氯化物对模拟钢筋混合水泥砂浆腐蚀的影响

摘要

胶凝材料在受到腐蚀性氯化物介质时容易降解。本文报道了一种潜在胶凝材料PCDC的腐蚀试验结果，该材料由55%普通硅酸盐水泥(OPC)、干燥电石渣(DCCR)和稻壳(RH)、废海滩土(SBE)和地面废砖(BB)的混合料制成。实验采用100% OPC进行。使用不同的w/c。腐蚀电流密度使用线性极化电阻(LPR)和腐蚀电位测量饱和甘汞电极分别用于测定模拟钢筋在水泥砂浆中不同覆盖深度的腐蚀速率和腐蚀电位。结果表明，PCDC在所有深度的覆盖层上都表现出更高的腐蚀电流密度，并且比对照水泥更早地实现了活性腐蚀。总之，PCDC和OPC可以在施工过程中用于类似的腐蚀性介质。

1.介绍

混凝土中的钢筋金属通常被一层氧化铁/氢氧化铁和混凝土的高pH值保护[1- - - - - -3.］.保护层是一层氧化铁( -菲₂O_3.)、氧化铁(FeO(OH))和磁铁矿(Fe_3.O₄)防止铁^２＋从进入溶液和氧气扩散到钢表面[4］.人们还发现，这一层富含石灰和C-S-H凝胶[5，6］.混凝土的高电阻率也是有助于钢筋抗腐蚀的另一个方面。这是通过减少钢筋阴极和阳极之间的电流流动而起的作用。

当钢筋混凝土接触氯化物的浓度超过某些临界条件时，就会发生点蚀。这些水平通常用氯来定义^-/哦^-灰浆或混凝土的门槛。人们普遍认为这个数值约为0.6，尽管一些作者观察到了不同的值[1，7］.在曝气氯溶液中，在临界氯^-/哦^-阈值时，氯化物使铁的氧化物保护层溶解，从而使坑内的金属溶解[1，6，8］.这就产生了电荷差，由于过量的正离子，迫使Cl^-离子迅速迁移到坑内，产生金属氯化物。所涉及的反应载于(1) - (3.)．它们表示阳极反应，因为腐蚀是一种电化学反应[9]： 合成的金属氯经过水解，如(4)，从而导致氢离子和氯离子的积聚，从而刺激金属的溶解[10］. 其中n = 2或3取决于铁的氧化态。

由于坑液中氧的溶解有限，在坑附近的金属表面溶解氧的阴极还原维持了坑的生长。阴极部位，即金属表面，与凹坑尺寸相比非常大，这使得凹坑以快速和不断增加的速度增长[11］.

所涉及的阴极反应取决于钢筋的pH值和电势。主要涉及氢的析出和氧的还原[9］.除非在阴极保护或低pH的情况下，以及在钢筋电位比阴极更活跃的情况下，否则不会发生析氢(她)。氯化物引发钢筋的一般腐蚀涉及氧气还原，如下图所示[12]； 由55%普通硅酸盐水泥(OPC)、干燥电石渣(DCCR)、稻壳(RH)、废搁浅土(SBE)和地面废砖(BB)的混合料制成的一种潜在胶凝材料PCDC的力学性能已在以前的研究中报道过。然而，PCDC在腐蚀性介质中的耐久性尚未进行研究。因此，本研究利用试验水泥砂浆研究了在不同覆盖深度的模拟钢筋中PCDC相对于商用OPC的腐蚀速率和电位

2.材料和方法

2．1．材料

10毫米× 80毫米的低碳钢棒，其化学成分见表1（由法国国际检验局消费品服务事业部UK LTD的分析）进行切割和平滑与光滑的文件边缘。该棒打磨与砂纸80-600陆续砂砾。所得到的金属棒用蒸馏水洗涤，用丙酮漂洗，并吹干。它们存储在使用二氧化硅作为干燥剂的干燥器。

表格2显示了本研究中使用的各种材料的组成。

2．2.方法

2.2.1。模拟增强砂浆的制备

砂浆的制备采用3:1砂与粘合剂(100% OPC或PCDC)的比例。在初始阶段，假设准备了0.4、0.5、0.6 w/c的砂浆。然而，有人指出，与上述水/碳比相对应的加水量不能制成一致的膏体。这是因为沙子是用烤箱烘干的。实验室测试表明，烘干的沙子与非烘干的沙子相比，需要相当于沙子重量0.077%的水。在三种水泥中，0.8 w/c比的砂浆是最适宜的混合料。也使用了较低的w/c比0.73，但观察到膏体具有较差的可加工性。还制备了较高的水碳比0.85。考虑烘干砂后的校正w/c比为0.5,0.57和0.62，分别为0.73,0.8和0.85。为了避免混淆，本文使用了后来的w/c比率。

