粉煤灰基地质聚合物混凝土中钢筋在NaCl溶液中的长期腐蚀试验

摘要

本研究旨在通过试验研究粉煤灰对混凝土养护过程中电化学过程的影响。采用恒电位器对钢筋进行分析，测量钢筋的剩余电位、极化图和腐蚀速率。水灰比和粉煤灰掺量不同。样品在65℃固化24小时后，在3.5% NaCl溶液中浸泡365天进行电化学测量。半电池电位和腐蚀电流密度的测量表明，粉煤灰对混凝土的腐蚀行为有显著影响。虽然粉煤灰对阳极电流有钝化作用，但会增加腐蚀速率。与不加粉煤灰的混凝土相比，该混凝土的腐蚀电位降低。结果表明，70%普通硅酸盐水泥和30%粉煤灰混合料的抗腐蚀性能最好。

1.介绍

在侵略性环境中，钢筋混凝土结构的早期退化是由钢腐蚀引起的。在混凝土中，由于混凝土的碱性对钢的表面起到保护作用，钢是被动的。然而，碳、氯和酸条件的影响会破坏钝化膜，使钢筋暴露在活性环境中受到腐蚀。通过改善混凝土的质量来防止钢筋的腐蚀已经进行了一些努力。近年来，聚合物在混凝土质量改善方面的应用引起了人们的广泛关注。混凝土与聚合物的结合，即所谓的地质聚合物，具有抗拉强度好、重量轻、耐腐蚀性高、耐久性好等优点。

因此，近年来，地聚合物混凝土已成为一种潜在的替代传统硅酸盐水泥混凝土(OPC)在基础设施建设中的应用。相比之下，对于OPC，大多数地聚合物系统依赖最少加工的天然材料来提供粘结剂。地聚合物是以碱活化无机粘合剂的化学为基础的。这种化学反应也涉及到古董粘合剂[1]在当代被珀顿偶然发现[2］．在20世纪50年代，地聚合物已经被用作水泥的替代粘合剂[3.]. 这些粘合剂是用碱和矿渣制成的，叫做地质聚合物。20世纪50年代，热活化高岭土（偏高岭土）在碱性溶液中发生羟基化和缩聚反应，开发出一种粘合剂[4］．通过对地聚合物混凝土的强度进行改性，可以获得较好的性能。然而，研究人员仍在寻找最佳的地质聚合物组成，以提供最好的保护钢筋和降低腐蚀速率，这可以增加混凝土的初始退化时间的进展。

一些研究人员如Perná和Hanzlíček [52014年，研究固体产品，可作为建筑材料，具有良好的保温材料。拉施德[6[2015]和McLellan等人(2011)[7，8利用粉煤灰与水泥的组合来改善地聚合物混凝土的力学性能。他们的结论是，地聚合物混凝土是一种有前景的材料，可以作为替代OPC作用的替代结构材料。经过进一步研究，他们发现粉煤灰中有助于改善压应力的主要化学物质是钙化合物(CaO和Ca(OH))₂）.在试验中，3% CaO和3% Ca(OH)条件下，地聚合物混凝土的压应力可达29.2 MPa。₂补充。

对地质聚合物的大多数研究表明了化学和粘合剂系统的基本方面与混凝土强度的关系，但混凝土在防止钢筋腐蚀方面的作用尚未完全了解。因此，为了提高混凝土的耐腐蚀性，将引入环境友好型混凝土，即地质聚合物。在本研究中，在3.5%NaCl浓度下进行了钢筋混凝土腐蚀速率试验和腐蚀极化试验，并对其进行了研究。本研究还描述了地质聚合物混凝土结合粉煤灰保护钢筋免受腐蚀的能力。

2.方法

2．1.混凝土混合料配合比设计

在配合比设计中，粉煤灰与水泥的比例分别为0%、10%、30%、50%(见表A、B、C、D)1，与在[9］．标本在空气中固化7天后从霉菌中取出。混凝土的标准最小抗压强度设定为25 MPa。用703克水稀释297克氢氧化钠颗粒，制得1千克8 M氢氧化钠溶液。使用纯度为99%的氢氧化钠固体和水玻璃溶液(Na₂SiO_3., Na₂O=14.7%，二氧化硅₂= 29.4%，水= 55.9%)作为碱性活化剂[10］．详细的混凝土配合比设计见表1和2．

混凝土试件置于室温阴影处。这些标本被保护起来，不受阳光和雨水的照射。将试样浸泡在含3.5%氯化钠(NaCl)的人工海水中。标本在溶液中浸泡365天。

2.2. 腐蚀速率试验

利用线性极化电阻(LPR)测定钢筋的腐蚀速率。采用恒电位器对普通硅酸盐水泥混凝土、火山灰混凝土和粉煤灰基地质聚合物混凝土试件进行了电化学试验。LPR测量通常用于确定电极的瞬时腐蚀速率。保护层混凝土的IR下降值是显著的，由于混凝土是高电阻介质，在不同的试件之间可能有所不同。为了确定腐蚀电流密度，必须对混凝土的IR降值进行测定和补偿⁻²相对于钢面积。线性极化电阻定义为此曲线的斜率(). 通过实验可以在几毫伏（通常为10伏）内获得 mV）转换为阳极和阴极方向，并记录所需电流。将试样中的钢筋作为工作电极（WE）极化至±20 扫描速率为0.1时，从平衡电位测量mV 根据ASTM G-59-97电极化试验标准，mV/秒。

