再碱化后碳化混凝土电化学研究.pdf

第 1 4卷 第 1期 2 0 1 1年 2月 建筑材料学报 J OURNAI OF BUI I DI NG MATERI AL S Vo 1 1 4 ， No 1 Fe b 2 01 1 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 1 1 9 - 0 5 王 再碱化后碳化混凝 土电化学研究 昆 ， 屈文俊 ， 温华 杰 ， 张 羽 ， 张俊喜 ( 1 同济大学 土木工程学院，上海 2 0 0 0 9 2 ；2 上海电力学院 国家 电力公司热力设备腐蚀与防 护 重点 实验 室 ， 上 海 2 0 0 0 9 0 ) 摘 要 ：以 电化 学交 流 阻抗谱 和 再碱 化模 拟试 验研 究 了再碱 化 对碳化 混凝 土 中具 有氧 化 层钢 筋 的作 用 ； 采 用扫描 电镜 ( S E M) 结合 能谱 分 析 ( E D S ) 对再 碱 化 后 具 有 氧化 层 钢 筋 的表 面 进 行 了分析 结 果表 明： 再碱化过程中， 钢筋电极表面的电化学反应与钢筋表 面的状态密切相关； 当钢 筋电极表 面 存在氧化物时， 再碱化使该氧化物的价态逐渐降低 ， 并在钢筋电极表面形成单质铁 ， 导致钢筋表 面 不 易形成 致 密钝化 膜 关键 词 ：电化 学交 流 阻抗谱 ；再碱 化 ； 碳 化 混凝 土 ；钢筋 中图分类 号 ： T U5 2 8 5 7 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n ， 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 O 1 。 0 2 4 El e c t r o c he mi c a l S t u d y o n Ca r b o na t e d Re i nf o r c e d Co n c r e t e a f t e r El e c t r o c h e m i c a l Re a l k a l i s a t i 0 n Tr e a t m e n t WANG Ku n ， Qu We n - j u n ， WEN Hu a - j i e ， ZHANG Y u ， ZHANG J u n xi ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a ； 2 Ke y La bo r a t o r y o f St a t e Powe r Co r p or a t i on of Chi na，Sha n gha i Un i v e r s i t y o f El e c t r i c Powe r，Sha n gha i 2 00 09 0，Chi na ) Ab s t r a c t ：The c or r os i o n i nh i bi t i ng b e ha v i o r of r us t r e ba r i n c a r b o na t e d c o nc r e t e a f t e r e l e c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i s a t i o n t r e a t me n t ( ERT)wa s s t u d i e d b y e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( E I S)me t h o d a n d t h e r e al ka l i s a t i o n s i mul a t e d t e s t Th e s ur f a c e of r u s t r e ba r a f t e r ERT wa s a na l y z e d b y s c a nni ng e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( S EM)c o u p l e d wi t h e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( E DS ) Th e e l e c t r o c h e mi c a l r e a c t i o n s o n t h e r e b a r i n t he c a r bo n a t e d c o nc r e t e du r i ng r e a l ka l i s a t i o n t r e a t m e nt we r e i nv e s t i ga t e d b y us i ng s i mul a t e d t e s t a n d e l e c t r o c he mi c a l me a s u r e me nt The r e s u l t s s ho w t ha t t he e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i on o n t h e r e ba r i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e s