海水环境下混凝土结构中钢筋腐蚀问题与防护方法研究

摘要

海洋环境下浪溅区混凝土结构中钢筋的腐蚀问题一直是国内外研究得热点，因浪溅区具有干湿交替、氧气含量高、昼夜温差大的特点，导致该区域内混凝土结构中的钢筋易发生较为严重的腐蚀，国内外学者也对此进行了大量研究，形成了成熟的技术规范。但对处于海水环境下的混凝土结构，因溶解氧含量较低且在饱水的混凝土孔隙中扩散较慢，一般认为钢筋的腐蚀速率极低，钢筋腐蚀问题常被忽视。然而少量发表的实验结果显示，处于海水环境下混凝土结构中的钢筋也会发生腐蚀损伤。当腐蚀产物累积到一定程度后会导致混凝土胀裂，一旦混凝土开裂，侵蚀性离子将沿着顺筋裂缝“长驱直入”，钢筋的腐蚀将迅速发展，结构的承载能力随之快速下降，从而缩短结构的服役年限。因此，必须对处于海水环境下的混凝土结构中钢筋的腐蚀问题以及监测与防护方法进行研究。
　　本文的研究内容包括以下几个方面:
　　通过实海试验，观察了海水环境下混凝土试件中钢筋的腐蚀情况，在分析和调研的基础上进一步证实了处于海水环境下的混凝土结构中的钢筋确实会发生腐蚀，并通过对比钢筋的腐蚀面积研究了保护层厚度及水灰比对钢筋腐蚀的影响。
　　在分析钢筋腐蚀基本过程的基础上，通过电化学方法在实验室条件下监测了海水中硫酸根离子和氯离子对钢筋腐蚀的交互影响。首先在模拟混凝土孔隙液中按照海水中的离子浓度分别单独添加硫酸根离子、氯离子以及同时添加二者，并利用开路电位法(OpenCircuit Potential，OCP)、线性极化法（Linear Polarization，LPR）以及阻抗谱法(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)监测了预钝化的低碳钢试片在不同溶液中的平均腐蚀速率。而后利用丝束电极（Wire Beam Electrode，WBE）观察了不同溶液中试片局部腐蚀的过程，研究了模拟混凝土孔隙液中硫酸根离子和氯离子对钢筋局部腐蚀过程的交互影响。
　　在充分调研传统的钢筋腐蚀监测方法后，引入多电极电阻探针技术(ElectronicResistance Multi-electrode Sensor，ER-MES)用于对钢筋的局部腐蚀进行准确、定量的原位监测。为更加真实地模拟实际腐蚀过程并验证该技术的可行性，进一步利用ER-MES研究了当钢筋已经在含氯离子的混凝土模拟孔隙液中发生局部腐蚀后硫酸根离子对钢筋局部腐蚀的影响。
　　在综合考虑钢筋腐蚀的必要条件以及海水环境的特点后，提出了一种适用于对海水环境下混凝土结构中的钢筋进行腐蚀防护的电化学方法(Electrochemical DissolvedOxygen Removal，EDOR)。在实验室条件下，首先监测了在不同水流速度和输出电流的情况下，EDOR系统保护范围内影响钢筋腐蚀速率的环境参数（pH值以及溶解氧含量）随时间的变化;然后运用LPR监测了施加EDOR保护后试件的腐蚀速率;最后通过扫描电镜对比观察了自然腐蚀以及施加保护后的试片在溶液中浸泡30天后的表面形貌，从而验证了EDOR系统对海水环境下钢筋具有良好的腐蚀防护效果。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 钢筋混凝土中钢筋的腐蚀破坏过程

1．3 混凝土结构中钢筋腐蚀状态监测方法的发展现状

1．3．1 半电池电位法

1．3．2 宏电池电流法

1．3．3 线性极化法

1．3．4 交流阻抗法

1．3．5 混凝土电阻率法

1．3．6 电化学噪声法

1．4 混凝土结构中钢筋腐蚀防护措施的发展现状

1．4．1 混凝土局部修补法

1．4．2 混凝土涂层法

1．4．3 混凝土缓蚀剂法

1．4．4 钢筋防锈涂层法

1．4．5 电化学法

1．5 本文的主要工作

2 海水环境下钢筋腐蚀实海实验研究

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 暴露条件

2．2．2 试件尺寸及分组

2．2．3 试件制作及布放位置

2．3 结果分析

2．3．1 外观破损情况

2．3．2 钢筋腐蚀情况

2．4 本章小结

3 硫酸根离子和氯离子对钢筋腐蚀的交互影响

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 电极及实验溶液制备

3．2．2 监测方法

3．2．3 丝束电极制备及其测量方法

3．3 结果分析

3．3．1 动电位

3．3．2 开路电位

3．3．3 腐蚀速率

3．3．4 阻抗谱

3．3．5 电极微观形貌

3．3．6 电偶电流密度

3．4 本章小结

4 硫酸根离子对钢筋局部腐蚀行为的影响

4．1 引言

4．2 基于多电极系统的腐蚀行为测量原理

4．2．1 传统多电极探针系统

4．2．2 ER-MES系统

4．3 实验方法

4．3．1 电阻试片和溶液的制备

4．3．2 ER-MES系统的制备

4．3．3 布置方案及测量方法

4．4 结果分析

4．4．1 开路电位

4．4．2 耦合电位

4．4．3 电偶电流和腐蚀深度

4．4．4 腐蚀深度计算分析

4．5 本章小结

5 针对海水环境下钢筋的新型腐蚀防护系统

5．1 引言

5．2 EDOR系统介绍

5．2．1 系统组成

5．2．2 极化模块工作原理

5．2．3 监控模块工作原理

5．2．4 与外加电流阴极保护系统的对比

5．3 实验方法

5．4 结果分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 创新点摘要

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介