矿渣中的还原性硫对钢筋耐腐蚀性能的影响

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磨细粒化水淬高炉矿渣(以下简称矿渣)作为一种混凝土辅助胶凝材料目前已经大规模的应用于钢筋混凝土结构之中。当使用半电池电位法对掺有矿渣的钢筋混凝土中钢筋的腐蚀状态进行检测时,测得的电位低于正常电位值,这表明钢筋大概率已经开始发生腐蚀,然而将结构破开后却发现钢筋没有发生腐蚀。半电池电位法作为一种大规模应用的结构内钢筋腐蚀状态无损检测方法,在对掺有矿渣的结构内部钢筋进行检测时会导致对钢筋腐蚀状态的误判。目前普遍认为是由于矿渣不断水化而带来的还原性硫导致测得的电位降低,然而对于矿渣本身含有的还原性硫随着矿渣水化的释放规律,以及还原性硫导致钢筋电位降低的原因和对钢筋耐腐蚀性能的影响还缺乏深入的研究。因此深入探究这些问题是本课题研究的重点。据此,本课题通过成型不同矿渣掺量的净浆试块,采用压取净浆试块孔隙液测试还原性硫离子浓度的方法研究还原性硫随矿渣水化的释放规律,同时测试矿渣的水化程度,建立水化程度与离子浓度之间的关系。在掺入还原性硫的模拟混凝土孔隙液中研究钢筋的电化学性能和耐腐蚀性能,并通过微观测试手段表征钢筋钝化膜的成分与结构,探究还原性硫对钢筋钝化和耐腐蚀性能的影响。研究揭示的主要规律如下:(1)矿渣中的还原性硫进入净浆孔溶液中以后,95%都以S2-的形式存在,剩下的部分为少量的S2O32-和SO32-。对于碱激发矿渣体系,矿渣的水化主要集中在前28天,孔溶液中的还原性硫也在28天达到最大值,之后缓慢下降,28天以后水化的矿渣几乎只占前28天的六分之一;而对于水泥熟料-矿渣体系,矿渣在前28天水化的速率慢于碱激发矿渣组,在28天到90天水化的矿渣占前90天水化矿渣的三分之一,还原性硫浓度在90天时达到最大值。此外,碱激发组的孔溶液还原性硫的浓度远高于水泥熟料-矿渣组,即使是在矿渣水化程度相同的情况下。密封养护虽然并不影响矿渣的水化程度,但密封养护实验组孔溶液还原性硫浓度比标准养护组高,约为2倍左右。(2)当S2-参与钢筋在碱溶液中的正常钝化过程时,钢筋正常的钝化过程会被干扰,将不会生成正常的铁氧化物,而是会生成铁硫化物,主要成分为Fe S和Fe S2,厚度在5nm~10nm左右,这层膜表面十分粗糙,与钢筋的粘结并不牢固,且耐Cl-侵蚀的能力很低,不能对钢筋进行有效的保护。相反,S2O32-不会干扰钢筋在碱溶液的正常钝化过程,即使S2O32-存在,钢筋的钝化膜成分仍然是正常的铁氧化物。(3)当钢筋在正常的碱溶液中钝化完毕后,此时引入的S2-仍然会侵蚀钢筋表面生成的铁氧化物钝化膜,改变钝化膜的主要成分,降低钢筋的耐Cl-侵蚀能力。相反,当钢筋正常钝化完毕之后,S2O32-不会对钢筋的钝化膜成分和耐腐蚀性能造成任何影响。(4)无论钢筋正常在碱溶液中钝化与否,S2-的引入都会在一瞬间降低钢筋的腐蚀电位,而S2O32-无任何影响,造成这种现象的原因是S2-消耗了溶液中的溶解氧,侵蚀了钢筋表面使得钢筋的腐蚀电流密度增大,从而致使Tafel曲线上阴极极化曲线向下移动,阳极极化曲线向右移动,导致阴阳极极化曲线切线的交点向下移动,因此宏观表现出钢筋的腐蚀电位值降低。
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