土表面涂抹树脂的方式保护性是最好的。
    在测量电位时还发现,涂抹了环氧树脂的试样电位波动很大,不容易稳定。由文献[7]可知这与环氧树脂具有良好的电绝缘性有关。应用于电气化铁路、地铁的钢筋混凝土会经常受到杂散电流的影响从而引起腐蚀。因此,可以将涂敷了环氧树脂的钢筋混凝土应用于会产生杂散电流的建构物中。
    3·结论
    (1)只在混凝土表面涂抹环氧树脂是最好的保护方式,环氧树脂涂层能有效地隔离环境中的侵蚀性物质,弥补混凝土多孔性的缺陷。对防止沿海地区和冰雪融化剂的氯离子对混凝土的破坏作用有意义。
    (2)环氧树脂有着良好的电绝缘性,可应用于有杂散电流作用的混凝土结构物的防腐蚀。
    (3)丝束电极技术能有效地模拟混凝土中钢筋的腐蚀状况,为我们提供了丰富可靠的数据。
参考文献
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基金项目:湖南省科技厅科技计划项目(2008FJ3010)