迁移型阻锈剂在钢筋混凝土中的研究进展.pdf
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1、迁移型阻锈剂在钢筋混凝土中的研 究进展 潘崇根等 1 4 5 迁移型 阻锈剂在钢筋混凝土 中的研究进展 潘崇根 一 , 李伊伊 , 舒咚咚 , 王锃 , 祝少杰 , 毛江鸿 , 金伟 良 ( 1 浙江大学宁波理工学院土木建筑工程学院, 宁波 3 1 5 1 0 0 ; 2 浙江大学建筑工程学院, 杭州 3 1 0 0 5 8 ) 摘要 钢筋锈蚀导致混凝土耐久性的降低问题一直受到全世界的广泛关注, 迁移型有机阻锈剂可以有效提升 混凝土的耐久性, 并与混凝土结构有着很好的相容性, 且在经济上优于普通掺入型无机阻锈剂。从混凝土工程钢筋 锈蚀原因、 迁移型阻锈剂的阻锈机理进行分析, 进而介绍迁移型阻锈
2、剂的国内外研 究情况以及迁移型阻锈剂的性能 试验 和评 价方 法, 最后就迁移 型阻锈 剂相关应用 的问题进 行总结 。 关键 词 迁移型阻锈剂氯离子 阳离子型耐久性 中图分类号: TU5 文献标识码 : A D O I : 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 6 0 1 3 0 2 3 De v e l o p me nt o f M i g r a t i ng Co r r o s i o n I nh i b i t o r i n Re i nf o r c e d Co n c r e t e P AN C h o n g g
3、 e n ,L I Yi y i ,S HU D o n g d o n g ,WANG Z e n g ,Z HU S h a o j i e , MAO J i a n g h o n g ,J I N W e i l i a n g , ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g& Ar c h i t e c t u r e , Ni n g b o I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ,Z h e j i a n g Un i v e r s i t y , Ni n g b
4、o 3 1 5 1 0 0 ; 2 C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e , Z h e j i a n g Un i v e r s i t y ,Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ) Ab s t r a c t S t e e 1 b a r c o r r o t i o n - i n d u c e d d u r a b i l i t y d e g r a d a t i o n h a s r e c e i v e d e x t e n s i v e
5、 a t t e n t i o n f r o m a l l o v e r t h e wo r l d M i g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r c a n i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e e f f e c t i v e l y ,a n d i t S we l l c o mp a t i b l e wi t h s t r u c t u r e o f c o n c r e t e Th e e c o n o my o
6、 f mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r i s a l s o s u p e r i o r t h a n i n o r g a n i c c o r r o s i o n i n h i b i t o r I n t h i s p a p e r ,t h e c o r r o s i o n r e a s o n o f c o n c r e t e a n d me c h a n i s m o f mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t
