钢筋混凝土界面局部腐蚀发展与抑制机理研究

摘要

钢筋混凝土结构受氯盐、CO2、SO42-、氧含量、温湿度、混凝土微观结构和施工缺陷等多方面影响，导致混凝土综合性能劣化，进而造成钢筋表面发生局部或者全面腐蚀。而锈蚀层的发展又会引起混凝土层胀裂，导致结构的强度受损，使服役寿命降低。
　　由于混凝土为高碱性环境，钢筋表面往往优先发生以点蚀为代表的局部腐蚀。尽管工程上为延缓钢筋锈蚀时间，常在新拌混凝土内加入钢筋阻锈剂，但阻锈剂对混凝土下钢筋点蚀的抑制机理目前尚无定论。特别是采用常规电化学方法难以获取混凝土覆盖层下钢筋局部腐蚀的萌发、生长或阻锈剂修复等细节。本文以阻锈剂在混凝土中的扩散以及对钢筋点蚀的抑制机理为研究重点，取得了如下认识：
　　1）以丝束电极(WBE)技术研究了混凝土下钢筋稳态及亚稳态点蚀的演变过程，模拟了侵蚀性粒子与阻锈剂在钢筋/混凝土界面层内的迁移、竞争吸附行为。研究了烯胺类，醇胺类与无机型亚硝基阻锈剂在模拟孔隙液内和混凝土内对碳钢点蚀的抑制机理，发现二甲基乙醇胺(DMEA)在混凝土中的迁移效率高于三乙烯四胺(TETA)，但对钢筋点蚀的抑制作用不及TETA显著。此外，有机型阻锈剂对锈层覆盖下的点蚀修复存在明显滞后，反而会在一定时间内加剧腐蚀的不均匀性。通过WBE表面阳极电流的统计分析，建立了局部腐蚀因子(LF)，实现了腐蚀不均匀程度以及阻锈剂对局部腐蚀修复能力的定量表征。
　　2）干湿循环加速实验表明：在干周期内，氧在混凝土微孔内扩散迅速，并将先期形成的腐蚀产物如FeO和Fe3O4氧化为FeOOH，而在湿周期，阳极释放的电子将其再还原为Fe(Ⅱ)，即锈蚀产物在缺氧条件下代替O2参与了腐蚀的阴极去极化过程，使腐蚀过程得以延续。
　　3）借助3D显微镜、电化学噪声(ECN)、电化学阻抗和激光拉曼等方法，研究了模拟孔隙液中钢筋表面亚稳态蚀点诱发、生长或死亡的动态过程，探讨了腐蚀产物对亚稳态向稳态蚀点转变的催化机理，原位监测了阻锈剂分子对亚稳态蚀点的阻滞过程，发现亚稳态蚀点产生的电流峰幅值及寿命可反映钝化膜的破裂与修复难易程度，基于噪声峰数值模拟，用钝化膜电容充放电模型解释了亚稳态点蚀电流与电位峰快速上升/缓慢衰减的成因，发展了钢筋锈蚀产物对蚀点生长的促进模型。
　　4）通过SEM、XPS、AFM、ECN和Mott-Schottky图，研究了阻锈剂分子在裸钢和锈蚀产物表面的吸附行为差异。发现NO2-与TEPA均能降低碳钢钝化膜中的载流子浓度，提高钝化膜的抗Cl-侵蚀能力。TEPA倾向以钝化膜中氧空位为吸附中心，预膜条件下可增强钢筋的抗点蚀能力，但难以抑制锈层覆盖下的点蚀发展。NO2-离子在混凝土中扩散速率低于有机胺，但它能更快突破腐蚀产物，相比有机胺，表现出对稳态点蚀的快速抑制能力。XPS表明：TETA在金属基体表面存在键合作用，N1s峰显示出明显的化学位移，因而表现出较好的阻锈作用；但在锈蚀层表面，N难以与Fe3+形成有效键合，因而难以抑制锈蚀层下的蚀点发展。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 混凝土结构对钢筋的保护作用

1.3 混凝土结构破坏机理研究现状

1.5 钢筋锈蚀程度评价方法进展

1.6 目前存在的问题

1.7 本文的主要研究内容与技术路线

参考文献

第二章 实验装置与部分方法

2.1 实验材料与制备

2.2 电化学方法

2.3 表面分析方法

参考文献

第三章 模拟孔隙液体系中阻锈剂修复行为研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 实验结果

3.4 本章小结

参考文献

第四章 钢筋混凝土下锈蚀生长行为研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果

4.4 钢筋表面锈层生长模型

4.5 本章小结

参考文献

第五章 钢筋混凝土下迁移型阻锈剂MCI扩散行为研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章 阻锈剂与钝化膜界面腐蚀行为的机理研究

6.1 引言

6.2 实验方法

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

参考文献

第七章 基于电化学噪声对钢筋表面亚稳态点蚀智能化判断

7.1 引言

7.2 小波变换

7.3 Hilbert-Huang变换

7.4 数据准备

7.5 结果与讨论

7.6 本章小结

参考文献

总结与展望

文中符号一览表

攻读博士学位期间发表的论文

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