环氧树脂对混凝土中钢筋抗腐蚀性行为的电化学研究
                              王成峰，宋刘斌，喻林萍，杨道武
                       （长沙理工大学 化学与生物工程学院，长沙 410076）
    摘要：用4×4阵列丝束电极模拟研究了混凝土中钢筋的腐蚀，将钢筋混凝土做不同的涂层处理：空白、 铁丝表面涂抹树脂、混凝土表面涂抹树脂．通过测量铁丝的自腐蚀电位，研究不同涂层方式对混凝土防腐方 面的影响．实验结果表明：只在混凝土表面涂抹树脂是最好的保护方式，它可以使钢筋的腐蚀电位一直处于 钝化范围内，从而保证了钝化膜的完整性．这一结果对防止沿海地区和冰雪融化剂的氯离子对混凝土的破坏 作用有意义，同时可应用于有杂散电流作用的混凝土结构物的防腐蚀．
    关键词：树脂；混凝土；腐蚀；丝束电极
    中图分类号：O633.13;TG17 文献标识码：A 文章编号：1672–7304(2008)04–0041–03
    当今的大坝、大桥、高楼等基础设施大多由 钢筋混凝土建成，在空气和环境中富含氯离子的 沿海地区和在使用去冰盐化冰的地区，氯离子是 造成水泥混凝土破坏的主要因素之一．氯离子对 混凝土的破坏：一方面表现在氯离子可在水泥混 凝土中成盐结晶，体积膨胀，从而使水泥混凝土 开裂；另一方面，氯离子可破坏钝化层，对钢筋 形成点蚀[1]．为了延长基础设施的使用寿命，可 以通过增加水泥混凝土结构本身的密实性（添加 混合物如缓蚀剂）、钢筋表面处理、阴极保护、水 泥混凝土结构表面的防护以及替代的增强材料 （如碳纤维）来进行．其中，混凝土表面涂层有 效地阻隔混凝土及钢筋与有害物质接触，从而弥 补混凝土多孔性的缺陷，起到很好的防护作用．
    1 材料与方法
    将长16 cm、直径为2 mm的铁丝用金相砂纸 逐级打磨，经乙醇、丙酮清洗后，在铁丝表面涂 覆一层环氧树脂，打磨并清洗铁丝的另一端以作 为研究面．取52.5# 普通硅酸盐水泥，按水灰质 量比1︰2、灰砂质量比1︰4混合后搅拌均匀，分 别浇注在3组15 cm×15 cm×15 cm的混凝土浇注模 中．将16根铁丝排列成4×4的矩阵插入混凝土浇 注试样中，行距与列距均为3 cm．插入深度不同， 其中第一行铁丝距离腐蚀液浸入面为1 cm，此后 逐行增加1 cm，至第4行其距离腐蚀液浸入面为4 cm．其试样结构见图1．
    将混凝土试样进行不同的表面处理：空白、 铁丝表面涂抹树脂、混凝土表面涂抹树脂、混凝土与铁丝表面均涂抹树脂．其中，树脂涂料用环 氧树脂和聚酰胺环氧树脂按1︰1的质量比混合 而成．
    将试样分别浸泡在质量分数为 2%、3%、5%、 7%、10%、12%的 NaCl 溶液中．采用三电极法， 用 EG&G 283 恒电位扫描仪测量电极极化曲线， 连续测量 9 d，测量周期为 24 h；以饱和甘汞电极 为参比电极，采用 SDC-Ⅲ数字电位差综合测试仪 测量电位，将试样浸泡在 3%的 NaCl 溶液中，浸 入面处于同一水平面．每天测量每个电极的腐蚀 电位，连续测量 9 d，测量周期为 24 h．
                 
    2 结果和讨论
    2.1 空白试样
    将得到的腐蚀电流密度换算成腐蚀速率后， 用Origin软件将它们制成直观的二维腐蚀趋势 图，见图2．图中曲线1、2、3、4分别表示插入深 度为14 cm、13 cm、12 cm、11 cm的四行铁丝的 腐蚀电位变化． 
    由图2可知：在测量的第一天，铁丝的电位均 小于-0.28 V．根据文献：当铁丝电位在0～-0.28V时不发生锈蚀，-0.28V～-0.40V时存在锈蚀可能， 而小于-0.40V会发生锈蚀．这表明，在浸泡1 d后， 铁丝表面的钝化膜都已遭到了不同程度的破坏．电位不断地负移．前6 d铁丝的电位负移程度很 大，而在后3 d则趋于平稳，这主要与混凝土的结 构有关．由于混凝土内部结构很复杂，每块区域 的密实性不一，孔隙数和孔隙大小也各不相同， 使得前6 d每根铁丝受到的腐蚀程度有着很大的 差异性．而随着浸泡时间的不断延续，铁丝周围 的Cl-浓度都达到了临界值，16根铁丝的电位图逐 渐趋于平稳，使得铁丝后3 d的腐蚀电位差距相较前6d的要小．
                    