i t ua t i o n on r e ba r s u r f a c e The Fe ox i d e s o n r e b a r s ur f a c e a r e p a r t l y c ha nge d t o i r o n du r i ng ERT a nd t he s ur f a c e s t r uc t ur e o f r e ba r i S c o mpl e x：t he p a s s i v e f i l m f o r me d i S no t c o m p a c t a f t e r ERT Ke y wo r d s ：e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( EI S ) ；r e a l k a l i s a t i o n；c a r b o n a t e d c o n c r e t e ；r e b a r 由大气环境 中 C O。引起 的混凝 土中性化过程 称为混 凝 土碳 化 一般 而言 ， 碳化 对混 凝土 力 学性 能 及构 件受 力性 能 的负 面 影 响不 大 ， 其 最大 危 害是 引 起钢 筋锈 蚀 当碳 化 到 钢筋 表 面 处 p H 值 小 于 1 1 5 时 ， 钢筋钝化失去保证 ； p H值下 降到 9 0 9 5时 ， 钢筋 表 面 的保 护膜 被破 坏 ， 钢筋 开始 锈蚀 碳 化是 一 般大气环境下混凝土钢筋脱钝 的前提条件 ， 会影 响 混 凝 土结构 的耐 久 性l 1 为 了延 长 在役 碳 化 混 凝 土 结构的使用寿命 ， 恢复钢筋周围的碱环境至关重要 电化学 再碱 化 ( 简称再 碱 化) 是 一种 针对碳 化 混凝 土 的 电化 学 维护方 法 ， 它 以混凝 土 中钢筋 作 阴极 ， 以 金属 网作 阳极 ， 在混 凝土 表 面喷洒 电解 质溶 液 ， 在金 属 网和钢筋 之 间施加 一定 的电场 ， 由 于电场 的 作用 ， 钢筋表面发生电化学反应产生氢氧根离子 ， 同时， 电 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 1 1 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 0 3 0 4 基金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 0 7 7 1 6 0 2 ， 5 0 6 7 8 1 2 7 ) ； 国家科 技支撑计划 ( 十一五) 项 目( 2 0 0 6 B A J 0 3 A0 7 0 4 ) ； 国家 重点基础研 究 发展计划( 9 7 3计划) 项 目( 2 () () 9 c B6 2 3 2 O 4 ) 第 一作者 ： 王 昆( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 河南辉县人 ， 同济大学博士生 E ma i l ： 0 1 4 0 1 0 2 1 2 5 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王 昆 ， 等 ： 再 碱化后碳化混凝土 电化学研究 1 2 1 1 2 2 1 mV) 在 还原 反 应 过 程 中 ， 首 先 是 +3价 铁 还原形成 F e 。 O ， 然后+2价铁还原 为单质铁 ， 使 电 极表面的铁氧化物价态逐渐降低 ， 并最终与析氢反 应一 起完 成 还原过 程 l- 4 从 图 3 ( b ) 可 以看 出 ， 再 碱 化后 电极表面的铁氧化物组成发生 了变化 ， 主要 以 + 2 价 铁 氧化物 为 主 E m V ( a ) Ru s t f r e e r e b a r a s e l e c t r o d e E m V ( b ) R u s t r e b a r a f t e r E R T a s e l e c t r o d e 图 3 钢筋 电极在 1 mo l L N a C O。 溶液中的循 环伏 安曲线 Fi g 3 Cy c l e v o l t a mme t r i c c u r v e o f r e b a r i n 1 mo l L Na 2 C O3 s o 1 u t i o n( e l e c t r o d e p o t e n t i a l V S S CE) 图 4为表 面有 氧 化层 钢筋 电极再 碱 化前后 以及 表 面无 氧化层 钢 筋 电 极 的极 化 曲线 从 图 4可 以看 出， 表面无氧化层钢筋 的腐蚀电流密度最小 ， 而表面 1 0 o 图 4 再碱化前后钢筋 电极和表面无氧化层钢筋电极 的极 化 曲线 Fi g 4 Pol a r i z a t i o n c u r v e o f r e ba r a t di f f e r e nt s t a t us 有氧 化层 钢筋 电极 再碱 化后 的腐蚀 电流密度 反 而最 大 这是因为再碱化后 的钢筋表面 由于 阴极还原形 成金属而具有较高的活性， 因而腐蚀电流较大 2 2再碱 化后 的 阻抗谱 图 5为碳 化混 凝 土 和再 碱 化 混 凝 土 的 Ny q u i s t 图 由 图 5可 见 ， 在 碳 化 混 凝 土 的 阻抗 谱 测 试 过 程 中 ， 由于采 用 的频率 为 0 0 5 1 0 Hz ， 所 以在 阻抗谱 图 中没有 出现 混凝 土介 电性 响应 可 见 ， 高频 ( 1 0 1 0 Hz ) 所对应 的实轴值应是 混凝土 电阻 ( R ) 和孔 隙液电阻( 尺。 ) 的总和 在混凝土碳化过程中和碳化 后， 由于钢筋表面的钝化膜被破坏 ， 因此在阻抗谱中 频 段 ( 1 O 1 0 Hz ) 有 一 个 被 压 扁 的容 抗 弧 又 由 于 钢筋表 面存 在锈 蚀 产物 ， 所 以在低频 段 ( 1 O Hz ) 有 一 个 电容 性 质 的时 间常 数 ， 并 采 用 混 联 电路 C P E R 表示 70 0 0 60 0 0 5oo 0 g 4 0 o 0 3 0 0 0 20 0 0 1 O0 o 0 7 0 0 0 1 40 0 0 21 0 0 0 z r I 。 c m2 ) 图 5 碳化钢筋混凝土和再碱化钢筋混凝 土的 N y q u i s t 图 Fi g 5 Ny qu i s t d i a gr a m s o f r e b a r i n c a r b o na t e d c o nc r e t e a n d r e a l k a l i s a t e d c o n c r e t e 碳化混凝土和再碱化后混凝土阻抗谱的等效电 路如图 6所 示 ， 其 中： R 为钢 筋表 面钝 化膜 电阻 ； C P E 为常相角元件 ， 是一种与频率呈指数关系的特 殊 电容 ； R 为 腐 蚀 过 程 的 电荷 转 移 电阻 ； C P E为 非 理想状态的双电层电容 ； R 为孔隙溶液中活性离子 在氧化和还原过程中的扩散阻抗 通过对阻抗谱进 行解析 ， 可 得到 等效 电路 中各 有关元 件 的拟合 值 ， 结 果见 表 1 ， 其 中 ： 表示 元件 C P E 的弥 散效应 程 度 ， ， z 表示元件 C P E的弥散效应程度 图 6 碳化混凝土中钢筋等效 电路 Fi g 6 Eq ui v a l e n t c i r c u i t o f r e b a r i n c a r b on a t e d c on c r e t e 从表 1可以看出， 混凝土再碱化后其 R。 +R 减 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王 昆 ， 等 ： 再 碱化后碳化混凝土 电化学研究 1 2 3 ( 上 接 第 1 1 8页 ) E 5 3 S E L C UK T， VOL KAN A Th e e f f e c t o f e x c e s s i v e s t e a m c u r i n g 6 o n P o r t l a n d c o mp o s i t e c e me n t c o n c r e t e J Ce me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 5， 3 5 ( 2 )： 4 0 5 41 1 刘宝举 ， 谢友均 蒸养超细粉煤灰 混凝 土的强度 与耐久性 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 2 3 1 2 8 I I U B a o j u ， X I E Yo u j u n C o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y o f s t e a m c u r e d c o nc r e t e c o n t a i n i n g u l t r a f i n e f l y a s h c o mp o s i t e J J o u r n a l o f B u il d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 2 3 1 2 8 ( i n ( h i ne s e ) E 7 蔡安兰 ， 李顺凯 ， 严 生， 等 养护 温度 对高掺量 粉煤 灰硅酸盐水 泥砂浆 干 缩 性 能 的 影 响 J _ 硅 酸 盐 学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 3( 1 ) ： 1 O 0 1 O 4 CAI An l a n， I I S h u n ka i ， YAN Sh e n g， e t a 1 I n f l u e nc e o f c u r i n g t e rn p e r a t u r e s o n d r y i n g s hr i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c s o f P o r t l a n d c e me n t mo r t a r wi t h h i g h d o p i n g o f f l y a s h J J o u r n a l o f C h i n e s e Ce r a mi c So c i e t y， 2 0 0 5， 3 3 ( 1 )： 1 0 0 1 0 4 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m