阻锈阴离子插层改性水滑石的制备及其在水泥砂浆中的应用

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滨海环境中,钢筋混凝土结构由于氯离子的持续渗透而易发生钝化膜破裂和钢筋锈蚀,造成建筑物耐久性的下降。在诸多提高钢筋混凝土结构耐久性的措施中,添加矿物掺合料和阻锈剂在实际工程中被广泛应用。近年来,由于水滑石具有细料填充和释放层间阻锈阴离子的双重功效,其在改善混凝土耐久性能方面的研究日益增加,但缺乏系统性研究和实际应用。因此,本文将阻锈阴离子插入水滑石(LDH)层间以提高其阻锈效果,详细的探究了阻锈阴离子插层水滑石的合成方法及其在水泥砂浆中的实际应用。本文首先通过测定焙烧水滑石(CLDH)在相应盐溶液中结构重建后滤液的pH值的大小,得出离子亲和力顺序为CrO42->C6H5COO->Cl->NO2->NO3-。通过传统的方法论证了上述方法的合理性和准确性,FTIR、UV可见光谱和XRF测试结果与基于pH值的测试结果一致。钢筋失重率实验结果表明,阻锈阴离子插层水滑石(An-LDH)的添加明显地提高了钢筋的抗腐蚀性能,降低了钢筋锈蚀的风险。电化学测试表明An-LDH有效地提高了钢筋在模拟混凝土孔隙溶液中的电荷转移电阻(Rct),降低了腐蚀电流密度(Icorr)。其腐蚀电位、交流阻抗谱和极化曲线数据显示阻锈效率顺序为NO2-LDH>NO3-LDH>C6H5COO-LDH>CrO4-LDH,且NO2-LDH对钢筋具有长期的防护效果。采用焙烧-还原法(R-LDH)、共沉淀法(C-LDH)和水热法(H-LDH)制备NO2-插层水滑石。探讨了不同实验参数对合成产物插层率的影响,优选最佳的合成条件。结果表明,焙烧还原法中焙烧温度为500℃最佳;共沉淀法中,搅拌时间为3 h、NaOH添加量为2g时所得产物插层率最大;水热法中水热温度为140℃、水热时间为5 d。通过XRD、FTIR、SEM、TG-DSC、元素分析和吸附等温曲线分析探究了不同方法所制备产物的性能,发现C-LDH具有最高的阻锈阴离子插层率。EIS测试结果显示R-LDH、H-LDH和C-LDH在模拟混凝土碳化孔隙溶液中浸泡8h后的阻锈效率分别为93.44%、98.81%和99.29%。极化曲线表明,C-LDH试样的腐蚀电流密度相比于空白组下降幅度超过两个数量级。在前章研究的基础上,采用了共沉淀法和水热法制备NO2-插层Mg-Al-LDH和Ca-Al-LDH,并研究了合成水滑石对水泥砂浆的流动度、机械性能、吸水率、氯离子扩散系数和耐久性能的影响。流动度测试表明流动度随着水滑石掺量的增加略有下降,但总体上水滑石的掺入对砂浆流动性能没有明显的负面影响。合成水滑石的掺入同时提高了砂浆的力学性能和抗氯离子渗透性能,2%掺量的H-C-LDH试样表现出最佳的提升效果,抗压强度和抗折强度分别增加25.2%和12.6%,吸水率降低8.9%,氯离子扩散系数下降了22.5%。电化学实验表明,合成水滑石提升了砂浆中钢筋的腐蚀电位和电荷转移电阻,降低腐蚀电流密度,其中H-C-LDH表现最佳的改善效果。进一步对净浆孔隙溶液各离子浓度和净浆粉末XRD图谱分析可知,水滑石在砂浆试样中通过离子交换性能降低了孔隙溶液中自由氯离子浓度和释放出层间阻锈阴离子,促进了C-S-H凝胶和Fridel盐的生成,从而增强了净浆对氯离子的固定量。上述结果证明了水滑石能同时从物理阻挡、氯离子固定和阻锈阴离子释放三个方面提升混凝土内部钢筋的抗腐蚀性能,且H-C-LDH表现出最好的保护效果。
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