導(dǎo)語：建筑鋼筋腐蝕行為模擬研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:將物理化學(xué)的基本原理與材料學(xué)基礎(chǔ)知識結(jié)合起來，開發(fā)了一個新的電化學(xué)方面的實驗項目。模擬鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境，以鋼筋作為研究電極，以飽和氫氧化鈣溶液為電解液，采用通二氧化碳的方法調(diào)節(jié)溶液pH值，用添加氯化鈉方法調(diào)節(jié)溶液的鹽度，通過測定陽極極化曲線，研究了模擬混凝土體系pH、Cl－對鋼筋的腐蝕和鈍化成膜的影響，探討了該實驗用于本科教學(xué)所取得的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:鋼筋;混凝土體系;極化曲線;教學(xué)

“物理化學(xué)實驗”是化工、材料、環(huán)境、冶金、汽車等工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，“極化曲線的測定”是課程中有關(guān)電化學(xué)的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容［1－2］，目前教材中最常見的實驗有“鎳在硫酸體系中的極化曲線”和“鐵在氯化鈉溶液中的極化曲線”等。本文介紹一個新的“極化曲線”方面的實驗“建筑鋼筋腐蝕行為的模擬研究”，這是個原創(chuàng)性實驗項目，涉及到電化學(xué)、材料學(xué)及建筑工程等交叉學(xué)科的知識，實驗的設(shè)計思想符合“新工科”專業(yè)建設(shè)的教學(xué)理念［3］。該實驗用于材料、土木、化工等專業(yè)本科生教學(xué)，取得良好的教學(xué)效果。

1實驗原理

鋼筋和混凝土是常見的建筑材料。鋼筋又叫做碳鋼，混凝土則是由硅酸鹽水泥熟料、砂、石子、水、外加劑等混合而成的人工石材。硅酸鹽水泥熟料主要含有硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(β－2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)和鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四種物質(zhì)。其中，硅酸三鈣約37%～60%，硅酸二鈣15%～37%，鋁酸三鈣7%～15%，鐵鋁酸四鈣10%～18%。這四種物質(zhì)遇水后均會發(fā)生水化反應(yīng):2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O(膠體)+3Ca(OH)2(晶體)2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O(膠體)+Ca(OH)2(晶體)3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(晶體)4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(晶體)+CaO·Fe2O3·H2O(膠體)部分水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·6H2O)與水泥中的少量石膏繼續(xù)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，包括鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣)。如果忽略一些次要成分，水泥發(fā)生水化反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣。其中，前二者呈凝膠形態(tài)，約占70%;氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣為晶體，前者占20%，后者占7%。由此可見，混凝土凝結(jié)過程中主要析出硅酸鈣膠體以及氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣晶體等，形成的孔隙液為氫氧化鈣飽和溶液，pH值呈堿性。此外，混凝土中還含有雨水帶入的CO2、Cl－，以及黃沙、石料帶入的F－等其他離子，這些都會改變混凝土內(nèi)部的環(huán)境，對混凝土中鋼筋的腐蝕產(chǎn)生影響。本實驗以鋼筋為研究電極，以氫氧化鈣和硝酸鉀為電解液，加入CO2、Cl－、F－等，模擬鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境。通過恒電位法測定其極化曲線，引導(dǎo)學(xué)生探討pH、Cl－等對鋼筋的腐蝕和鈍化成膜的影響。

2儀器和試劑

DHZ型電化學(xué)工作站(南京桑力電子設(shè)備廠)、鋼筋電極、鉑電極、飽和甘汞電極、通氣玻璃管、pH計、玻璃電極、燒杯、量筒、容量瓶等。Ca(OH)2飽和溶液(用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值為12．5)、2%(體積比)硫酸溶液、NaCl、NaF(AR)、二氧化碳?xì)怏w鋼瓶、丙酮、金相砂紙等。

