磷酸盐系缓蚀剂在碱性环境中的缓蚀效果研究
摘 要摘 要钢筋混凝土结构作为用量最大的工程材料，广泛应用于港口、海洋平台、海上风电等海洋结构中。但由于海洋环境的腐蚀介质（Cl-）浓度高、干湿循环频繁、环境温度较高，导致海洋环境中的混凝土结构内钢筋锈蚀严重，以至结构的耐久性往往达不到设计要求。因此，降低钢筋锈蚀以增加工程结构寿命具有重要工程意义。缓蚀剂因其工艺简单、成本低廉等广泛应用于海洋混凝土结构工程。本文主要通过开路电位、线性极化、交流阻抗等电化学方法研究了以三聚磷酸铝为代表的磷酸盐系缓蚀剂在不同Cl-浓度的混凝土模拟孔隙液中对钢筋的缓蚀效果，研究发现：（1）钢筋混凝土中若有Cl-的侵扰，会对钢筋的腐蚀产生不良影响，Cl-浓度越高，腐蚀越严重。三聚磷酸铝对钢筋混凝土中的钢筋有明显的缓蚀作用，可作为缓蚀剂应用到钢筋混凝土中。（2）在浸泡初期三聚磷酸铝对钢筋的缓蚀效果显著，随着浸泡时间的延长，混凝土模拟液被大气中的CO2不断酸化，钢筋腐蚀加剧，三聚磷酸铝的缓蚀效果逐渐降低。（3）三聚磷酸铝的缓蚀效果与溶液中Cl-浓度有关，在1% NaCl溶液中添加三聚磷酸铝在浸泡初期均能起到较好的缓蚀效果，且随着添加量的提高，缓蚀效率增强，但随着浸泡时间的延长，腐蚀速率迅速增加，添加量为0.06% 时总体缓蚀效果较好；在0.5% NaCl及3% NaCl溶液中，添加三聚磷酸铝对钢筋具有明显的缓蚀效果，最佳添加量为0.04%。关键词：钢筋混凝土；碳钢；腐蚀；缓蚀剂；磷酸盐 目 录
第一章 绪论 1
1.1 钢筋混凝土的概述 1
1.2 混凝土中钢筋腐蚀的机理及影响因素 1
1.2.1 钢筋的锈蚀机理 1
1.2.2 钢筋锈蚀影响因素 2
1.2.3 混凝土的碳化及其影响因素 2
1.2.4 钢筋混凝土氯离子腐蚀及其影响因素 3
1.3 防止钢筋腐蚀的方法 4
1.3.1 钢筋阻锈剂概述 4
1.3.2 磷酸盐系缓蚀剂 5
1.3.3 三聚磷酸铝防锈颜料的防锈机理 6
1.4 本研究的目的与意义 6
1.5 电化学腐蚀测试方法 7
1.5.1 极化曲线 7
1.5.2 交流阻抗 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
素 3
1.3 防止钢筋腐蚀的方法 4
1.3.1 钢筋阻锈剂概述 4
1.3.2 磷酸盐系缓蚀剂 5
1.3.3 三聚磷酸铝防锈颜料的防锈机理 6
1.4 本研究的目的与意义 6
1.5 电化学腐蚀测试方法 7
1.5.1 极化曲线 7
1.5.2 交流阻抗 7
第二章 实验部分 8
2.1 实验所用药品试剂 8
2.2 实验所用仪器设备 8
2.3 电化学实验 8
2.3.1 极化曲线 8
2.3.2 交流阻抗 9
第三章 数据分析部分 11
3.1 交流阻抗 11
3.1.1 交流阻抗图谱 11
3.1.2等效电路拟合数据分析 24
3.3线性极化分析 34
3.4试样形貌分析 36
结 论 39
致 谢 41
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 钢筋混凝土的概述
混凝土[]由胶凝材料水泥、砂子、石子和水，及掺和材料、外加剂等按一定的比例拌和而成，凝固后不仅十分坚硬，能够承受较大压力，受到拉力后很容易发生断裂的情况。为了提高混凝土的抗压能力，常在混凝土中加入一定数量的钢筋，两者粘结成一个整体，共同承受外力。这种配有钢筋的混凝土，称为钢筋混凝土。
钢筋混凝土的性能优良，坚固稳定性好，来源比较广泛，最主要其制造成本较其他材料要低廉很多，因此在生产生活中被广泛应用，其中交通，机械，建筑，化工等行业为重点行业。钢筋混凝土常被用在建筑当中做主要材料。在我国，钢筋混凝土的应用量非常大,每年花费的费用都在2000亿元以上[]与此同时，不可避免的经济损失也非常多，因为钢筋混凝土在不适宜的环境下也会发生破坏，对它的使用功能造成伤害。但其在环境作用下可发生多种形式的破坏,导致结构的耐久性下降,从而引起严重的经济损失和危害。其中还包括用于防腐蚀内容的各项花费，包括涂装，表面处理及耐蚀材料的研发与制作等，这都是一笔天价的开销。