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        不同保護層厚度下鎂水泥混凝土中鋼筋防護試驗

        2021-07-14 07:34:50喬宏霞楊振清王鵬輝溫少勇楊天霞
        關(guān)鍵詞:氯鹽腐蝕電流保護層

        喬宏霞,楊振清,王鵬輝,溫少勇,楊天霞

        (1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,甘肅 蘭州730050)

        我國西北地區(qū)鹽漬土面積占全國鹽漬土總面積的60%以上[1].大部分鹽漬土中含有較多可溶性氯鹽,遇水易離解出腐蝕性Cl-,破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[2],尤以基層腐蝕較為突出.同時,由于混凝土自身成分析出,其強度也將下降.在西北鹽漬土環(huán)境下,普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)極易破壞,使得建筑物無法達到設(shè)計使用年限,不足以滿足建筑耐久性需求,并造成巨大經(jīng)濟損失.

        鎂水泥混凝土由于自身含有鹽鹵成分,對鹽鹵腐蝕有一定抵抗能力,這種能力使其在鹽漬土分布廣泛的西北鹽類侵蝕地區(qū)具有適用性.但是,由于鎂水泥混凝土自身含有鹽鹵成分,且鎂水泥混凝土內(nèi)部pH值較普通硅酸鹽混凝土更低,因而會對鋼筋產(chǎn)生輕微腐蝕,這是因為鋼筋表面鈍化膜在高堿環(huán)境中最為穩(wěn)定[3].同時,Cl-具有去鈍化作用,當(dāng)其濃度達到一定量時,對鋼筋鈍化膜產(chǎn)生破壞[4].鎂水泥遇水又易吸潮反鹵[5],因此,鎂水泥的用途有限,一般用作包裝材料、板材等[6].在鎂水泥混凝土中摻入粉煤灰后,可以改善鎂水泥孔隙結(jié)構(gòu),提高抗?jié)B性,對吸潮反鹵起到抑制作用[7].若能在此基礎(chǔ)上,改善鎂水泥混凝土對鋼筋的腐蝕性,鎂水泥混凝土將有可能應(yīng)用到建筑承重部位,甚至實現(xiàn)鎂水泥混凝土在西北地區(qū)的普遍應(yīng)用.為此,筆者設(shè)計試驗時,自然干燥環(huán)境下在鎂水泥混凝土中設(shè)置2種不同的混凝土保護層厚度,結(jié)合其他環(huán)境因素,進行有、無涂層對照條件下的電化學(xué)腐蝕試驗,利用電化學(xué)方法連續(xù)監(jiān)測,探究鎂水泥混凝土構(gòu)件的耐久性.

        1 試驗材料及方案

        1.1 試驗材料

        輕燒氧化鎂(MgO)和氯化鎂(MgCl2)分別由青海省格爾木市察爾汗鹽湖氧化鎂廠和氯化鎂廠提供;砂選用蘭州當(dāng)?shù)睾由?;碎石取自甘肅路橋第三公路工程有限公司,其不均勻系數(shù)為17,級配良好;鋼筋選擇HPB300國標(biāo)鋼筋,鋼筋的抗拉強度為300 N·mm-2;水使用當(dāng)?shù)刈詠硭?,滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》;選用達克羅(DKL)涂層;粉煤灰選擇Ⅰ級粉煤灰;減水劑采用JM-1菱鎂專用復(fù)合減水劑.

        1.2 試驗方案

        選用直徑為12 mm,長度為100 mm的鋼筋,對鋼筋表面進行去污處理后涂刷涂層.分別設(shè)置25和50 mm的混凝土保護層厚度,將鋼筋置于100 mm3鎂水泥混凝土試件中,鎂水泥混凝土主要配合比中,工業(yè)氯化鎂、減水劑、砂子、石子、氯化鎂和粉煤灰的體積質(zhì)量分別為147.00、16.02、625.00、116.00、388.90和68.63 kg·m-3.