    2.2 铁丝表面涂抹树脂试样
    铁丝表面涂抹树脂试样的电化学测量结果见 图3．由图3可知：在测量的第一天，第一行铁丝 的平均电位就已经小于-0.40 V，铁丝都受到了腐 蚀，而第二、三、四行铁丝仍处于钝化状态．这 主要是由于第一行铁丝离底部的侵入面最近，Cl- 到达第一行铁丝最快，吸附时间也最长，使得铁 丝上的树脂涂层最快被破坏而引起腐蚀．除第二 行铁丝外，其它三行铁丝从第五天开始电位都趋 于平缓，到了第七天，电位都有小幅的下降而到 第八天时又逐渐上升．出现这一现象的原因是：经过几天的浸泡后，铁丝上的涂层逐渐被氯离子 破坏，裸露出的铁丝与周围高碱性的混凝土发生 了碱腐蚀，形成一层保护膜，使得电位逐渐平缓 并有所上升．但由于氯离子的不断侵蚀，混凝土 的孔隙液里充满了游离的Cl-，铁丝上刚形成的钝 化膜又遭到了破坏，使得电位又出现了下降．
    2.3 混凝土表面涂抹树脂试样
    图4是混凝土表面涂抹树脂试样中铁丝的平 均腐蚀电位随时间变化图．由图4可知，混凝土表 面涂抹树脂试样的平均自腐蚀电位变化较稳定， 并未随着时间的增加而发生很大的负移，9 d里电 位都稳定在-0.28V以上．比较4个试样可知，只在 混凝土表面涂抹环氧树脂的做法保护性能最 优．这是因为混凝土内部具有高碱性（pH值为 12.5～13）, 钢筋处在这种高碱性条件下会发生碱 腐蚀，在极短的时间内钢筋表面迅速形成一层厚 一至几纳米且十分致密的Fe3O4 和Fe2O3钝化膜， 将保护钢筋免遭进—步腐蚀．只有钢筋表面的钝 化膜遭到破坏，钢筋才可能进一步腐蚀[1]．
                    
    2.4 丝束电极中腐蚀电位分布
    图5中X，Y轴表示铁丝所处的坐标，Z轴为腐 蚀电位的相反数-E．从图5可知，混凝土表面涂抹 树脂试样的电位分布图波动性最小，除了几根异 常的铁丝外，大多数铁丝在浸泡9 d后，电位值仍 高于-0.28 V处于钝化状态，这是因为混凝土外表 面上的环氧树脂涂层有效地阻止了有害物质的侵 入．混凝土中钢筋钝化膜遭到破坏的机理[2-5]，一 是混凝土的碳化（空气中的CO2在混凝土表面逐 渐被Ca(OH)2吸收形成CaCO3）；二是Cl-的侵入， Cl-渗透到钢筋周围达到一定的浓度（临界浓度） 时就会破坏钝化膜，导致钢筋发生电化学腐蚀．由 于混凝土涂层在混凝土与溶液之间形成了很好的 阻隔作用，阻止了腐蚀介质的进入，使得铁丝一直在混凝土中处于很好的钝化状态．所以，在混 凝土表面涂抹环氧树脂的方式能有效地保护钢筋 不被腐蚀．这说明了只在混凝土表面涂抹树脂的 方式保护性是最好的．
                
    在测量电位时还发现，涂抹了环氧树脂的试 样电位波动很大，不容易稳定．由文献[6]可知这 与环氧树脂具有良好的电绝缘性有关．应用于电 气化铁路、地铁的钢筋混凝土会经常受到杂散电 流的影响从而引起腐蚀．因此，可以将涂敷了环 氧树脂的钢筋混凝土应用于会产生杂散电流的建 构物中．
    3 结论
    （1）只在混凝土表面涂抹树脂是最好的保护 方式，树脂涂层能有效地隔离环境中侵蚀性物质， 弥补混凝土多孔性的缺陷．对防止沿海地区和冰 雪融化剂的氯离子对混凝土的破坏作用有意义．
    （2）环氧树脂有着良好的电绝缘性，可应用 于有杂散电流作用的混凝土结构物的防腐蚀．
    （3）丝束电极技术能有效地模拟混凝土中钢 筋的腐蚀状况，为我们提供了丰富可靠的数据．