热带海洋大气环境中Cr对低合金钢腐蚀产物膜影响机理研究

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由于热带海洋大气环境腐蚀性非常苛刻,导致裸露使用的耐候钢和混凝土包覆的钢筋在服役过程中面临严重的腐蚀问题。向耐候钢和钢筋中添加一定量的Cr元素有效降低其制造成本,但在热带海洋环境中Cr对耐候钢和钢筋腐蚀产物膜的作用机制还需要进一步探索。本文首先设计了五种不同Cr含量的Ni-Mo-Cu钢,系统的研究了热带海洋环境中Cr含量对腐蚀产物膜成膜过程的影响机理,并探索了Cl-浓度对含Cr钢腐蚀产物膜的影响机理。同时,本文分别设计出含有Mo/Cu/Ni元素的低Cr钢筋,在泰国进行暴晒实验,系统的研究钢筋中合金元素对低Cr钢筋腐蚀产物膜的影响机理,并优选出适用于东南亚热带海洋大气环境的耐蚀钢筋。在此基础上,设计了五种不同含Cr量的Ni-Mo-Cu钢筋,揭示了 Cr含量对钢筋钝化膜和腐蚀产物膜成膜作用机制。通过本文的研究,阐明了热带海洋环境中Cr元素对腐蚀产物膜的影响机理,为含Cr钢和钢筋在严苛热带海洋大气环境中的大规模应用提供理论支撑。本文取得的主要结论包括:在近中性的热带海洋大气环境中,随着Ni-Mo钢Cr含量由0wt.%增加至0.9wt.%,其耐蚀性逐渐提高。Cr对Ni-Mo低合金钢腐蚀产物膜的作用主要包括三个方面:一方面:Cr含量的增加促使Ni在内层膜中团聚富集,共同形成一层负电性的内层,吸引更多带正电的Ni2+和Cr3+,将Cl-排斥在外层。另一方面:Cr2O3作为FeOOH的形核位点,细化腐蚀产物颗粒,有效的改善腐蚀产物膜疏松多孔的结构。最后,Cr促进γ-FeOOH转化为α-FeOOH,提高α/γ值,增加腐蚀产物膜的致密性和保护性。在近中性的热带海洋大气环境中,随着Cl-离子浓度由0.1%增加至3.5%,含Cr钢的耐蚀性逐渐降低。高浓度的NaCl促使钢表面吸附更多的水膜,抑制O2的扩散,减缓NiFeO4和Cr(OH)3的生成,进而破坏内层膜的电负性,减弱腐蚀产物膜中Ni和Cr的富集程度,改变腐蚀产物膜的选择透过性,使内层膜中富集Cl;Cr与OH-和O2-的竞争,降低内层膜中NiFe2O4和Cr(OH)3的含量,抑制γ-FeOOH向α-FeOOH的转化,降低了腐蚀产物膜的保护性。在模拟混凝土孔隙液环境中,Cr在浸泡初期减缓钢筋钝化膜的生长速率,而在浸泡后期则促进钝化膜的生长。随着Cr含量由0.5wt.%增加至5wt.%,钢筋钝化膜的空位和Fe2+、Cr3+的相对含量逐渐减少,进而增强钝化膜的稳定性。含Cr钢筋钝化膜的表面粗糙度随Cr含量的增加而降低。Cr含量的增加降低钢筋表面氧化铁/氢氧化物层的厚度,促使钢筋的表面更加光滑。在模拟混凝土孔隙液环境中,随着Cr含量由0.5wt.%增加至5wt.%,钢筋的腐蚀速率逐渐降低。Cr对钢筋腐蚀产物膜的作用主要包括三个方面:一方面,Cr2O3是FeOOH的形核位点,促使腐蚀产物中生成更加细小的FeOOH颗粒;另一方面,Cr(OH)3具有阳离子的选择透过性,阻碍Cl-离子向内层膜渗透;最后,Cr含量的增加促进Mo元素在内层膜中的富集。Mo在钢筋腐蚀产物膜中是以MoO2、MoO3和MoO42-的形式存在。MoO2和MoO3是FeOOH的成核粒子,促进钢筋腐蚀产物中生成更多纳米级的FeOOH。在碱性环境中钢筋表面生成的CaMoO4和Fe2(MoO4)3将进一步阻碍钢筋的腐蚀。在混凝土环境中,向低Cr钢筋中添加Mo元素将有效的提升耐蚀性。Mo对低Cr钢筋耐蚀性的影响优于Cu和Ni元素。
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