        試件制備完成后,分成3組.第1組分別將25 mm混凝土保護層厚度的裸露鋼筋混凝土構(gòu)件和涂層鋼筋混凝土構(gòu)件置于濃度為1.5 mol·L-1氯化鈉溶液中;第2組分別將25和50 mm混凝土保護層厚度的裸露鋼筋混凝土構(gòu)件置于自然干燥環(huán)境中;第3組分別將25 mm混凝土保護層厚度的裸露鋼筋混凝土構(gòu)件和涂層鋼筋混凝土構(gòu)件置于自然干燥環(huán)境中.利用CS350電化學(xué)工作站進行監(jiān)測,監(jiān)測時間間隔為90 d.腐蝕電流密度icorr與腐蝕狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如下:當(dāng)icorr<0.1 A·cm-2時,鋼筋處于未腐蝕狀態(tài);當(dāng)icorr=0.1~0.5 A·cm-2時,鋼筋處于低腐蝕狀態(tài);當(dāng)icorr=0.5~1.0 A·cm-2時,鋼筋處于中等腐蝕狀態(tài);當(dāng)icorr>1.0 A·cm-2時,鋼筋處于嚴重腐蝕狀態(tài).

        1.3 試驗原理

        圖1為三電極測試系統(tǒng)模擬示意圖.通過CS350電化學(xué)工作站測定極化曲線.

        圖1 三電極測試系統(tǒng)模擬示意圖

        外側(cè)腐蝕電流密度公式為

        (1)

        式中:i為外測極化電流密度;ΔE為極化電位;βa和βc分別為陽極和陰極塔菲爾斜率[8].

        金屬腐蝕速率公式[9]為

        vR=11.73icorr,

        (2)

        式中:vR為金屬腐蝕速率.

        2 試 驗

        2.1 干燥環(huán)境25和50 mm保護層厚度裸露鋼筋

        圖2和3分別為干燥環(huán)境下25和50 mm保護層厚度裸露鋼筋極化曲線,其中I為腐蝕電流.圖4為干燥環(huán)境下不同保護層厚度的裸露鋼筋腐蝕電流密度變化曲線.

        圖2 干燥環(huán)境下25 mm保護層厚度裸露鋼筋極化曲線

        圖3 干燥環(huán)境下50 mm保護層厚度裸露鋼筋極化曲線

        圖4 干燥環(huán)境下不同保護層厚度的裸露鋼筋腐蝕電流密度變化曲線

        由圖2和3可知:① 對比其他階段,在90 d時,開路電位較高,鋼筋表面發(fā)生腐蝕.結(jié)合圖4可知,此階段鋼筋處于嚴重腐蝕狀態(tài),鎂水泥pH值相較普通水泥更低,在鎂水泥構(gòu)件中的鋼筋7 d就發(fā)生嚴重腐蝕[10].這是由于鎂水泥本身含有的Cl-加速了鋼筋腐蝕進程,Cl-作為一種極強的去鈍化劑,降低了混凝土內(nèi)部堿度,使鈍化膜逐漸喪失“保持穩(wěn)定”的高堿環(huán)境.② 90~180 d時,電位向負向移動,50 mm混凝土保護層厚度下電位偏移程度大于25 mm.此階段,電位偏移程度較大,腐蝕較之其他階段更為活躍,結(jié)合圖3可知,腐蝕電流密度也呈現(xiàn)急速上升態(tài)勢.此時,碳化過程使得混凝土中OH-向表層遷移,降低混凝土內(nèi)部pH值.③ 2種混凝土保護層厚度下,180~360 d時電位均向正向移動.180 d附近腐蝕電流密度達到最大,且出現(xiàn)腐蝕電流密度逐漸減小的現(xiàn)象.對應(yīng)電位移動現(xiàn)象,此階段耐腐性提高,銹蝕產(chǎn)物形成的銹蝕層隔絕了發(fā)生在鋼筋表面的吸氧腐蝕.④ 360~450 d時電位向負向移動,50 mm混凝土保護層厚度下電位偏移程度仍然大于25 mm.⑤ 450~540 d時電位均向正向移動.⑥ 540~630 d時,25 mm混凝土保護層厚度下電位繼續(xù)向正向移動,而在50 mm混凝土保護層厚度下,電位幾乎沒有出現(xiàn)較大程度偏移.

