SiO2基电动纳米粒子超疏水膜制备及对钢筋混凝土耐蚀性研究

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钢筋混凝土结构在工程建设领域起到了至关重大的作用,然而,由于结构本身的多孔性,导致氯离子进入其内部引起钢筋锈蚀,进而威胁其耐久性。改善混凝土的多孔结构,切断氯离子传输通道,以及在新浇筑的钢筋混凝土的钢筋表面构建一层稳定的耐腐蚀膜,避免氯离子接触并引起钢筋锈蚀,有望提升钢筋混凝土对氯离子等的耐腐蚀性。本论文制备荷正电的SiO2基电动纳米粒子,在钢筋表面构建超疏水膜,并在电场驱动下进入混凝土的孔结构,研究其对钢筋混凝土结构抗腐蚀性能的影响。具体包括以下三个方面:(1)以硅溶胶、聚合氯化铝和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)为原料,采用搅拌、离心、多次超滤等方法制得粒径较小、分布均匀且稳定、荷正电的SiO2基复合电动纳米溶胶。当Al2O3/SiO2质量比为1:3、pH在3-5之间、电导率在2-4μS·cm-1时,制得的复合溶胶表现为正的Zeta电位且具有最好的稳定性,胶粒粒径较小且分布均匀,即实现了Al2O3@KH560@SiO2电动纳米溶胶的可控制备。(2)选用Al2O3/SiO2质量比为1:3的Al2O3@KH560@SiO2,通过电沉积技术在金属表面构建粗糙的微纳米结构,低表面能、经济环保的硬脂酸修饰,制得超疏水膜。考察了沉积时间对涂层润湿性的影响,并研究了超疏水涂层试样在3.5 wt.%NaCl中的防腐蚀性能。结果表明,电沉积3 min的样品表现出最好的超疏水性,接触角达153.8°;超疏水试样的极化电阻(Rp)提高了11倍以上;未处理样品的腐蚀电流密度(Icorr)是超疏水样品3倍左右,腐蚀120 d,两者的比值变为5,即超疏水膜对金属基体具有长期的保护作用。超疏水膜腐蚀120 d后,接触角降至126°,失去了超疏水性但仍保持疏水状态。(3)通过直流电场的驱动,电迁移Al2O3@KH560@SiO2电动纳米粒子对钢筋混凝土结构进行优化,研究了其对钢筋混凝土结构耐蚀性的影响与机理。通过14 d的电迁移,在混凝土内部5-10 mm深处可见球形纳米颗粒,混凝土的孔隙率从26.2%降至9.9%,最可几孔径值从96.3 nm降至40.3 nm。经9个月干湿循环,电动纳米粒子处理样品表现出更正的腐蚀电位、更低的Icorr和更大的Rp。腐蚀后,未处理样品钢筋表面可见明显的黄褐色腐蚀产物,腐蚀率较高;电动纳米粒子处理样品钢筋表面较为光滑,处理7 d样品钢筋表面可见少量点蚀黄斑,钢筋基本未遭到腐蚀。电迁移Al2O3@KH560@SiO2减缓了氯离子的传输速率,大大降低了其在混凝土中的含量,成功缓蚀了混凝土中钢筋。电沉积Al2O3@KH560@SiO2在钢筋表面制备超疏水膜,同时电场驱动Al2O3@KH560@SiO2填充了混凝土微纳米尺度的孔结构,阻碍了氯离子的传输,有效地抑制了氯离子对钢筋的侵蚀。这种对钢筋混凝土结构的双重保护作用对于土木工程材料长期安全服役具有重要的应用价值。
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