7、 o r a r e a n a l y z e d S u b s e q u e n t l y ,d o me s t i c a n d f o r e i g n d e v e l o p me n t s o f mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r a r e i n t r o d u c e d,a l s o wi t h t h e p r o p e r t y t e s t i n g a n d e v a l u a t i o n me t h o d o f mi g r a t i n
8、g c o r r o s i o n i n h i b i t o r F i n a l l y,Ap p l i c a t i o n p r o b l e ms o f mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r a r e s u mma r i z e d Ke y wo r d s mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r ,c h l o r i d e i o n ,c a t i o n i c ,d u r a b i l i t y 0 引
9、言 氯盐环境下的混凝土结构耐久性 问题是 困扰全 世界的 一 大难题_ 1 。美国标准局 1 9 7 5年的调查表明: 混凝土 中钢 筋 的腐蚀 占全美各种腐蚀的 4 O 。美 国国家研究委员会的 公路战略研究项 目对美 国桥梁结构腐蚀破坏造成的损失进 行估算 , 金额超过 2 0 0 亿美元 年 , 并以每年 5 亿美元的速度 增长 。英 国海洋工程 中混凝土结构物因钢筋腐蚀需要修复 的达 3 6 。前苏联工业建筑 的腐蚀损失 占工业 固定资产的 1 6 , 仅混凝土和钢筋 的腐蚀损失就 占 G D P的 1 2 5 。 日 本约有 2 1 4 的钢筋混凝土结构破坏是 由钢筋腐蚀引起 的。
10、我国的海港码头 、 滨海设施 、 水工工程等更是有大量钢筋腐 蚀破坏的案例 , 很多 钢筋混凝土工程 达不到设计 寿命的要 求。因此 , 混凝土结构耐久性 的研究迫在眉睫。 在众多钢筋阻锈措施 中, 使用钢筋阻锈剂 的方法因为环 保低毒 、 经济实 用、 操 作简便而受到 了业 界的重视。据悉 , 1 9 9 3 年以前, 全世界仅有 2 0 0 0 万 m。 的混凝土中使用了钢筋 阻锈剂 , 而到 了 1 9 9 8年, 至少有 5 亿 m。 的混凝土中使用 了 钢筋阻锈剂, 可见其发展之迅猛_ 5 。美 国、 日本 、 中国等都在 积极开发和应用钢筋阻锈剂 。根据使用方式不 同, 钢筋阻锈
11、 剂可以分为掺入型和迁移型。迁移型阻锈剂是近些年来 国 外发展起来的新型阻锈剂类型 , 被誉为混凝土结构修复领域 中最 具 有 前 景 的 新 技 术_ 6 。1 9 9 7年, 欧 洲混 凝 土 标 准 E N V1 5 0 4 9 混凝 土结 构保 护与修 补 产品与 系统 ( 使 用总 则) 将迁移型阻锈剂列为控制钢筋腐蚀的一 种有效 的保护 和修补产品。除了保护钢筋 , 有些品种还可以增加混凝土的 密实性 , 通过混凝土表面 自发渗透到钢筋表面 , 形成保护膜 来实现对钢筋的保护 。它可以有效 防止由于氯化物 、 碳化或 杂散电流等原因造成的钢筋锈蚀。 目前 , 中国是世界建筑规模最宏
12、大的国家 ( 占世 界水泥 用量的 5 5 ) E T 。大量新建的重点工程逐渐开始使用迁移型 阻锈剂。迁移型阻锈剂的研究与开发在我国起步 比较 晚, 其 作用机理和性能特点也未被广泛认识 , 一定程度上影响 了这 一 新技术在我 国的推广。 *国家 自然科学基金( 5 1 5 4 1 9 0 4 ; 5 1 4 0 8 5 4 4 ) ; 浙江省自然科学基金( L Y1 6 E 0 9 0 0 0 7 ) ; 宁波市科技创新团队项 目( 2 0 1 1 B 8 1 0 0 5 ) ; 浙江 省公益基金 ( 2 O 1 5 C 3 1 O 3 3 ) 潘崇根: 男, 1 9 8 2年生, 博士
