钢筋锈蚀是造成混凝土结构提前失效的最主要原因之一,钢筋锈蚀的防护和修复也一直是钢筋混凝土耐久性的研究重点。在众多钢筋腐蚀的防护技术中,电化学除盐和使用迁移性阻锈剂被认为是两种较有效、实用的钢筋混凝土阻锈方法,但由于其本身的缺点和局限性,存在着某些方面的不足,如电化学除盐后钢筋自腐蚀电位负移,在侵蚀环境作用下易发生“二次腐蚀”;迁移性阻锈剂很难完全到达钢筋表面,对钢筋进行有效保护。本课题提出电迁移性阻锈剂的方法,在电化学除盐过程中使阻锈剂有效迁移至钢筋表面,在对锈蚀钢筋表面混凝土层进行脱盐、提高碱度的同时,使阻锈剂快速迁移进入混凝土并包裹在钢筋表面,形成对钢筋的多重防护,有效地提高钢筋的保护效率,并缩短修复时间和降低成本。本文围绕电迁移性阻锈剂的分子结构设计、合成及其在钢筋混凝土中的作用过程和机理等问题展开了系统研究,主要包括:基于电场作用下的迁移速率和对钢筋的阻锈效果,对阻锈剂的分子结构进行功能性设计,成功研发了一系列电迁移性阻锈剂;在此基础上,阐明了电迁移性阻锈剂的分子结构与其对钢筋的阻锈效果、在混凝土中的迁移动力学之间的构效关系,揭示了电迁移性阻锈剂对钢筋的防蚀机理和对混凝土组成、结构与性能影响的作用机制。具体研究工作包括:(1)根据电场作用下对外加剂的快速迁移和有效阻锈的技术要求,提出以咪唑啉为主要阻锈基团,并将其进行阳离子化的思路;以不同分子量的脂肪酸为原料,合成了在碱性环境中能溶于水、电离产生阳离子阻锈功能基团的系列咪唑啉季铵盐(IQS);研究了合成过程中各种因素对合成产物种类及产率的影响,获得了各种咪唑啉季铵盐较适宜的合成工艺条件,其合成产率可达90%以上。(2)研究了咪唑啉季铵盐在含3.5%氯化钠的混凝土模拟孔溶液中对钢筋的阻锈作用及机理。咪唑啉季铵盐对钢筋具有较好阻锈效果,并存在一个较佳掺量:当掺量为1.0%时,其阻锈效果显著优于掺量为2.0%醇胺类有机阻锈剂。咪唑啉季铵盐分子中咪唑啉杂环上1N与4N原子的电荷密度最大,是阻锈剂与钢筋表面铁原子键合的吸附中心,其电荷密度直接决定阻锈剂对钢筋的阻锈效果。因此,咪唑啉杂环数越多、碳支链长度越大,其对钢筋的阻锈效果越好。此外,咪唑啉季铵盐在溶液中的浓度超过其溶解度时,易形成胶束结构,从而产生“团聚与絮凝”现象而导致其阻锈效果降低。(3)研究了电场作用下,咪唑啉季铵盐在混凝土中的迁移动力学过程。咪唑啉季铵盐在混凝土中具有较快的迁移速度,且能在钢筋表面富集,电迁移处理28 d后,咪唑啉季铵盐在混凝土/钢筋界面处浆体中的最大浓度可达1.2 mg/g。咪唑啉季铵盐在混凝土中的迁移速度与电场驱动力和阻锈剂的分子结构有关:电场驱动力越大,阻锈剂分子荷电量越大,分子量越小,阻锈剂在混凝土中的迁移速度越快。(4)基于Nernst-Planck方程,建立了电场作用下混凝土内部的多离子迁移数学模型,模拟了混凝土中IQS、Cl-、Na+与K+等离子的迁移动力学过程。理论计算和实测混凝土内各离子的浓度分布基本一致,在实际工程中,可根据混凝土的性能和结构参数,对该模型的边界条件进行修订,用于定量分析阻锈剂电迁移过程中IQS、Cl-、Na+与K+等离子在混凝土内的分布,以确定合适的阻锈剂电迁移处理的技术参数,指导其在工程中的实际应用。(5)研究了咪唑啉季铵盐的电迁移对钢筋混凝土组成、结构与性能的影响。阻锈剂的电迁移使混凝土中部分水化产物(AFt,C-S-H)分解,Ca(OH)2含量显著增加。此外,由于阻锈剂的“孔隙堵塞”效应,混凝土的孔结构发生变化:外层混凝土的总孔隙率显著减少,但最可几孔径增大;内层混凝土的总孔隙率增大,最可几孔径减小。咪唑啉季铵盐的电迁移后,混凝土的抗渗性较电化学除盐有较大改善,能够减轻电化学除盐导致的混凝土抗渗性过度劣化的问题。(6)揭示了电迁移性阻锈剂对混凝土中钢筋的防蚀机理。咪唑啉季铵盐的电迁移过程对钢筋的腐蚀防护作用是通过以下作用共同实现的:(a)阻锈剂高效迁移至钢筋表面,并进行有效吸附与包裹;(b)混凝土内Cl-在电场作用下的排出;(c)钢筋周围碱性明显增强。咪唑啉季铵盐对钢筋的包裹有效防止了电化学除盐后钢筋可能发生的“二次腐蚀”,增强了混凝土结构后续抗侵蚀能力。