蔣明輝，杭美艷，楊宇斌，程騰，王浩，周港明

（1.內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛運用于建筑、橋梁、海洋工程等大型土木工程結(jié)構(gòu)中[1]，但鋼筋具有致命缺陷——易銹蝕[2]，成為在鹽湖地區(qū)廣泛應(yīng)用的障礙。據(jù)報道，我國因鋼筋銹蝕造成的財產(chǎn)損失每年達1800 億元以上[3]，這不僅造成重大經(jīng)濟損失，還阻礙基礎(chǔ)建設(shè)的深入發(fā)展[4]。因此，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性并延長其使用壽命是重要的研究課題[5]。

研究發(fā)現(xiàn)[6-7]，鋼筋銹蝕會直接影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而氯離子侵蝕是導致鋼筋銹蝕的最直接原因。混凝土中氯離子的來源主要有以下2 種：混凝土組成原材料中含有氯離子，以及外界侵蝕環(huán)境中的氯離子通過毛細作用、擴散作用、滲透作用、電化學遷移等方式進入到混凝土內(nèi)部。氯離子進入鋼筋混凝土中，當鋼筋表面氯離子濃度超過其發(fā)生銹蝕反應(yīng)的限制時，鋼筋表面持續(xù)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使鋼筋表面鈍化膜不穩(wěn)定發(fā)生腐蝕破壞，從而導致性能下降甚至早期的結(jié)構(gòu)破壞[8]。因此，尋找在侵蝕性環(huán)境中阻礙氯離子在鋼筋表面吸附或抑制鋼筋表面電化學反應(yīng)的阻銹物質(zhì)，對減少甚至消除鋼筋混凝土的腐蝕具有重要意義。

近些年，國內(nèi)外大量學者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入阻銹劑可以有效防止鋼筋發(fā)生銹蝕[9-10]。為此，本研究采用宏觀測試（工作性能、力學性能及電化學性能試驗）和微觀分析相結(jié)合的方法，對三乙醇胺、三異丙醇胺、單氟磷酸鈉和鉬酸鈉4 種阻銹劑的阻銹作用機理進行分析探討。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：蒙西P·O42.5 水泥，其物理性能見表1；砂：天然河砂，細度模數(shù)2.4，含泥量2.6%；鋼筋：直徑為7 mm、長度為100 mm、表面粗糙度為1.6 μm 的HPB300 鋼筋；阻銹劑：三乙醇胺（TEA）、三異丙醇胺（TIPA）、單氟磷酸鈉（MFP）、鉬酸鈉（Na2MoO4），工業(yè)級，包頭市安順新型建材科技有限責任公司生產(chǎn)；NaCl 溶液：質(zhì)量濃度4.0%；拌和水：自來水。

表1 水泥的主要物理性能

1.2 試驗方法

（1）水泥砂漿工作性能和力學性能試驗：參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂強度檢驗方法》進行。其中TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4四種阻銹劑摻量均為膠凝材料質(zhì)量的1.5%。

（2）鋼筋電極電位試驗：參照JT/T 537—2018《鋼筋混凝土阻銹劑》進行。選用采用PS-6 型鋼筋銹蝕測量儀測試鋼筋各個時間段的電極電位。

（3）鋼筋電化學阻抗譜試驗：參照YB/T 9231—2009《鋼筋阻銹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行，在溫度（20±2）℃下，采用上海辰華CHI604E 電化學工作儀器對不同組鋼筋電化學阻抗譜值進行分析研究。

（4）微觀形貌分析

將試件養(yǎng)護28 d，然后從試件中心處取樣，采用Sigma 300 掃描電子顯微鏡觀察水泥水化產(chǎn)物的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻銹劑對砂漿性能的影響

表2 為砂漿中摻入不同阻銹劑對其工作性能和力學性能的影響。

表2 不同阻銹劑對砂漿性能的影響

由表2 可見：

（1）摻入阻銹劑后，砂漿流動度出現(xiàn)不同程度的減小。與基準組（未摻阻銹劑）相比，Na2MoO4組砂漿的流動度下降最為顯著，而MFP 組和TEA 組砂漿的流動度與基準組接近。這主要是由于阻銹劑的摻入，促進了水泥凝固，延緩了水泥砂漿的初凝時間，從而減小了砂漿的流動度；因MFP 具有一定的緩凝效果，故MFP 組砂漿的流動度與基準組接近。

（2）摻入阻銹劑TEA 和TIPA 后，試件的7、28 d 抗折和抗壓強度略高于基準組。主要原因為：①TEA 和TIPA 可以促進水泥早期水化，增加水化產(chǎn)物的生成，封堵試件內(nèi)部孔隙，從而提高試件的密實度，進一步提高試件的早期強度；②水泥中CaO 水化生成Ca（OH）2，當環(huán)境中的CO2通過試件表面諸多孔隙擴散到試件內(nèi)部后，會與Ca（OH）2反應(yīng)生成CaCO3，而TIPA 的存在會加速碳酸鈣與鋁的反應(yīng)，形成碳鋁酸鈣，有助于試件強度的發(fā)展[11]。

2.2 鋼筋電極電位

圖1 為基準組和砂漿中分別摻入阻銹劑TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4時鋼筋電極電位的變化。