13、, 讲师, 研究方向为混凝土耐久性 E - ma i l : p a n c h o n g g e n z j u e d u e n 1 4 6 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 6 年 7月( A) 第 3 O卷第 7期 1 混凝土钢筋腐蚀的原 因 混凝土钢筋的腐蚀主要是 由于混凝土不密实或存在裂 缝 , 造成氯离子等腐蚀介质侵入 。氯离子 的主要来源是混凝 土原材料以及混凝土的使用环境。由于大量使用海砂和化 冰盐 , 使得以钢筋混凝土结构为主的腐蚀破坏尤为突出_ 8 。 混凝土是一种强碱性物质, p H值在 1 2 1 3之间, 可在 钢筋表面形成氧化物钝化膜 , 保护钢筋不被锈蚀
14、。当氯离子 侵入时, 其腐蚀作用主要有以下几个方面_ g 。 ( 1 ) 破坏钝化膜, 钢筋表面钝化膜只有在高碱性 环境 中 才是稳定的, 氯离子会使钢筋表面酸化 , 导致 p H 降低 , 钝化 膜在 p H 1 1 5 时就开始不稳定 , 在 p H9 8 8 时生成困难 或已经生成的逐渐被破坏。 ( 2 ) 形成腐蚀 电池, 氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏发 生在局部 , 这些部位露出铁基体, 与尚完好 的钝化膜区域形 成电位差 , 加速了钝化膜破坏和钢筋腐蚀 。 ( 3 ) 去极化作用, 氯离子与阳极反应产物 F e 。 结合生成 F e C 1 , 将阳极产物搬运走 , 使 阳极氧化过
15、程顺利甚至加速进 行 , 氯离子发挥的是阳极去极化作用; ( 4 ) 导电作用 , 混凝土中的氯离子的存在强化 了离子通 道 , 降低了阴阳极之间的欧姆 电阻, 提高了腐蚀 电池的效率 , 加速了电化学腐蚀过程。 由于氯离子的作用导致钢筋腐蚀 , 混凝土结构耐久性遭 到破坏 , 劣化混凝土结构所需的维修和重建工程给资源和能 源供应带来了巨大的负担, 产生的建筑垃圾也给环境造成 巨 大的压力。而众多的钢筋阻锈措施 中, 使用迁移型阻锈剂符 合可持续发展理念且具有非常大的经济效益。 2 迁移型阻锈剂的阻锈机理 迁移型钢筋 阻锈剂 主要通过 3种途 径来 抑制钢 筋锈 蚀l_ 1 : ( 1 ) 抑
16、制阳极反应和阴极反应 ; ( 2 ) 大幅度提高两电极 之间的电阻; ( 3 ) 降低 混凝土渗透性 , 减少 O 向钢筋表面迁 移。 目前迁移型阻锈剂主要是以胺、 醇胺及其盐或酯为主的 混合型水溶液或水乳液体系 1 。迁移型阻锈剂 的阻锈机理 可能是几种作用叠加组合 , 所以阻锈效果与其 中各种组合的 结构密切相关。一般可以认为, 迁移型阻锈剂具有“ 成膜” 和 “ 塞孔” 双重功能。迁移型阻锈剂借助混凝土中的孔结构 , 通 过毛细作用、 虹吸作用 、 液相扩散、 气相扩散 自发地渗透进混 凝土内部。阻锈剂分子随着水分以液相 的形式进入到混凝 土内部 , 当水分蒸发后 , 不同蒸汽压的有机物
17、开始挥发, 形成 高浓度气相 , 并在混凝土孔隙中继续缓慢扩散。除少量可能 被水泥水化产物吸附外 , 部分阻锈剂分子通过气相和液相扩 散, 迁移至钢筋表面后 , 竞相将钢筋表面吸附的水分子和氯 离子排挤出去, 形成物理和化学结合的表面吸附膜 , 对钢筋 起到保护作用。迁移型阻锈 剂分子 中含氮的极性基 团通过 物理或化学吸附排除水分子和氯离子 , 紧贴钢筋表面渗透 , 形成单分子保护膜, 一般这层膜分子大致垂直于金属表面形 成排列。其非极性基 团在表面定向排布形成疏水层。这层 保护层能够阻碍金属离子和腐蚀介质 、 水和氧气 向金属表面 渗透, 从而起到阻锈作用 , 如图 1 所示。 非极 图
18、1 迁移型钢筋阻锈剂阻锈机理 Fi g 1 M e c h a n i s m o f mi g r a t i n g c o r r o s i o n i n h i b i t o r 3 迁移型阻锈剂的国内外研究情况 前苏联 、日本 和美 国 是 最 早 使 用 钢 筋 阻 锈 剂 的 国 家E 1 3 , 1 4 。美国 2 O 世纪 7 O年代初开始研 究、 开发钢筋 阻锈 剂。1 9 9 2 年出台的 钢筋混凝土桥梁 的防腐蚀手册 指 出可 通过添加阻锈剂来防止桥梁腐蚀。 日本于 1 9 7 3 年首次在冲 绳发电站建设工程 中大量使用钢筋阻锈剂来 防止海砂对钢 筋的腐蚀 。前
19、苏联于 2 O 世纪 5 0 年代开始研制 、 使用钢筋阻 锈剂, 在 1 9 8 5 年出版了 混凝土中钢筋阻锈剂 专著 , 同时还 将阻锈剂 内容纳入国标 建筑 防腐蚀设计规范 中。 我国对钢筋阻锈剂的研究开发起步也 比较早 。1 9 9 8 年 , 冶金工业部颁发了 钢筋 阻锈剂使用规范技术 。2 0 0 4 年我 国交通部颁布了 钢筋混凝土阻锈剂 , 规定 了阻锈剂评价的 相关方法。2 0 0 9 年 中华人民共和 国住房和城 乡建设 部颁布 了 钢筋阻锈剂应用技术规程 , 系统规定了阻锈剂 的使用环 境等级 、 种类选用、 施工工艺、 工程验收等_ 1 。我 国对钢筋防 腐方面越来越