        一般來說,混凝土保護層能延緩腐蝕介質(zhì)抵達鋼筋表面的時間[11].混凝土保護層厚度越大,對鋼筋越能起到更好的保護作用.但結(jié)合極化曲線與腐蝕電流密度分析,混凝土保護層厚度為25和50 mm時腐蝕進程大致相同,50 mm時鋼筋更易受到腐蝕.這與鎂水泥混凝土中鹽鹵成分有關(guān),腐蝕性鹵素離子在混凝土內(nèi)部對鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用,且由于混凝土保護層厚度為50 mm時,鋼筋與腐蝕性鹵素離子接觸面積更大,因此受到更為嚴重的腐蝕.

        2種混凝土保護層厚度下,結(jié)合前述1.2節(jié)中腐蝕電流密度與腐蝕狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系,90~630 d時鋼筋均處于嚴重腐蝕狀態(tài).根據(jù)2種混凝土保護層厚度下的腐蝕電流密度,180 d附近鋼筋受腐蝕最為嚴重.180 d時,25和50 mm混凝土保護層厚度下腐蝕電流密度分別為5.00×10-6和7.13×10-6A·cm-2,50 mm混凝土保護層厚度下腐蝕電流密度是25 mm的1.426倍.90 d時,50 mm混凝土保護層厚度下腐蝕電流密度最小,由于混凝土保護層厚度更大,腐蝕介質(zhì)抵達鋼筋表面的過程受到更大阻礙.設(shè)置不同混凝土保護層厚度在鎂水泥中對鋼筋保護作用有限,且保護作用集中在早期.90 d以后,較大混凝土保護層厚度下鎂水泥中鋼筋更易發(fā)生破壞.原因為90 d以后,鋼筋表面鈍化膜受到鎂水泥混凝土中腐蝕性鹵素離子破壞,導(dǎo)致腐蝕電流密度快速上升.

        2.2 氯鹽下25 mm保護層厚度的裸露和涂層鋼筋

        圖5和6分別為氯鹽下裸露鋼筋和涂層鋼筋的極化曲線.圖7為氯鹽下裸露與涂層鋼筋腐蝕電流密度變化曲線.

        圖6 氯鹽下涂層鋼筋的極化曲線

        圖7 氯鹽下裸露與涂層鋼筋腐蝕電流密度變化曲線

        由圖5可知,90~180 d時,無涂層保護條件下氯鹽溶液中電化學(xué)測試得出的極化曲線向負向移動.由圖6可知,此階段涂層條件下電位移動正好相反,涂層保護作用明顯.90 d時,裸露鋼筋腐蝕電流密度為5.740 0×10-6A·cm-2,處于嚴重腐蝕狀態(tài),而涂層條件下腐蝕電流密度為1.186 5×10-7A·cm-2,處于低腐蝕狀態(tài),且結(jié)合圖7可知,涂層條件下,90~180 d附近,腐蝕電流密度呈現(xiàn)降低態(tài)勢.此階段達克羅涂層發(fā)揮作用,由于涂層中所含Zn的自腐蝕電位比Fe小,Zn和Al作為陽極優(yōu)先反應(yīng),起到保護陰極金屬的作用.Zn和Al的反應(yīng)產(chǎn)物(Zn5(OH)6(CO3)2和Al5Cl3(OH)12·4H2O)形成銹蝕層,對腐蝕起到一定的阻礙作用.180~270 d時,無涂層條件下電位向正向移動,由圖7可知,腐蝕電流密度也出現(xiàn)下降趨勢,裸鋼表面的腐蝕產(chǎn)物起到隔絕作用.涂層條件下電位向負向移動,這與涂層不斷受到腐蝕介質(zhì)滲透有關(guān).270~630 d時,電位在正、負向之間波動,此階段裸露鋼筋被腐蝕嚴重,銹蝕層起主要隔絕作用.涂層條件下,腐蝕電流密度雖有小幅上升,此階段大部分時間仍處于低腐蝕狀態(tài),甚至能達到未腐蝕狀態(tài),涂層保護作用明顯.