1998年美国标准局研究调查表明，美国全年各种腐蚀总损失约为2500亿美元,其中混凝土桥梁修复费用为1550亿美元。有资料表明[],1999年澳大利亚仅由于钢筋腐蚀造成的经济损失就占全国GDP的4.2%；在前苏联钢筋混凝土的腐蚀损失也同样十分严重，占GDP的1.25%；而在我国情况也不容乐观，1998年，严重的腐蚀发生在石油和化工的损失就高达400亿元左右；我国据中国工程院2001一2003年编写成的《中国工业和自然环境腐蚀调查与对策》一文中，在1998年我国仅建筑部门的腐蚀总损失约为1000亿元人民币[]各种数据域事例都说明由于腐蚀造成损失的十分严重。
1.2 混凝土中钢筋腐蚀的机理及影响因素
1.2.1 钢筋的锈蚀机理
混凝土中钢筋的腐蚀机理主要是电化学过程。由于初始的电化学腐蚀作用
（1－1）
会在钢筋表面马上生成一层非常致密的钝化膜。但是,如果混凝土环境的碱性下降或者混凝土受到拉力开裂时,就会全部或局部破坏地钝化膜,而使得钢筋表面不同的地方出现较大的电位差,形成阳极和阴极。在一定的环境条件下(如有O2和H2O的存在)，钢筋就会开始腐蚀。
电极反应式为：
阳极区： (铁的溶解和放出电子) （1－2）
阴极区： (消耗电子和氧的还原) （1－3）
阳极表面二次化学过程：
（1－4）
（1－5）
1.2.2 钢筋锈蚀影响因素
钢筋混凝土结构的破坏包括钢筋锈蚀，环境影响，微生物影响等因素，其中钢筋锈蚀称为不可忽略的主要原因。早在1991年，世界著名结构耐久性专家Mehta教授就指出，钢筋的锈蚀是导致混凝土结构破坏的首要因素[]。
影响钢筋的锈蚀的主要因素包括混凝土碳化，氯离子浓度，应力等几个方面。陈爱美，陈旭庆[]在《钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理的研究》中表明将钢筋的腐蚀分为两种，一种是电极发生反应交换电流而引起的腐蚀，另一种是由扩散速度控制的腐蚀过程。而钢筋混凝土中的钢筋腐蚀大多数属于第二种。混凝土中钢筋要发生电化学腐蚀的必要条件包括破坏钢筋表面的钝化保护膜，钢筋表面存在水和氧气以及腐蚀电池的形成。蔡光汀[]在《钢筋混凝土腐蚀机理和防腐措施探讨》一文中表明：钢材在大气发生的电化学腐蚀在高碱性的混凝土环境中会受到抑制，因为混凝土中钢筋表层钝化膜的稳定性与其接触的周围混凝土的碱度有关。当PH>11.5时，钝化膜保持稳定。而当PH<11.5时，钝化膜则会出现不稳定状态，会逐渐形成腐蚀电池，引起孔状腐蚀。所以当混凝土中的碱性高时，可以保护钝化膜的稳定，即阻止或抑制了腐蚀的发生。但是如果外界环境改变，如碱性不再明显或者加入了去钝化剂等不良因素，则有可能破坏到钢筋表面的钝化膜，这样的钢筋就会发生腐蚀，使性能遭到严重破坏[]。破坏钝化膜最常见的成分是氯离子和二氧化
第一章 绪论 1
1.1 钢筋混凝土的概述 1
1.2 混凝土中钢筋腐蚀的机理及影响因素 1
1.2.1 钢筋的锈蚀机理 1
1.2.2 钢筋锈蚀影响因素 2
1.2.3 混凝土的碳化及其影响因素 2
1.2.4 钢筋混凝土氯离子腐蚀及其影响因素 3
1.3 防止钢筋腐蚀的方法 4
1.3.1 钢筋阻锈剂概述 4
1.3.2 磷酸盐系缓蚀剂 5
1.3.3 三聚磷酸铝防锈颜料的防锈机理 6
1.4 本研究的目的与意义 6
1.5 电化学腐蚀测试方法 7
1.5.1 极化曲线 7
1.5.2 交流阻抗 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
素 3
1.3 防止钢筋腐蚀的方法 4
1.3.1 钢筋阻锈剂概述 4
1.3.2 磷酸盐系缓蚀剂 5
1.3.3 三聚磷酸铝防锈颜料的防锈机理 6
1.4 本研究的目的与意义 6
1.5 电化学腐蚀测试方法 7
1.5.1 极化曲线 7
1.5.2 交流阻抗 7
第二章 实验部分 8
2.1 实验所用药品试剂 8
2.2 实验所用仪器设备 8
2.3 电化学实验 8
2.3.1 极化曲线 8
2.3.2 交流阻抗 9
第三章 数据分析部分 11
3.1 交流阻抗 11
3.1.1 交流阻抗图谱 11
