鋼筋局部腐蝕行為及STM輔助掃描微電極技術(shù)研究.pdf

1、鋼筋在混凝土中的腐蝕破壞是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早失效的最主要原因，不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，還給人民生命安全帶來(lái)重大隱患。鋼筋混凝土腐蝕破壞過(guò)程是一個(gè)典型的復(fù)雜體系，亟需發(fā)展各種先進(jìn)、適用的腐蝕電化學(xué)研究方法。鋼筋在侵蝕性環(huán)境中腐蝕的發(fā)生具有不均勻性及動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)金屬腐蝕活性位定點(diǎn)高空間分辨度的檢測(cè)，實(shí)時(shí)跟蹤腐蝕活性點(diǎn)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，對(duì)于探明鋼筋腐蝕發(fā)生、發(fā)展過(guò)程機(jī)理具有重要科學(xué)意義，但也面臨極大難度和挑戰(zhàn)。隨著腐蝕電化學(xué)研究的不斷

2、發(fā)展，原有傳統(tǒng)的技術(shù)手段已不能滿足于對(duì)復(fù)雜腐蝕體系的深入研究，研發(fā)新的腐蝕研究技術(shù)，特別是局部腐蝕研究中腐蝕活性位定點(diǎn)測(cè)試的新方法新技術(shù)是腐蝕研究的一個(gè)關(guān)鍵?；谡n題組多年從事研究金屬腐蝕電化學(xué)及科學(xué)儀器的基礎(chǔ)，本文側(cè)重發(fā)展各種先進(jìn)、適用的腐蝕電化學(xué)方法，重點(diǎn)研究鋼筋局部腐蝕的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，進(jìn)一步深化對(duì)鋼筋腐蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)。本論文的主要研究工作和進(jìn)展如下:
　　1.通過(guò)連續(xù)線性極化電阻(LPR)和電化學(xué)交流阻抗法(EIS)，同步研

3、究鋼筋在不同碳化模擬混凝土孔隙液(SCCPS)條件下的電化學(xué)行為。并通過(guò)擬合處理，分析了電化學(xué)參數(shù)隨氯離子濃度和浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在受氯離子污染的SCCPS中，雙時(shí)間常數(shù)等效電路可用于擬合多種環(huán)境因素作用下腐蝕過(guò)程的電化學(xué)阻抗譜圖。當(dāng)氯離子濃度較低時(shí)，鈍化膜隨著浸泡時(shí)間的增加而增長(zhǎng)變厚，鈍化膜的保護(hù)性能增加;當(dāng)氯離子濃度增加時(shí)，鈍化膜開(kāi)始劣化變薄，局部位置出現(xiàn)微小的腐蝕孔;隨著氯離子濃度的進(jìn)一步增加，由于氯離子的侵蝕性增強(qiáng)，

4、鈍化膜完全破裂，電極表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯的腐蝕坑。電化學(xué)阻抗譜法可成為研究氯離子誘導(dǎo)鋼筋點(diǎn)蝕的有效手段。
　　2.建立了可用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試混凝土薄層電阻變化的原位電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，探討了氯離子傳輸和混凝土厚度對(duì)混凝土薄層電化學(xué)阻抗的影響。同時(shí)考察了混凝土薄層對(duì)SCCPS中鋼筋腐蝕行為EIS監(jiān)測(cè)的影響。結(jié)果表明，在氯離子環(huán)境中，混凝土薄層的電阻隨著浸泡時(shí)間的增加而減小，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，基本保持不變。當(dāng)利用EIS測(cè)試鋼筋腐蝕行為時(shí)，混凝土薄

5、層有掩蓋高頻段時(shí)間常數(shù)的作用。但這種掩蓋作用并不是絕對(duì)的，當(dāng)混凝土薄層的電阻或鋼筋的腐蝕行為發(fā)生變化時(shí)，原本被掩蓋的時(shí)間常數(shù)可重新在EIS譜圖顯現(xiàn)。
　　3.進(jìn)一步完善STM輔助掃描微電極技術(shù)即SMET/STM聯(lián)用系統(tǒng)，使得整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，優(yōu)化測(cè)量過(guò)程，以滿足特定的測(cè)試需求。并初步探索SMET/STM聯(lián)用系統(tǒng)在鋼筋局部腐蝕研究中的應(yīng)用，原位研究局部腐蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程中腐蝕活性點(diǎn)位置和非腐蝕活性位置的STM形貌變化，實(shí)現(xiàn)了表

6、面局部位置形貌與腐蝕電化學(xué)活性變化的實(shí)時(shí)跟蹤和相關(guān)聯(lián)研究。結(jié)果表明，碳鋼在SCCPS中，電極表面發(fā)生點(diǎn)蝕和選擇性溶解，并通過(guò)原位光學(xué)技術(shù)進(jìn)一步證實(shí)了這兩類(lèi)局部腐蝕在空間位置上的相互關(guān)系，即在局部腐蝕發(fā)展過(guò)程，選擇性溶解傾向于在點(diǎn)蝕點(diǎn)周?chē)l(fā)生，并隨著腐蝕的發(fā)展而迸一步向外圍擴(kuò)展。
　　4.基于SMET/STM聯(lián)用系統(tǒng)，充分發(fā)揮了掃描微參比電極（SRET）模塊在局部腐蝕活性點(diǎn)原位監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了腐蝕活性點(diǎn)局部電化學(xué)信息“定位”測(cè)試的

7、新方法。建立了腐蝕發(fā)展過(guò)程中對(duì)金屬表面不同活性點(diǎn)位置Z方向上電位、物質(zhì)濃度分布曲線的測(cè)試方法。結(jié)果表明，對(duì)于18-8不銹鋼在FeCl3溶液中，隨著探針靠近電極表面，在腐蝕活性位點(diǎn)位置Z方向的電位分布（Eprobe）表現(xiàn)為V型曲線，而在非活性點(diǎn)位置Eprobe表現(xiàn)為單調(diào)下降。并對(duì)這種差異形成的原因進(jìn)行了討論，證實(shí)了當(dāng)離電極表面較遠(yuǎn)時(shí)，探針電位主要受溶液中的氧化還原物質(zhì)分布控制，當(dāng)離電極表面較近時(shí)，電位主要受電極表面的電場(chǎng)分布控制。

8、　　5.運(yùn)用SMET/STM聯(lián)用系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)腐蝕電化學(xué)方法相結(jié)合，探討了傳統(tǒng)腐蝕電化學(xué)技術(shù)與掃描微電極技術(shù)的互補(bǔ)性及研究信息間的相互關(guān)系。SRET&線性極化電阻(LPR)聯(lián)合測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電極表面只存在一個(gè)腐蝕局部腐蝕活性點(diǎn)時(shí)，SRET結(jié)果與極化曲線結(jié)果一致;當(dāng)電極表面存在多個(gè)腐蝕活性點(diǎn)時(shí)，極化曲線是多個(gè)局部腐蝕點(diǎn)疊加、平均的綜合信息。通過(guò)SRET&電化學(xué)噪音(ECN)聯(lián)合研究，從實(shí)驗(yàn)直接證明了鋼筋在SCCPS中，不同時(shí)間尺度的小波