        氯鹽溶液中,270 d時涂層鋼筋的腐蝕電流密度為9.550 5×10-8A·cm-2,達到未腐蝕狀態(tài),且腐蝕電流密度最大值出現(xiàn)在450 d左右.450 d時對應(yīng)的腐蝕電流密度為1.727 4×10-7A·cm-2.90~630 d時涂層鋼筋處于低腐蝕和未腐蝕狀態(tài)之間.90~630 d時裸露鋼筋一直處于嚴重腐蝕.

        2.3 干燥環(huán)境25 mm保護層厚度裸露和涂層鋼筋

        圖8和9分別為干燥環(huán)境中裸露和涂層鋼筋的極化曲線.圖10為干燥環(huán)境中裸露與涂層鋼筋腐蝕電流密度變化曲線.

        圖8 干燥環(huán)境中裸露鋼筋的極化曲線

        圖9 干燥環(huán)境中涂層鋼筋的極化曲線

        圖10 干燥環(huán)境中裸露與涂層鋼筋腐蝕電流密度變化曲線

        25 mm混凝土保護層厚度下,90~180 d時,裸鋼中電位出現(xiàn)大幅度負向移動現(xiàn)象,結(jié)合圖10可知,其腐蝕電流密度急速上升,處于一個腐蝕加速階段,此階段鋼筋表面受到嚴重腐蝕.在涂層條件下,同時期電位正向移動,腐蝕電流密度增長趨勢緩慢,對比裸鋼,涂層起到了很好的防護作用.這是因為涂層受到腐蝕后,涂層中Fe被優(yōu)先消耗,產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物附著在表面起到阻礙腐蝕的作用.180~360 d時,裸鋼中電位出現(xiàn)正向移動,且腐蝕電流密度出現(xiàn)先大幅度下降、再上下波動的現(xiàn)象,此階段主要是裸鋼表面腐蝕產(chǎn)物起到保護作用.同時期涂層條件下電位呈現(xiàn)不同程度的正向移動,腐蝕電流密度上升趨勢明顯,涂層受到較嚴重的破壞.360~630 d時,涂層和無涂層條件下電位移動幾乎一致,腐蝕電流密度也較為接近,均處于被嚴重腐蝕的狀態(tài).此階段涂層保護作用不明顯,幾乎喪失對鋼筋的保護能力.

        無涂層條件下,90~630 d時,結(jié)合圖10可知,鋼筋均處于嚴重腐蝕狀態(tài).涂層條件下,90~270 d時,鋼筋從接近未腐蝕狀態(tài)緩慢向中等腐蝕狀態(tài)發(fā)展,基本處于低腐蝕狀態(tài).270~360 d時鋼筋從中等腐蝕狀態(tài)發(fā)展到嚴重腐蝕狀態(tài),此后階段均處于嚴重腐蝕狀態(tài).干燥環(huán)境下鎂水泥構(gòu)件中的鋼筋在300 d左右時涂層保護作用失效.

        3 SEM形貌和XRD衍射

        在630 d時,對氯鹽溶液條件下的無涂層和涂層鋼筋進行SEM形貌和XRD衍射的微觀分析,以做進一步對比.