3.1.2等效电路拟合数据分析 24
3.3线性极化分析 34
3.4试样形貌分析 36
结 论 39
致 谢 41
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 钢筋混凝土的概述
混凝土[]由胶凝材料水泥、砂子、石子和水，及掺和材料、外加剂等按一定的比例拌和而成，凝固后不仅十分坚硬，能够承受较大压力，受到拉力后很容易发生断裂的情况。为了提高混凝土的抗压能力，常在混凝土中加入一定数量的钢筋，两者粘结成一个整体，共同承受外力。这种配有钢筋的混凝土，称为钢筋混凝土。
钢筋混凝土的性能优良，坚固稳定性好，来源比较广泛，最主要其制造成本较其他材料要低廉很多，因此在生产生活中被广泛应用，其中交通，机械，建筑，化工等行业为重点行业。钢筋混凝土常被用在建筑当中做主要材料。在我国，钢筋混凝土的应用量非常大,每年花费的费用都在2000亿元以上[]与此同时，不可避免的经济损失也非常多，因为钢筋混凝土在不适宜的环境下也会发生破坏，对它的使用功能造成伤害。但其在环境作用下可发生多种形式的破坏,导致结构的耐久性下降,从而引起严重的经济损失和危害。其中还包括用于防腐蚀内容的各项花费，包括涂装，表面处理及耐蚀材料的研发与制作等，这都是一笔天价的开销。1998年美国标准局研究调查表明，美国全年各种腐蚀总损失约为2500亿美元,其中混凝土桥梁修复费用为1550亿美元。有资料表明[],1999年澳大利亚仅由于钢筋腐蚀造成的经济损失就占全国GDP的4.2%；在前苏联钢筋混凝土的腐蚀损失也同样十分严重，占GDP的1.25%；而在我国情况也不容乐观，1998年，严重的腐蚀发生在石油和化工的损失就高达400亿元左右；我国据中国工程院2001一2003年编写成的《中国工业和自然环境腐蚀调查与对策》一文中，在1998年我国仅建筑部门的腐蚀总损失约为1000亿元人民币[]各种数据域事例都说明由于腐蚀造成损失的十分严重。
1.2 混凝土中钢筋腐蚀的机理及影响因素
1.2.1 钢筋的锈蚀机理
混凝土中钢筋的腐蚀机理主要是电化学过程。由于初始的电化学腐蚀作用
（1－1）
会在钢筋表面马上生成一层非常致密的钝化膜。但是,如果混凝土环境的碱性下降或者混凝土受到拉力开裂时,就会全部或局部破坏地钝化膜,而使得钢筋表面不同的地方出现较大的电位差,形成阳极和阴极。在一定的环境条件下(如有O2和H2O的存在)，钢筋就会开始腐蚀。
电极反应式为：
阳极区： (铁的溶解和放出电子) （1－2）
阴极区： (消耗电子和氧的还原) （1－3）
阳极表面二次化学过程：
（1－4）
（1－5）
1.2.2 钢筋锈蚀影响因素
钢筋混凝土结构的破坏包括钢筋锈蚀，环境影响，微生物影响等因素，其中钢筋锈蚀称为不可忽略的主要原因。早在1991年，世界著名结构耐久性专家Mehta教授就指出，钢筋的锈蚀是导致混凝土结构破坏的首要因素[]。
影响钢筋的锈蚀的主要因素包括混凝土碳化，氯离子浓度，应力等几个方面。陈爱美，陈旭庆[]在《钢筋混凝土中钢筋腐蚀原理的研究》中表明将钢筋的腐蚀分为两种，一种是电极发生反应交换电流而引起的腐蚀，另一种是由扩散速度控制的腐蚀过程。而钢筋混凝土中的钢筋腐蚀大多数属于第二种。混凝土中钢筋要发生电化学腐蚀的必要条件包括破坏钢筋表面的钝化保护膜，钢筋表面存在水和氧气以及腐蚀电池的形成。蔡光汀[]在《钢筋混凝土腐蚀机理和防腐措施探讨》一文中表明：钢材在大气发生的电化学腐蚀在高碱性的混凝土环境中会受到抑制，因为混凝土中钢筋表层钝化膜的稳定性与其接触的周围混凝土的碱度有关。当PH>11.5时，钝化膜保持稳定。而当PH<11.5时，钝化膜则会出现不稳定状态，会逐渐形成腐蚀电池，引起孔状腐蚀。所以当混凝土中的碱性高时，可以保护钝化膜的稳定，即阻止或抑制了腐蚀的发生。但是如果外界环境改变，如碱性不再明显或者加入了去钝化剂等不良因素，则有可能破坏到钢筋表面的钝化膜，这样的钢筋就会发生腐蚀，使性能遭到严重破坏[]。破坏钝化膜最常见的成分是氯离子和二氧化
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