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摘要
钢筋锈蚀引起的混凝土结构劣化是一种严峻的工程问题[1],同时在较大程度上影响钢筋混凝土建筑的服役寿命[2],因此相关研究人员开发了一系列的腐蚀防护技术用以阻碍混凝土中钢筋发生提前锈蚀[3]。在众多的防护方法中,内掺有机缓蚀剂被认为是降低钢筋锈蚀发生速率的有效手段之一[4]。相关研究结论表明[5],有机缓蚀剂主要通过吸附在钢筋表面,取代水分子形成致密的屏障层阻碍侵蚀性离子进而发挥缓蚀作用。上述吸附过程是通过缓蚀分子结构中具有高供电子能力的活性中心(如O、N、S等)与钢筋表面Fe原子外围的空d轨道进行自发配位形成,并进一步影响钢筋表面与锈蚀相关的电化学反应[6]。目的传统有机缓蚀4剂囿于分子结构中的杂原子和极性基团的数量,其在钢筋表面的吸附能力较弱[7],缓蚀效果不理想,因此开发具有强吸附能力的缓蚀剂对于混凝土中的钢筋的锈蚀控制是十分必要的。金属有机框架(metalorganic frameworks, MOFs)是一类由金属节点与有机配体经过配位自组装形成的晶态多孔杂化材料[8]。由于该材料具有的大比表面积及富含杂原子基团和π电子体系的超分子结构属性[9, 10],使得MOFs本身在金属表面呈现出较强的吸附能力,因此MOFs具备作为缓蚀剂应用于钢筋混凝土领域的巨大潜力。方法本研究首先采用简易环保的溶剂法制备了类沸石锌基咪唑脂框架(zeolitic imidazolate framework, ZIF-8)缓蚀剂,利用电化学测试技术和表面分析方法详细研究了水泥浸出液中ZIF-8缓蚀剂对钢筋锈蚀的抑制作用,并进一步探讨了ZIF-8的缓蚀机制。结果结果发现,制备的ZIF-8缓蚀剂具有典型的截断菱形十二面体晶态结构,且粒径分布均一,平均粒径约为75 nm(Fig.1)。同时进一步考察了ZIF-8作为钢筋缓蚀剂的稳定性,溶剂法制备的ZIF-8在中性和碱性条件下展现出良好的化学稳定性,而ZIF-8在酸性条件下会发生分解(Fig.2),因此在钢筋点蚀发生阶段ZIF-8可能会表现出一定的主动修复效果。在含氯化钠的水泥浸出液中浸没168 h后(ZIF-8浓度为0.04%),ZIF-8缓蚀剂高效吸附在钢筋表面,ZIF-8的吸附明显减小了由锈蚀引起的钢筋样品表面粗糙度,相较于未添加ZIF-8缓蚀剂的钢筋样品表面粗糙度(240.3 nm),添加ZIF-8缓蚀剂后钢筋样品表面粗糙度仅为74.1 nm(Fig.3)。ZIF-8缓蚀剂在钢筋表面吸附后主要是通过降低钢筋溶解的阳极反应速率,提高钢筋的点蚀电位和腐蚀电位来发挥缓蚀作用(Fig.4)。进一步地,ZIF-8缓蚀剂显著提高钢筋界面的电荷传质电阻和极化电阻值并在最初的24 h展现出优异的缓蚀效率(Fig.5)。与此同时,当浸没时间为168 h时,ZIF-8缓蚀剂对水泥浸出液中钢筋样品的缓蚀效率依然保持在87.8%(Fig.6),这主要是钢筋表面点蚀反应发生时,蚀坑周围弱酸性环境引起ZIF-8缓蚀剂结构坍塌释放出甲基咪唑配体,该配体与金属表面发生Fe-N配位作用,进而产生二次修复效果,显著推迟了钢筋锈蚀发生时间。基于扫描电化学显微镜的成像结果,浸没在含氯化钠水泥浸出液中的钢筋样品表面电流分布相对平坦并未出现明显的电流尖峰(Fig.7),意味着ZIF-8缓蚀剂存在条件下点蚀反应在较大程度上被抑制,钢筋表面主要发生均匀腐蚀。ZIF-8缓蚀剂优异的缓蚀表现归因于其在钢筋表面的强吸附行为,水泥浸出液中ZIF-8缓蚀剂在钢筋表面的吸附过程在40 min内基本完成,其中包括化学吸附阶段和缓蚀剂在钢筋表面重排阶段(Fig.8)。结论因此本研究制备的ZIF-8有望作为一种具有强吸附属性的高效缓蚀剂应用于受氯盐侵蚀的钢筋混凝土结构设施。
- 出版日期2022
- 单位华南理工大学