２.３.实验装置

与恒电位器连接的三个电极分别是工作电极、参比电极和对电极。钢筋被嵌入混凝土中作为工作电极。所使用的饱和甘汞电极是用银浸泡在饱和氯化钾(KCl)溶液中制成的电极。碳棒是对电极。数字1显示用于腐蚀测试的钢筋。图形2显示了实验测试。

3.结果与讨论

3.1. 固化时间对腐蚀电位的影响

计算结果如表所示1．如表所示，腐蚀速率范围为0.01 ~ 0.03μ米/年。所有类型的混凝土的样本结果汇总在表中3.．该表格显示了腐蚀电位、腐蚀电流和腐蚀速率。为腐蚀电位()， E样品的正确率最高，为0.670 V, A样品的负确率最高，为0.539 V。对于腐蚀电流结果，混凝土A的腐蚀电流最大，为1.2512μ一个/厘米²而具体的E为最小值。腐蚀速率最低的是混凝土D，为0.0126μ米/年。

火山灰混凝土(样品B、C和D)含有不同比例的水泥和粉煤灰，与普通硅酸盐水泥混凝土和地质聚合物混凝土相比，具有较低的腐蚀速率。在粉煤灰的作用下，通过降低对海水或氯化钠溶液的渗透性和对来自外界的碱的扩散率，有助于控制碱-硅反应。火山灰反应是水泥水化后形成的氢氧化钙与辅助胶凝材料中的二氧化硅反应形成水化的硅酸钙，填充孔隙并降低其连通性。

从图3.，腐蚀电位()的值最高，为0.670 V，其次是混凝土D (0.545 V)和混凝土C (0.574 V)。第二个最小值是混凝土B，为0.549，最小是具体的A, 0.539 V。腐蚀电位被定义为系统中总氧化速率与总还原速率在交点处相等的唯一一点。文献[11]他已经提到了当氢还原速率与金属溶解速率相等时发生。因此，得到的腐蚀电位值越高，结果越好。腐蚀电位和腐蚀速率随时间的下降与阳极反应的时间依赖性相一致。

３．２．钢筋对扫描极化的影响

数字4显示了10周后不同混凝土混合物的极化曲线图。根据该图，混凝土样品E、D、C、B和A的腐蚀电位降低。混凝土A完全是OPC混凝土。混凝土样品B、C和D与OPC水泥和粉煤灰混合。混凝土E是一种地质聚合物，其中粉煤灰与碱性溶液NaOH混合。混凝土B的绝对电流值最小，混凝土E的绝对电流值最高。

所有混凝土样品A、B、C、D和E均显示在圆圈中形成了稳定的钝化膜。在金属表面形成钝化氧化膜是腐蚀防护的一个重要方面[12］．金属离子通过氧化膜的过程非常缓慢，所以当表面完全被氧化膜覆盖时，金属离子离开金属的电流变得非常小。因此，金属可以通过钝化来防止腐蚀。钝化层能够防止底层金属的进一步溶解，从而将腐蚀速率降低到非常低的水平[13]. 这种钝化膜实际上不会阻止腐蚀，但会将腐蚀速率降低到微不足道的水平[14］．

３．３．混凝土对腐蚀速率的影响

基于图5研究表明，混凝土中粉煤灰替代率增加到一定程度只会降低混凝土的腐蚀潜力。从试验结果来看，混凝土C (70% OPC和30%粉煤灰)的腐蚀电位最低。对于混凝土D (50% OPC和50%粉煤灰)，腐蚀电位低于混凝土c。混凝土E(地质聚合物混凝土)虽然含有大量粉煤灰，但腐蚀电位负性最高。其原因可能是飞灰中含有大量的金属氧化物。如果有太多的金属氧化物污染，电导率会高。由于存在电位差，高电导率允许钢筋中的金属离子转移到混凝土中。粉煤灰的替代提高了混凝土的耐腐蚀性能。粉煤灰替代率的增加降低了钢筋的腐蚀电位。由于粉煤灰比水泥颗粒粒径小，所以粉煤灰颗粒比水泥颗粒填充更多的混凝土孔隙结构[14］．因此，混凝土的孔隙率会降低，氯离子不易穿透混凝土。

4.结论

结果表明，70%普通硅酸盐水泥(OPC)和30%粉煤灰掺量的混凝土配合比钢筋的耐腐蚀性能最佳。它的腐蚀速率最低。扫描极化结果表明，地聚合物的腐蚀电位提高到50 mV。粉煤灰与地聚合物复合后，混凝土腐蚀电位降低。在地聚合物混凝土中也发现了钢表面钝化膜的形成。当矿物聚合物混凝土中掺入的粉煤灰浓度越高，钢筋表面钝化膜的形成趋势越大。地聚合物混凝土对钢的阳极极化有积极的影响。然而，由于粉煤灰的低电阻率，导致钢的腐蚀速率增加。该混合物的腐蚀速率最低，为6.248 × 10⁻³mm/年浸泡试验第60天。地聚合物混凝土腐蚀速率为71.312 × 10⁻³毫米/年。地聚合物混凝土的腐蚀电位为−0.905 mV。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

致谢

作者感谢马来西亚彭亨大学为这项研究提供资助和设施。

参考文献

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