3實驗步驟

3．1鋼筋電極制備

將鋼筋浸入熔化的蠟中數(shù)次，封閉鋼筋下部接觸電解質(zhì)溶液的部分。在近底部靠近魯金毛細(xì)管口位置用刀片刮出一小塊矩形鋼筋面(將蠟刮干凈)，用游標(biāo)卡尺測量該小塊鋼筋面的尺寸(電極的面積0．2096cm2)，將電極浸入2%的H2SO4溶液中，電磁攪拌5～10分鐘，取出用蒸餾水洗凈備用。

3．2電解質(zhì)溶液

在Ca(OH)2飽和溶液中加入KNO3作為支持電解質(zhì)，支持電解質(zhì)濃度約為0．05mol·dm－3。將配制好的電解液由研究電極池一側(cè)倒入電解池。

3．3極化曲線測定

采用3電極體系，以鋼筋電極為研究電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，分別安裝在對應(yīng)的電極管中。其中，鋼筋電極工作面置于毛細(xì)管口約5mm，各電極用電纜與工作站連接。測量參數(shù)設(shè)置:電壓范圍－0．6V～1．0V，最低電壓－0.6V，靜置5min直至電壓穩(wěn)定開始測定，掃速0.01V/s，靈敏度0．001V。

3．4pH值的影響

將二氧化碳?xì)怏w鼓泡通入Ca(OH)2飽和溶液，至溶液的pH=12、11、10、9。加入KNO3作為支持電解質(zhì)，重復(fù)上述極化曲線測定步驟。

3．5氯離子的影響

在容量瓶中分別配制支持電解質(zhì)KNO3濃度約為0．05mol·dm－3，NaCl濃度為0．01、0．02、0．04、0.06、0．08mol·dm－3的飽和Ca(OH)2溶液，重復(fù)上述極化曲線測定步驟。

3．6氟離子的影響

將實驗步驟4中的氯離子換成氟離子，測定不同pH值模擬孔隙液中氟離子濃度對極化曲線的影響。

4結(jié)論

鐵在電解質(zhì)溶液中的極化曲線通常含有金屬活化區(qū)、鈍化過渡區(qū)、鈍化區(qū)、過鈍化區(qū)4大區(qū)域［4］。圖1為鋼筋在飽和氫氧化鈣溶液中的極化曲線，圖中并沒有出現(xiàn)全部4個相應(yīng)區(qū)域，僅出現(xiàn)鈍化和過鈍化區(qū)，原因在于堿性溶液中鋼筋表面已預(yù)先形成鈍化的保護(hù)膜，逐漸升高陽極極化電位電流緩慢增加，當(dāng)電位達(dá)到0．6903V時(對應(yīng)電流值為0.2615mA)，電流開始快速上升，此時鋼筋表面產(chǎn)生氣泡并發(fā)生腐蝕，該電位對應(yīng)于鋼筋在此條件下的腐蝕電位。利用二氧化碳改變?nèi)芤旱膒H值測定極化曲線。pH對極化電位及電流的影響如表1所示，可以看出，隨著溶液pH的降低，鋼筋過鈍化區(qū)的陽極極化電位逐漸變小，鋼筋更易腐蝕。換句話說，溶液堿性增加，鋼筋的鈍化區(qū)加寬，更容易發(fā)生鈍化，穩(wěn)定性加強(qiáng)［5］。圖2為氫氧化鈣溶液中加入不同濃度氯化鈉時鋼筋電極的極化曲線，相應(yīng)的極化電位和電流列于表2。在氯化鈉存在的條件下，鋼筋的過鈍化區(qū)明顯減小，腐蝕電位負(fù)移。隨著氯離子濃度的增加，鋼筋的過鈍化區(qū)的陽極極化電位逐漸變小，鋼筋更易被腐蝕。氯離子加快金屬的腐蝕有多種機(jī)理解釋:成相膜理論認(rèn)為氯離子有較強(qiáng)的穿透能力，它可以穿透金屬表面氧化膜的孔隙或缺陷處，破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)。吸附理論則認(rèn)為，氯離子電負(fù)性很強(qiáng)，比溶液中的O2或氫氧根離子更容易吸附到金屬表面。氯離子與金屬表面的接觸可以使金屬離子水化，致使金屬以離子形式轉(zhuǎn)移到溶液中，引起腐蝕［6］。此外，也有文獻(xiàn)認(rèn)為，氯離子的吸附能降低金屬陽極過程的超電位，進(jìn)而引起點蝕，點蝕電位即為表中的腐蝕電位［7］。用氟化鈉代替氯化鈉重復(fù)上述實驗，得到類似結(jié)果(見表3所示)。在氟離子存在的條件下，鋼筋的腐蝕電位負(fù)移，且濃度愈高，電位負(fù)移愈明顯，與文獻(xiàn)報道結(jié)果相符［8］。實驗得出以下結(jié)論:(1)鋼筋在模擬混凝土體系中會形成鈍化膜，阻止腐蝕的發(fā)生，隨著溶液pH下降，鋼筋更容易被腐蝕。(2)溶液中含有微量氯離子和氟離子可破壞鐵的鈍化，隨著離子濃度的增加，點蝕電位降低，點蝕更容易。由于該實驗體系是模擬鋼筋混凝土系統(tǒng)，故而可得到推論:滲入混凝土內(nèi)部的雨水帶入的CO2、Cl－，及黃沙、石料中的F－等可加快鋼筋的腐蝕。