20、重视 , 促进了钢筋阻锈剂的发展。 目前国内外钢筋阻锈剂的主流产品都属于掺人型口 , 对 迁移型钢筋阻锈剂 的研究还处于起步阶段。 3 1 有机迁移型阻锈剂 直到 2 0世纪 9 O年代, 有机迁移型阻锈剂才开始 出现在 昆 凝土行业中 。有机迁移型阻锈剂不会发生类似 阳极型 阻锈剂因用量偏低 而导致腐蚀加速 的情况 1 引 。美 国 C o r t e c 公司率先使用以胺基羧酸盐为主 的迁移型阻锈剂来保护钢 筋混凝土l 1 。目前市场上销售较多的是瑞士 S i K a 公 司 F e r r o G a r d 9 0 3 。这是复合胺基醇类迁移型阻锈剂 , 通过限制离 子在阴极区的运动
21、, 隔离有害离子, 使其不能与钢筋接触, 从 而达到防腐蚀的 目的_ 2 。 。 E l s e n e r B等 2 l J 研究 了以乙醇胺为主要成分 的迁移型复 合阻锈剂对混凝土钢筋的阻锈效果 , 乙醇胺能在混凝土中扩 散并吸附在钢筋表面上 , 具有 良好的钢筋 防腐蚀效果。R a k a n t a 等 研究表明, 在 3 5 ( 质量分数 ) 的氯化钠溶液中, 氨基醇迁移型阻锈剂对钢筋腐蚀起到抑制作用。O r me l l e s e 等 2 3 , 2 4 研究表明, 迁移型阻锈剂具有 良好 的扩散能力, 并能 延缓钢筋腐蚀时间。H o l l o w a y 等 2 朝 利用氨气
22、敏电极测定迁 移型阻锈剂中有机胺类在混凝土 中的浓度, 试验表明迁移型 迁移型阻锈 剂在钢筋混凝土 中的研究进展 潘崇根 等 1 4 7 阻锈剂能够顺利扩散到混凝土中钢筋表面, 并对氯离子引发 的腐蚀 起 到 很 好 的修 复 作 用 。B a v a r i a n等 研 究 表 明, MC I 2 0 2 0系列阻锈剂能扩散至钢筋表面并形成保护膜层, 而 未涂刷的混凝土 钢筋则受到腐蚀 。S tS y l e v E 等研究发现 氨 基醇和酯基阻锈剂在表面涂敷时对混凝土性能无不利影响, 由于能堵塞孑 L 隙使得表面涂敷阻锈剂的混凝土的吸水率、 干 缩性 、 抗冻融性能 均有所 改善。Ma
23、e d e r 2 研究表 明氨基醇 取代氯离子在金属表面形成连续性保护层, 在金属表面同时 抑制阳极和阴极反应过程 , 推迟了腐蚀始发时间 , 降低了腐 蚀速度 国内对 迁移 型 阻锈 剂 的研 究 还处 于 刚 刚起 步 阶段。 2 0 0 7 年北京市建筑工程研究所 自主研发的 AMC I 迁移型阻 锈剂通过了市建委专家的鉴定 , 实现了迁移型阻锈剂 的国产 化。这项新技术有效解决了混凝土钢筋腐蚀破坏这一严峻 难题 , 已在天津塘沽地 区的滁 河大桥 、 大秦扩线御河特大桥 等工程中得到应用 , 对我国今后沿海地 区的港工混凝土建筑 防腐起到重要作用。贺奎等L 2 9 1 对 A MC
24、I 迁移型阻锈剂 的性 能进行了研究 , 试验表 明 A MC I 具有 良好的抗氯离子侵蚀作 用和一定的迁移作用。曹琨等_ 3 0 _ 研究 了分别含有 D ME A+ S D B S 、 D ME A+T w e e n 8 0 、 D ME A+O P - 1 0的复合迁移型阻 锈剂对混凝土钢筋的保护作用, 试验表明 D ME A+S D B S有 很好 的协同作用 , 两者复配后依靠竞争吸附和协 同效应极大 地增强了缓蚀作用。李遵云等_ 3 研究 了 自行研制的迁移型 阻锈剂对混凝土耐久性能的影 响。该阻锈 剂主要是 由多种 分子结构的醇胺类化合物( 包括短链的小分子醇胺类物质和 长链
25、分子结构的大分子醇胺类物质) 、 表面活性剂及无机 酸 组成。不同分子的醇胺组合可 以使钢筋尽可能在短时间修 复并提高修复效果 , 表面活性剂能改善阻锈剂在混凝土中的 迁移能力。张大全等 3 。 研究 了 Z D - 2 迁移型阻锈剂对混凝土 钢筋的阻锈作用 , 其主要成分为吗啉多元胺和低分子量的羧 酸胺, 研究表 明 Z 2阻锈剂能够在碱性条件 下抑制氯离子 引起的钢筋点蚀 , 对混凝土钢筋腐蚀 电化学 阴极和阳极过程 均有阻止作用 。 迁移 型阻锈剂有着非常多 的优点 , 但也有些 不足的方 面。J a mi l 等_ 3 。 研究发现醇胺类迁移型阻锈剂涂覆于混凝土 表面 , 必须经历较长
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