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《东南大学》 2016年
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新型耐蚀钢筋在混凝土环境中的钝化及氯盐侵蚀行为研究

王丹芊  
【摘要】:钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的主要因素之一,世界各国都存在混凝土结构中钢筋锈蚀的困扰,这也是重大工程中结构过早失效和提前退出服役的重要原因,对此世界各国都在积极地研究应对策略。目前较为广泛研究的措施有不锈钢钢筋、涂层钢筋及非金属筋等,但分别有价格昂贵、力学性能缺陷等问题。而合金化耐蚀钢筋兼具优异的力学性能、耐蚀性和经济性,是解决混凝土耐久性的根本途径。耐蚀钢筋的耐蚀性研究为钢筋成分及加工工艺优化、在实际工程中的应用提供有效依据,因而极具研究价值。本文首先测试了耐蚀钢筋在常温模拟混凝土孔溶液(pH=13.6)中的钝化及氯盐点蚀电化学行为,并以普通低碳钢筋(LC)及不锈钢钢筋(SS)作为对比;然后研究了耐蚀钢筋在模拟混凝土孔溶液环境中的完整钝化过程,应用光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)及肖特-莫特基曲线等综合得到耐蚀钢筋钝化膜的成分、结构及形貌等信息;最后研究了耐蚀钢筋钝化膜在氯盐侵蚀作用下的钝化膜变化行为,对侵蚀前后耐蚀钢筋钝化膜的表观形貌、微观结构和化学组成进行了分析。结合扩散动力学、表面科学、薄膜生长等相关理论,以普通低碳钢筋和不锈钢钢筋为对比,揭示了耐蚀钢筋在混凝土环境中的钝化机理及氯盐侵蚀机理。基于试验研究得出以下结论:(1)耐蚀钢筋在钝化最初3小时内阻抗谱容抗弧半径显著增大,增大幅度大于普通低碳钢筋和不锈钢钢筋;三种钢筋均在钝化前1天钝化反应激烈,1天后钝化减缓。(2)耐蚀钢筋在常温模拟混凝土孔溶液中形成的钝化膜整体阻抗、钝化膜电阻及钝化膜完整均匀性均高于普通低碳钢筋,与不锈钢钢筋相近。耐蚀钢筋在pH值为13.6的模拟混凝土孔溶液中的耐Cl-腐蚀能力是普通钢筋的50倍以上,与不锈钢钢筋接近。(3)钝化3小时后,耐蚀钢筋钝化膜从n型半导体转化为p-n型半导体;不锈钢钢筋和普通低碳钢筋则分别表现为p-n型和n型半导体。由于耐蚀钢筋基体中的金相组织为粒状贝氏体,有更多形核点,CR钢筋钝化膜晶粒小于SS钢筋。钝化1天后,SS钢筋钝化膜中的Cr氧化物相对含量始终大于CR钢筋。(4)钝化10天后,由XPS及TEM结果得到,耐蚀钢筋及不锈钢钢筋钝化膜厚度均约为5nm,且在后续钝化过程中厚度不变。耐蚀钢筋稳定的钝化膜结构外层为FeOOH, Fe(OH)3和Cr(OH)3,可以写为:FeOm(OH)n和CrOp(OH)q, 0m;p 1 and 1n;q3;内层为Fe-Cr无水氧化物。耐蚀钢筋钝化膜内层Cr含量高于SS钢筋,这是由于钝化1天后,SS钢筋钝化膜中的Cr含量高,阻碍了钝化反应的发生。CR和SS钝化膜均匀,而LC钢筋则较不均匀。LC钢筋钝化膜结晶性最好,CR钢筋其次,SS钢筋最差,呈现非晶态。(5)在[Cl-]=5M作用下,耐蚀钢筋钝化膜减薄,有些地方钝化膜甚至消失,但大部分耐蚀钢筋及不锈钢钢筋表面钝化膜结构均未破坏,普通低碳钢筋表面钝化膜逐渐破坏,最终失去半导体特性。C1-对钝化膜的影响与浸泡时间相关,Cl-对耐蚀钢筋及不锈钢钢筋表面钝化膜的作用随着浸泡时间的延长而增大。总体来说,在氯离子作用下,耐蚀钢筋及不锈钢钢筋钝化膜导电性略微上升,CR钢筋钝化膜导电性与SS相近。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU528

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