论文部分内容阅读
随着“海洋强国”和“一带一路”国家战略持续推进,越来越多的重大基础设施和军事工程正在我国海洋和西部等地区兴建或规划,如南海岛礁、深中通道、深珠城际、渤海湾通道、雅鲁藏布江水电站、川藏铁路等。据统计,我国已连续多年成为全球水泥生产量和消耗量最大的国家。实际工程中,处于上述海洋、港口、盐湖盐渍土等严酷服役环境中的钢筋混凝土结构不仅面临荷载作用,同时也受到环境中氯离子、硫酸根离子、镁离子、二氧化碳等复合侵蚀介质的危害,性能劣化加速导致结构过早失效,给人民生命财产安全、国家战略工程安全带来极大隐患。因此,研究严酷复合介质侵蚀环境下混凝土中钢筋腐蚀行为规律及机理对探究混凝土劣化演变规律和提升耐久性具有十分重要的意义。本文基于西部盐湖盐渍土地区实际工程需要,以氯离子和硫酸根离子复合侵蚀介质为主要研究前提,利用电化学方法监测结合先进微观表征手段,研究了严酷复合介质侵蚀环境下钢筋锈蚀行为演变;探讨了钢筋腐蚀电化学阻抗可靠性和稳定性验证方法,并进一步明晰了阻抗模拟电路选取原则,讨论了钢筋腐蚀界面介电和交流电导性质;利用X-CT三维无损表征钢筋混凝土锈蚀发展,同时利用X-CT方法监测了水泥基材料硫酸盐侵蚀破坏进程。论文取得的主要创新性成果如下:一、复合介质侵蚀下钢筋腐蚀行为演变探究了钢筋在单一侵蚀介质和复合侵蚀介质作用下腐蚀规律,采用电化学方法监测混凝土模拟孔溶液中钢筋在不同浓度氯离子、硫酸根离子、氯离子-硫酸根离子腐蚀情况下开路电位、极化电阻和腐蚀电流密度等参数,建立了模拟混凝土孔溶液中钢筋腐蚀电位与极化电阻关系,获得了钢筋在氯离子和硫酸根离子腐蚀下的临界浓度。试验结果表明:（1）随着钢筋在碱性环境中钝化时间的延长,钢筋钝化膜逐渐形成和致密,且耐侵蚀能力逐渐增强。（2）模拟液中钢筋临界氯离子浓度为0.04mol/L0.06mol/L,而钢筋在硫酸盐侵蚀作用下临界浓度为0.02mol/L0.03mol/L。氯离子-硫酸根离子复合环境中,硫酸根离子的存在使得钢筋极化电阻进一步降低,加快了钢筋的腐蚀。（3）模拟液中钢筋腐蚀电位和极化电阻、腐蚀电流密度存在一定统计关系,可通过腐蚀电位变化规律预测钢筋极化电阻和腐蚀电流密度演变。二、钢筋腐蚀交流阻抗表征及复合介质腐蚀机理以钢筋腐蚀电化学阻抗响应为切入点,提出了Kramers-Kronig变换验证阻抗数据可靠性方法,并进一步确立了等效模拟电路的合理选取原则,率先将电化学阻抗法应用于钢筋腐蚀过程钝化膜或氧化膜厚度计算。利用XPS和XRD等表征手段,分析了氯离子、硫酸根离子作用下钢筋腐蚀产物组成。试验表明:通过定性比较和定量计算残差,得到K-K转换数据和试验数据的对比,可判定本试验中钢筋腐蚀阻抗数据符合因果性、线性和稳定性规律;等效模拟电路R（Q（R（QR）））对于混凝土模拟液中钢筋腐蚀拟合效果最佳,而电化学阻抗谱等效模拟电路选取原则可概括为定性判定模拟数据与测试数据视觉差异、卡方值定量表征模拟值与测试值吻合度、验证模拟电路参数演变规律;氯离子或硫酸根离子在钢筋腐蚀过程中起催化作用,腐蚀产物主要包括γ-FeOOH,α-FeOOH,Fe（OH）3,Fe2O3和FeO;对比ToF-SIMS测试钢筋钝化膜或氧化膜厚度结果可知,电化学阻抗法可有效预测钝化膜或氧化膜厚度。三、盐湖卤水环境中钢筋混凝土腐蚀研究了西部盐湖卤水环境中钢筋混凝土腐蚀发展演变和规律,分别探讨了全浸泡和干湿循环条件下,混凝土强度等级、保护层厚度、钢筋类型和阻锈剂等因素对钢筋锈蚀风险和腐蚀速率影响。结果表明:随着混凝土强度等级提高,钢筋极化电阻显著提升,最高可提高3.8倍,腐蚀风险降低;而保护层厚度由10mm增加至20mm,钢筋极化电阻平均增加50%;亚硝酸钙阻锈剂的掺入可使混凝土钢筋极化电阻提高22%。在干湿循环条件下,同混凝土强度等级、保护层厚度和钢筋类型时,干湿循环条件大幅加速了有害离子的侵入,降低了钢筋极化电阻,增大了钢筋腐蚀风险。四、X-CT监测钢筋混凝土腐蚀与硫酸盐侵蚀过程采用电化学方法系统研究了不同配比、保护层厚度和钢筋类型混凝土中钢筋电加速腐蚀进程,利用X-CT方法三维、无损地获得了钢筋腐蚀产物时空演变规律,建立了与电化学测试表征对应关系,并通过SEM-EDS分析了钢筋-腐蚀产物-混凝土界面元素分布规律和腐蚀产物层厚度。试验表明:X-CT技术可有效应用于钢筋腐蚀三维、无损表征,为钢筋混凝土腐蚀直观化研究提供有力工具;同等条件下,保护层厚度为钢筋腐蚀导致混凝土开裂、剥落和解体的重要控制因素,其次为混凝土强度;通过SEM-EDS统计分析得到C30P20和C50R20钢筋混凝土腐蚀产物层厚度,与电化学试验规律、X-CT测试结果有较高一致性。探索了水泥基材料硫酸盐侵蚀X-CT测试方法,由理论分析到试验,实现了净浆、砂浆硫酸盐侵蚀过程三维无损可视化表征;结合SEM-EDS试验,获取了CT测得破坏深度与硫酸盐侵入深度对比规律。研究结果表明:X-CT技术可作为水泥基材料硫酸盐侵蚀三维、无损、可视化表征的有力工具;对比SEM-EDS测得硫酸盐侵入深度,X-CT监测硫酸盐侵蚀破坏深度约为硫酸盐侵入深度的47%。