六30毫米100mm的100mm的高密度PVC是机切割。六个10毫米孔是通过将PVC块钻孔。从块中的一个边缘，两个孔在20和两个钻多个在从另一边缘15毫米。的孔在从边缘10毫米的其余边缘钻通。与从边缘，类似于PVC块尺寸和距离的孔，被上为0.5mm乘100mm 100mm的聚乙烯板制成。的PVC块轻轻点焊上油与油转储棉纸。将聚乙烯片置于该PVC块上并在孔或者匹配。的PVC块加上聚乙烯片材被放置在立方体模具的底部。抛光的低碳钢棒仔细，轻轻推入PVC卡孔。两个这样的冰块模具放在振动台上。 Mortar was carefully shovelled into the cubes and compaction done for about 30 seconds. The mortar was levelled using a trowel and vibration continued for about 10 seconds. Final levelling was done. The resultant mortar was cured for 24 hours (in case of 0.73 and 0.8 w/c ratio) and 48 hours (in case of 0.85 w/c ratio) after which they were demoulded.

上制备单独的砂浆立方体后的第二天，6条5毫米热收缩管材毫米镍铬线在从突出钢筋的顶侧约8mm点焊。制备所有立方体的第六天后，钢筋保护器841，从Flexcrete科技有限公司（UK）获得的，施加到带有嵌入钢筋的砂浆。这是通过第一磨擦用砂纸级80中的棒的暴露表面上，然后脱油突出钢筋端部用丙酮浸泡过的布来完成。钢筋保护器通过混合3:1的水泥粉末的体积，以提供聚合物分散体和与所提供的木棒的帮助下一个可刷涂浆料充分混合它。将所得糊状物薄薄地涂布约1mm与在钢筋的暴露端25毫米纯刷毛的刷子。钢筋保护器841的糊状物类似地应用于到砂浆立方体的面与露出的钢筋表面。第一涂层被允许固化上的第一个的顶部上的类似的第二涂层的应用程序之前约45分钟。45分钟后，任何空隙都用钢筋保护贴841刷。砂浆立方体使其固化过夜。砂浆立方体固化在饱和氢氧化钙溶液中的附加的21天。 After the 28th day of curing, 2-metre insulated copper cables were connected to the nichrome wire spot welded to the embedded steel rods with the help of joint clips. The open ends of the clips were sealed with silicon based sealant Dow Corning 732. The insulated copper cables were labelled with a seven code identity as shown in Table3.．所有的立方体都被置于一周的湿-干交替槽中，为期6个月。湿交替的一周涉及砂浆立方体完全浸泡在3.5%的氯化钠溶液。

2.2.2。腐蚀电流密度和电位的测量

腐蚀电位, ，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，用高阻抗伏特计测量。线性极化电阻(LPR)是用恒电位器，分别以SCE和石墨棒作为参考电极和对电极。LPR和电位测量共进行了12个干湿循环，时间为168天。LPR测量是在雨季进行的。

在LPR测量中，电位被手动转移这是因为在这个范围内，仪器不会产生明显的噪声。腐蚀电流读数是在大约45-60秒的稳定后采集的。过电位图，η，与腐蚀电流的关系，其梯度， ，计算。腐蚀电流密度， ，是根据 在哪里为钢筋的比表面积，由(πDh +πr²），在该情况下d，H，和r分别表示直径，高度和钢筋的半径。的高度h，是采取嵌入在砂浆立方体钢筋的长度。52毫伏/十年被视为在所有情况下的塔菲尔常数。

3.结果与讨论

３．１．腐蚀电流密度, ，和腐蚀电位

数据1- - - - - -12为腐蚀电流密度， ，和腐蚀电位,分别的模拟增强水泥砂浆在定义的w/c与养护期。工作电极达到更大的值大于或等于0.1μ一个/厘米²被认为已达到活性腐蚀[13］.同样的，钢筋已经达到比-270毫伏（相对于SCE）更积极被带到已达到活性腐蚀。在图的限制线1- - - - - -12表示高于或低于这些线的限制（和 ，分别)

结果表明，盖板深度是影响钢筋腐蚀的一个重要参数，盖板深度较浅的钢筋比盖板深度较大的钢筋更早发生活性腐蚀。这是因为氯化物扩散和引发点蚀的距离较低。因此，由于较低深度的混凝土覆盖层减少，电阻率较低。