        圖11為氯鹽下裸露鋼筋的微觀分析.由圖11可知:氯鹽環(huán)境下的裸露鋼筋表面存在SiO2、Fe、C、Fe2O3和Fe3O4,其中的Fe、C均來源于鋼筋;鋼筋受到腐蝕后,腐蝕產(chǎn)物主要是Fe2O3和Fe3O4.Fe2O3和Fe3O4的生成條件與氧氣的濃度有關(guān)[11].由圖11a知,腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)顆粒狀,腐蝕產(chǎn)物附著層疏松,抵抗腐蝕介質(zhì)的能力有限,無法起到很好的保護,所以氯鹽環(huán)境下的裸露鋼筋在90~630 d時均處于嚴重腐蝕.

        圖11 氯鹽下裸露鋼筋微觀分析

        氯鹽溶液中,裸露鋼筋反應(yīng)如下:陽極發(fā)生反應(yīng)生成FeCl2·4H2O,然后發(fā)生脫水反應(yīng)生成Fe(OH)2,即

        Fe2++2Cl-+4H2O→FeCl2·4H2O,

        (3)

        FeCl2·4H2O→Fe(OH)2+2Cl-+2H2O;

        (4)

        陰極反應(yīng)為

        2H2O+O2+4e-→4OH-,

        (5)

        Fe→Fe2++2e-.

        (6)

        Fe2+與OH-結(jié)合,生成Fe(OH)2.Fe(OH)2進一步脫水形成氧化物,最后反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4.

        圖12為干燥環(huán)境中涂層鋼筋微觀分析.由圖12b可知,氯鹽環(huán)境下裸露鋼筋表面的Fe來源于鋼筋,未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物.由圖12a可知,鋼筋表面較為致密,腐蝕產(chǎn)物呈現(xiàn)塊狀,起到很好的覆蓋隔絕作用.可見,在氯鹽條件下,DKL涂層對鋼筋起到了很好的保護作用.

        圖12 干燥環(huán)境中涂層鋼筋微觀分析

        氯鹽溶液中,裸露鋼筋陽極上Fe2+首先與Cl-結(jié)合,在H2O的參與下,生成FeCl2·4H2O.FeCl2·4H2O,進一步脫水生成Fe(OH)2.陰極處不斷水解出的OH-與Fe2+結(jié)合.

        氯鹽溶液中的涂層反應(yīng)如下:陽極反應(yīng)為

        Zn→Zn2++2e-;

        (7)

        陰極反應(yīng)為

        O2+2H2O+4e-→4OH-;

        (8)

        腐蝕產(chǎn)物反應(yīng)為

        Zn+O2+H2O→Zn(OH)2→ZnO+H2O.

        (9)

        之后,ZnO結(jié)合Cl-和H2O反應(yīng)生成Zn5-(OH)8Cl2·H2O.

        涂層中Al參與的反應(yīng)過程原理與Zn類似,腐蝕產(chǎn)物Al2O3生成后,繼續(xù)反應(yīng)形成溶膠結(jié)構(gòu).

        4 結(jié) 論

        1)自然干燥環(huán)境下,通過比較2種保護層厚度鋼筋的極化曲線和腐蝕電流密度試驗,發(fā)現(xiàn)25和50 mm混凝土保護層厚度的鎂水泥構(gòu)件腐蝕進程大致相同,只是50 mm混凝土保護層厚度的鋼筋更易受到腐蝕,且2種保護層厚度的鋼筋在90~630 d均發(fā)生嚴重腐蝕.

        2)在自然干燥和氯鹽2種環(huán)境下,25 mm混凝土保護層厚度鋼筋的涂層對鋼筋保護作用明顯.在DKL涂層保護下,氯鹽溶液中鋼筋270 d時腐蝕電流密度為9.550 5×10-8A·cm-2,達到未腐蝕狀態(tài).90~630 d時鋼筋處于低腐蝕和未腐蝕狀態(tài)之間.

        3)630 d時,在氯鹽環(huán)境下,通過SEM形貌和XRD衍射微觀分析可知:裸露鋼筋產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物較多,但是銹蝕產(chǎn)物不致密;25 mm混凝土保護層厚度鋼筋表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物.

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