模拟水泥砂浆孔溶液中球墨铸铁的钝化及脱钝行为研究

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长期服役于输水条件的内衬水泥砂浆球墨铸铁管,由于水中与水泥砂浆孔溶液中的钙离子浓度存在梯度差,孔溶液中的氢氧化钙及CSH发生溶解,孔隙液pH值降低,保护层孔隙率增加,氯离子侵入速率加快,进而导致球墨铸铁表面水泥砂浆孔溶液的pH降低,氯离子浓度升高。当孔溶液中氯离子浓度升高至一定值时,球墨铸铁表面钝化膜脱钝并开始发生锈蚀,造成内衬水泥砂浆球墨铸铁管的耐久性和服役寿命降低。本文分别采用了电化学测试方法和微观分析技术,研究了球墨铸铁在不同pH模拟水泥砂浆孔溶液中的脱钝过程,探索了不同掺量矿渣-水泥复合浆体孔溶液中球墨铸铁的钝化行为,分析了两种缓蚀剂单一及复合作用下球墨铸铁的抗腐蚀性能,主要内容及结果如下:(1)采用模拟水泥砂浆孔溶液,运用电化学测试方法,分析了球墨铸铁电极的电化学阻抗谱、Tafel极化曲线以及其他电化学参数随模拟孔溶液pH值和Cl-浓度变化的规律,获得了球墨铸铁脱钝过程中电化学状态的变化规律;采用X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM),分析不同氯离子浓度模拟溶液中球墨铸铁表面钝化膜的化学组成和微观形貌;结合电化学和微观分析结果,建立了与孔溶液pH值相关球墨铸铁脱钝氯离子阈值方程。结果表明,球墨铸铁脱钝的氯离子阈值随溶液pH的增加而增加,且两者呈指数关系;FeO、Fe2O3和FeOOH是球墨铸铁表面氧化层的主要成分,当溶液中氯离子浓度超过阈值时,球墨铸铁表面的Fe2+/Fe3+将大幅减小。(2)制备不同掺量矿渣-水泥复合浆体及其粉末样品,通过固液萃取法,获得了矿渣-水泥复合浆体孔溶液相一致的模拟溶液,通过电化学阻抗谱和Tafel极化曲线等测试,分析了球墨铸铁在不同掺量矿渣-水泥复合浆体孔溶液中钝化膜的形成过程;利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线衍射(XRD)分析,研究了模拟孔溶液中球墨铸铁表面微观形貌及化学元素组成随矿渣掺量和浸泡时间的变化规律。结果表明,随着矿渣掺量的增加,球墨铸铁完全钝化所需的时间增加,但矿渣掺量对球墨铸铁表面钝化后的状态影响很小。(3)通过在含氯离子的模拟孔溶液中掺加D-葡萄糖酸钠和乙二胺四甲叉磷酸五钠(EDTMP.Na5)等缓蚀剂,开展了氯盐环境下球墨铸铁缓蚀剂的阻锈效果实验研究;采用Tafel极化法和外推法,分析了含两种不同浓度缓蚀剂和0.6mol/L氯化钠的模拟孔溶液中球墨铸铁的腐蚀过程,并通过微观测试,分析了掺加缓蚀剂后球墨铸铁表面形貌及化学成分的变化特点,揭示了两种缓蚀剂对球墨铸铁的缓蚀机理。结果表明,缓蚀剂的缓蚀效果随其浓度的增加而提高,且EDTMP.Na5缓蚀效果优于D-葡萄糖酸钠,两种缓蚀剂的复合作用效果比它们的单一作用效果更好。
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