圖1 鋼筋的電極電位

由圖1 可見，開始通電后，各組的鋼筋電極電位大幅度上升。通電4 min 后，基準組的鋼筋電極電位開始下降，表明鋼筋開始銹蝕；摻不同阻銹劑砂漿中的鋼筋電極電位在通電4 min 后繼續(xù)維持穩(wěn)定的狀態(tài)，表明阻銹劑能有效降低鋼筋銹蝕風險，且TEA 和TIPA 的作用效果更為顯著，主要原因在于：（1）TEA 中含有羥基，由于羥基的活性大于Cl-的活性，鋼筋銹蝕速率會逐漸下降；此外，TEA 中含有N 原子，由于N 原子的靜電效應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)的共同效應(yīng)，會與鋼筋表面相互作用，形成鈍化膜，降低銹蝕速率[12]；（2）TIPA 促進鋼筋表面鈍化膜產(chǎn)生，降低鋼筋銹蝕速率[11]；（3）MFP 可以電離出H2PO4-，隨后與Fe2+反應(yīng)生成磷酸鈣鐵鈍化膜，防止鋼筋發(fā)生銹蝕破壞[13]；（4）Na2MoO4可以電離出MoO42-，MoO42-遷移至鋼筋表面的鈍化膜上，可以阻礙Cl-進入鋼筋表面鈍化膜內(nèi)，有效降低鋼筋銹蝕速率的發(fā)生[14]，但Na2MoO4形成的鈍化膜穩(wěn)定性較差，故鋼筋電極電位小于其他組。

電極電位試驗結(jié)束后，將試件破碎取出其中的鋼筋，并清理其表面殘余的砂漿，得到鋼筋的宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 鋼筋的表面形貌

由圖2 可以看出，基準組的鋼筋表面覆蓋大量銹斑，鋼筋表面銹斑面積幾乎為100%；而摻入阻銹劑后，鋼筋表面銹斑面積減少，且以阻銹劑TEA 的抗氯鹽侵蝕效果最佳。

2.3 鋼筋電化學阻抗譜試驗

圖3 為基準組和砂漿中分別摻入阻銹劑TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4時鋼筋的電化學阻抗譜。

圖3 基準組和砂漿中摻入不同阻銹劑時鋼筋的電化學阻抗圖譜

由圖3 可見，基準組的高頻段容抗弧急劇收縮，表明鋼筋在氯鹽侵蝕環(huán)境下易發(fā)生銹蝕破壞，而摻入不同阻銹劑后鋼筋在高頻段的容抗弧均大于基準組鋼筋的容抗弧，表明阻銹劑的摻入可以較好地抑制鋼筋表面銹蝕的發(fā)生，具有良好的阻銹效果；此外，TEA 組和TIPA 組鋼筋在高頻段的容抗弧顯著高于基準組，表明阻銹劑TEA 和TIPA 能更好地抑制鋼筋銹蝕的發(fā)生，阻銹效果最佳。

2.4 微觀形貌分析

綜合考慮上述試驗結(jié)果，得出TEA 和TIPA 組砂漿的力學性能和阻銹效果較好。因此，采用SEM 掃描電鏡對基準組、TEA 組和TIPA 組試件28 d 時的微觀形貌進行分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 基準組和摻不同阻銹劑砂漿28 d 齡期時的微觀形貌

由圖4 可知，各組試件水泥水化生成的水化產(chǎn)物各不相同?；鶞式M水泥水化生成大量團簇狀的C-S-H 凝膠；TEA 組水泥水化生成少量的C-S-H 凝膠和大量的六角板狀Ca（OH）2晶體；TIPA 組水泥水化除了生成大量團簇狀C-S-H凝膠外，還生成大量針棒狀A(yù)Ft，形成致密的結(jié)構(gòu)，這與文獻[11]的研究結(jié)果類似。表明阻銹劑TEA 和TIPA 對水泥水化程度有一定的影響，主要是由于阻銹劑的摻入會促進水泥中的礦物成分快速水化，加速形成水化產(chǎn)物填充在試件內(nèi)部孔隙中；此外，TIPA 會促進水泥中的礦物成分水化形成AFt 晶體，貫穿在C-S-H 凝膠中，填充試件內(nèi)部孔隙，使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，因此可略微提高試件的抗壓強度。

3 結(jié)論

（1）水泥砂漿中摻入阻銹劑時會減小砂漿的流動度，且以Na2MoO4的影響最明顯；摻入阻銹劑TEA 和TIPA 有利于砂漿強度的發(fā)展。

（2）阻銹劑能顯著提高鋼筋的電極電位，使鋼筋電極電位保持穩(wěn)定，可有效防止鋼筋受NaCl 侵蝕溶液侵蝕，且TEA 的阻銹效果更顯著，可以使鋼筋表面的鈍化膜維持穩(wěn)定。

（3）阻銹劑可顯著增大鋼筋在高頻段的容抗弧值，且以TEA 和TIPA 的效果更顯著。

（4）SEM 微觀分析表明，砂漿中摻入TEA 和TIPA 能加快水泥水化速度，加速形成大量水化產(chǎn)物填充在砂漿內(nèi)部孔隙中，從而提高砂漿的密實度。