高性能导电水泥基阳极材料开发及电化学除氯研究

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随着沿海城市地铁建设与地下空间开发的持续进行,服役于含有高浓度腐蚀离子地下水环境的混凝土工程逐渐增加,海工混凝土结构腐蚀破坏案例不断出现。与传统的除氯方式相比,电化学除盐是一种无损治理氯离子入侵、提高腐蚀混凝土耐久性能的有效措施。本文通过对各种导电相的对比试验,以导电水泥基材料的电阻率、强度、韧性为控制指标,开发碳纤维基高性能导电水泥基阳极材料。通过传统电化学除氯与导电水泥基材料为阳极的电化学除氯的对比研究,系统分析了电流密度、电解质溶液等对电化学除氯效率及混凝土性能影响规律,提出了以导电水泥基材料为阳极的电化学除氯方法。(1)用碳纤维做为导电相制备导电水泥基材料,并从电阻率、抗压强度、抗折强度、断裂能及干燥收缩五个方面研究了碳纤维导电水泥基材料物理力学性能;探讨了高吸水树脂对导电水泥基材料电阻率、收缩量影响规律;开发了高性能导电水泥基阳极材料。(2)选用不锈钢网做为阳极材料,研究了电解质溶液种类、电流密度、保护层厚度及混凝土类型对电化学除氯效率的影响。选用普通碳素钢与耐蚀钢筋两种材料进行除氯研究,探究了含不同钢筋种类的混凝土在进行除氯后的差异。分析了电化学除氯前后混凝土微观结构演变规律。试验结果表明:以不锈钢网为阳极的电化学除氯效率随电流密度增加除氯效率逐渐增强,最佳电流密度为2A/m2,电解质溶液宜选用饱和Ca(OH)2溶液;混凝土保护层厚度和密实度的增加都会导致除氯效率的下降;除氯后混凝土中钢筋附近Ca(OH)2含量明显增高,且孔隙增多无明显水化产物,而中外层混凝土密实度增加;不同钢筋类型对除氯效率无明显影响。(3)以高性能导电水泥基材料为阳极,采用2A/m2的电流密度,研究10mm、20mm、30mm的导电层涂覆厚度对除氯效率的影响。并研究了混凝土类型、保护层厚度、钢筋类型对以导电水泥基材料为阳极的电化学除氯效率的定量影响规律。通过SEM、XRD、热重等技术手段对除氯后混凝土微观结构及成分演变进行相关分析。试验结果表明:导电水泥基材料涂覆厚度的减少能有效降低混凝土-导电材料界面区及导电水泥基材料中氯离子积聚,最佳涂覆厚度为10mm;除氯效率随保护层厚度及混凝土试件密实度的增加逐渐降低;除氯后钢筋附近混凝土中Ca(OH)2含量增加;SEM结果显示混凝土与导电水泥基材料的粘结状况良好,对界面区进行线扫描发现从混凝土到导电水泥基材料,氯离子含量逐渐减少;导电水泥基材料中碳纤维搭接良好且除氯后水泥基材料中Ca(OH)2含量增加,无明显的微观结构劣化现象。
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