5工程案例分析

在實驗思考題部分，我們請學(xué)生依據(jù)實驗結(jié)果分析這樣一個工程案例:深圳鹿丹村是一個建成僅20余年的社區(qū)，如今小區(qū)內(nèi)樓房已成危房，墻面、樓板開裂，鋼筋外露，有的用手輕輕一折就斷，市住建局在檢查后確認(rèn)問題產(chǎn)生的原因在于當(dāng)年施工時使用了海砂。海砂是受海水侵蝕而沒有經(jīng)過淡化處理的砂，含有大量氯離子。混凝土中氯離子與氫氧根離子濃度比存在一個臨界值［8］，當(dāng)濃度比高于臨界值時，鋼筋的腐蝕就比較快。因此，建筑工程規(guī)范規(guī)定普通鋼筋混凝土砂子氯離子含量應(yīng)小于0．06%，預(yù)應(yīng)力混凝土砂子氯離子含量小于0．02%［9］。資料顯示，沒有經(jīng)過凈化處理海砂的氯離子含量在0.088%～0．119%之間，若只是進(jìn)行簡單凈化處理，含量仍達(dá)到0．065%～0．079%，遠(yuǎn)超過規(guī)范允許的范圍［10］。鹿丹村建筑物正是用了氯離子含量超標(biāo)的海砂，導(dǎo)致鋼筋快速腐蝕，產(chǎn)生嚴(yán)重質(zhì)量事故。通過對工程案例的分析，學(xué)生對本實驗的原理、方法和結(jié)果留下了極為深刻的印象。

6結(jié)語

實驗?zāi)M鋼筋在混凝土中所處的堿性環(huán)境，以鋼筋為研究電極，氫氧化鈣和硝酸鉀為電解液，通過恒電位法測定其在不同條件下的極化曲線，研究了pH、Cl－等環(huán)境因素對鋼筋的腐蝕和鈍化成膜的影響。該實驗將電化學(xué)的基本原理與材料學(xué)的基礎(chǔ)知識及工程應(yīng)用結(jié)合起來，受到了工科學(xué)生的歡迎，取得了良好的教學(xué)效果，為“新工科”背景下開展物理化學(xué)實驗教學(xué)提供了一個較為成功的范例。

作者：王曉崗 許新華 吳梅芬 王麗 單位：同濟(jì)大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院