与opc相比，PCDC的钢筋表现出更早的活性腐蚀。众所周知，水泥中含有石灰会增加孔隙度[14，15］.PCDC中以DALS形式添加石灰的比例显著。这可能有助于在养护初期增加水泥砂浆的孔隙率。在0.85 (w/c)水泥达到活性腐蚀后，PCDC的螺纹钢表现得更高比相应的OPC的钢筋。一些工人将取代水泥钢筋的较高腐蚀速率归因于火山灰反应降低了孔隙pH值[16］.在前人的相关研究中，氯离子结合能力及其对OPC及其GGBS、PFA、SF混合水泥腐蚀速率的影响表明，尽管混合水泥的氯离子结合能力较高，OPC孔隙溶液中的氯离子浓度较高，OPC中钢筋的腐蚀速率低于混合水泥[17］.这可以归因于较高的腐蚀率较低的OH^-在混合胶结物孔隙溶液中。孔隙溶液中OH的下降^-火山灰材料的稀释因子(较低的OPC含量)和化学活性都可能影响PCDC水泥，因此其钢筋表现出比OPC更高的腐蚀速率。

例如，当水灰比较低时(0.8)，两种水泥的钢筋腐蚀起始时间都有所延迟，而w/c为0.85。这是由于孔隙率降低，因此氯化物和氧气的扩散。较低的w/c是一个众所周知的因素，可以降低混凝土的渗透性，从而降低侵蚀剂的扩散系数[18］.

观察到水碳比的增加增加了氯化物的渗透。这可以归因于随着水灰比的降低，石灰-水泥基砂浆的孔隙率降低[19］.当石灰添加到PCDC中作为DALS时，由于较低的水灰比，PCDC必须经历了降低孔隙率的效果。这可能导致钢筋腐蚀的起始时间较高的w/c比增加。

增加w/c比也可以增加氧扩散到砂浆立方体中[20.，21］.氧扩散是影响钢筋腐蚀的一个重要因素。这是因为氧气是钢筋腐蚀的主要阴极反应。在较高的氧扩散率下，阴极反应高，阳极(钢筋腐蚀)也高，因此腐蚀速率。溶入孔隙溶液中的氧对于保持钝化性(钢筋上的氧化铁膜)非常重要。这样可以防止钢筋腐蚀。腐蚀的持续性(此处为点蚀型)取决于通过钝化膜上的阴极反应提供足够的氧气[21］.

从腐蚀电流密度来看，覆盖深度为15和20 mm、w/c比为0.73的OPC钢筋没有达到有效腐蚀。拆除立方体后，钢筋的腐蚀电位(相对于SCE)和目视检查表明，10 mm深度的钢筋存在活性腐蚀，15 mm深度的钢筋存在非常轻微的腐蚀。可能由于拆砂浆立方体和最后一次测量钢筋的时间间隔，钢筋在覆盖层15毫米深度处可能出现了明显的腐蚀。

尽管两种砂浆在w/c为0.73时的压实度较差，但PCDC与OPC相比，在覆盖深度10 mm处表现出延迟的活性腐蚀启动。因此，在15和20毫米的覆盖深度，钢筋预计会出现延迟的活性腐蚀，但发生了相反的情况:PCDC的钢筋出现了活性腐蚀，而OPC的钢筋没有。这可能是由于压实不良造成钢筋周围的空隙造成的。因此，这将有效的高氯化物进入钢筋，将足以引发腐蚀，从而观察到的行为。因此，需要对孔隙度和渗透率进行更深入的研究，以便为如此低的水/碳比的PCDC提供同样的信息。

与opc相比，PCDC的钢筋具有更高的腐蚀速率和更早的活性腐蚀。火山灰反应降低了孔隙pH值，即使在低氯离子浓度下，由于形成稳定的铁的氯络合物，铁的溶解度增加^{2 + / 3 +})防腐产品(主要是绿锈)。这些产物很容易氧化和沉淀为β-FeOOH(赤藻石)通过扩散氧气从而释放Cl^-．这就再生了Cl^-这就补充了这个循环，从本质上说，这个循环破坏了被动层的稳定。Cl下降^-/哦^-比例是混合水泥中早期腐蚀起裂现象的一个促成因素[22］.也许这可以归因于它的高替代水平。

4.结论

人们普遍注意到，PCDC的钢筋与相应的OPC的钢筋经历了早期主动腐蚀和更高的腐蚀速率。

数据可用性

本文中使用的数据将根据要求提供。

的利益冲突

作者声明本文不存在利益冲突。

致谢

作者希望感谢肯雅塔大学和曼彻斯特大学对这项工作的协助。这项工作是由肯雅塔大学资助的。

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