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阻锈剂性能评价方法

2018-03-02 10:18:48
作者:李伟华
来源:中山大学

电化学方法比较适合于阻锈剂阻锈机理研究,主要通过测试在混凝土或模拟液中电极表面的反馈信号,获得各种界面信息如腐蚀电位、交流阻抗谱、动电位极化曲线等,然后通过拟计算对阻锈效果做出评价并分析阻锈剂的成膜过程及阻锈机理。主要包括半电池电位法、交流阻抗谱法、Tafel极化曲线法和电化学噪声法。

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    阻锈剂的性能评价方法不仅关系到阻锈剂的研发,更关系到阻锈剂未来的推广和应用,因此研究阻锈剂性能评价方法也十分重要。阻锈剂性能评价方法主要包括电化学法、表面分析及其他评价方法。


    电化学方法


    电化学方法比较适合于阻锈剂阻锈机理研究,主要通过测试在混凝土或模拟液中电极表面的反馈信号,获得各种界面信息如腐蚀电位、交流阻抗谱、动电位极化曲线等,然后通过拟计算对阻锈效果做出评价并分析阻锈剂的成膜过程及阻锈机理。主要包括半电池电位法、交流阻抗谱法、Tafel极化曲线法和电化学噪声法。


    1. 半电池电位法


    半电池电位法是通过测量钢筋表面的电势电位来定性的表征钢筋的锈蚀情况,钢筋表面某点的电位以相对于较稳定的参比电极电位比较来确定。电化学腐蚀阴极区由于钝化膜存在电位变化不大,半电池电位主要取决于阳极区的状态,电位越正,则阳极区钝化膜越完整;测量电位越负,则阳极区活化钝化膜可能出现点蚀。


    通过判别钢筋腐蚀发生的概率对阻锈效果做出评价,概率判别标准如表1所示:


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    该方法在工程领域应用中比较简单、经济且理论研究较早,是一项比较成熟的检测技术。但是通过评判标准仅仅定性的判断钢筋的腐蚀状态,无法直接表征钢筋的腐蚀速率及阻锈效果,对阻锈剂的作用过程和机理研究意义不大。


    2. 交流阻抗谱(EIS)


    交流阻抗谱法是通过给电化学体系施加一个小振幅的交流扰动电位或电流,测得扰动信号与响应信号的比值随频率ω或者相位角Φ随ω的变化,可通过参数设定得到较宽频率区域的阻抗谱。既可以避免因扰动信号振幅过大对电极界面造成不良影响,又可以获得较多的电极表面动力学和界面结构信息,更加准确的测定阻锈剂的成膜信息。


    交流阻抗谱高频区容抗弧反映阻锈剂吸附成膜性能通常与双电层电容、介电性能及电荷转移电阻相对应,低频区感抗弧反映界面信息通常由阻锈剂分子在电极表面吸附—脱附过程产生。通过与空白组对照得出电荷转移电阻、膜层电阻和双电层电容等相关参数,分析阻锈剂的成膜机理计算阻锈效果。


    3. 动电位极化曲线


    动电位极化曲线法又称为Tafel曲线外推法其测试原理是给电化学系统中的电极施加较大幅度的电位,利用动电位扫描测定极化曲线。可以分为强极化区和钝化区,在强极化区极化电位与腐蚀电流密度的对数呈线性关系,斜率即为Tafel常数。


    将线性区域外推可得到腐蚀电位Ecorr及腐蚀电流密度icorr,腐蚀电位及腐蚀电流密度是金属腐蚀速率的直观反映,通过计算添加阻锈剂前后电极的腐蚀电流密度可得出相应的阻锈效率,因此利用极化曲线法对研究阻锈剂的阻锈效果及性能具有重要意义。


    4. 电化学噪声法


    电化学噪声法能够灵敏、准确和真实地对金属表面状态变化情况进行检测,作用原理类似于极化曲线法,通过收集电极表面的电位或电流随时间发生的非平衡波动信号得出电化学噪声谱图。


    电化学噪声法可有效分析孔蚀诱导期和发展期的膜层变化,结合交流阻抗谱图分析阻锈剂膜层的形成与破坏过程,可有效分析阻锈剂性能及作用机理。


    表面分析及其他评价方法


    表面分析主要包括XPS能谱法、AFM原子力显微镜、SIMS二次离子质谱等。


    1. XPS能谱法


    XPS能谱法一方面能说明某些元素与铁的结合形态,另一方面可以分析征钢筋表面成膜前后各元素含量的变化,同时可以运用结合能的差异分析排氯机理,是目前表面化学分析最有力的方法。


    2. AFM原子力显微镜


    AFM原力显微镜是通过测定原子间的相互作用力分析钢筋表面状态的的新技术,原子间相互作用力与原子间距离密切相关,因此可分析金属表面钝化膜与基体的结合能力以及钝化膜薄弱处的状态。


    3. SIMS二次离子质谱


    SIMS二次离子质谱法可检测阻锈剂在电化学腐蚀阴极和阳极的覆盖成膜信息。


    4. 其他评价方法


    其他评价方法主要是针对某一类阻锈剂特定性能表征的方法,如MCI型阻锈剂迁移性能表征方法主要有放射性同位素示踪法、氨气敏电极法和XPS能谱分析法等。


    放射性同位素示踪法是用放射性同位素氚取代迁移型阻锈剂中的氢,涂覆在混凝土表面一段时间后测定混凝土萃取物β射线放射值分析阻锈剂迁移量。


    氨气敏电极法是用混凝土试样将迁移型阻锈剂溶液和空白组溶液隔开一定时间,用胺敏电极测量扩散后空白组氨的浓度对迁移性能表征。


    XPS能谱法是涂覆迁移型阻锈剂后在混凝土指定深度取出粉末经过压片,测定其中的N/Si摩尔比的变化确定阻锈剂在混凝土的迁移深度。


    JGJ/T 152-2008《混凝土中钢筋检测技术规范》、GB 8076-1997《混凝土外加剂》、YB/T 537-2004《钢筋混凝土阻锈剂》、JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》等同样规定了阻锈剂的性能评价标准。主要测试方法有:失重法、硬化砂浆法、干湿循环法、盐水浸渍法、混凝土碳化实验、RCM非稳态氯离子快速迁移实验、压汞实验等。


    综上所述,钢筋阻锈剂性能评价方法和先进的技术设备不仅对阻锈剂分子合成设计与作用机理研究提供了有力的支撑,而且为阻锈剂的推广应用提供了可靠的保障,综合运用多种技术方法并结合长期实践验证客观地对阻锈性能做出科学合理的评价对阻锈剂的研发推广具有极其重要的意义。


    结束语


    面对严酷的海洋腐蚀环境以及道路桥梁除冰盐的广泛使用,钢筋腐蚀破坏的情况日益严重,钢筋阻锈剂的用量将越来越大,因此对钢筋阻锈剂的研发具有非常广阔的前景。根据研究理论基础通过分子组分设计合成环保、高效、低成本的复合型阻锈剂是目前钢筋混凝土结构腐蚀与防护领域的研究热点,对提高我国钢筋混凝土结构耐久性具有十分重要意义。

 

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责任编辑:王元


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标签: 阻锈剂, 电化学, 阻锈机理

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