不同种类阻锈剂阻锈效果及其作用机理研究

蒋明辉，杭美艳，杨宇斌，程腾，王浩，周港明

（1.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010；2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206）

0 引言

钢筋混凝土结构被广泛运用于建筑、桥梁、海洋工程等大型土木工程结构中[1]，但钢筋具有致命缺陷——易锈蚀[2]，成为在盐湖地区广泛应用的障碍。据报道，我国因钢筋锈蚀造成的财产损失每年达1800 亿元以上[3]，这不仅造成重大经济损失，还阻碍基础建设的深入发展[4]。因此，提高钢筋混凝土结构的耐久性并延长其使用寿命是重要的研究课题[5]。

研究发现[6-7]，钢筋锈蚀会直接影响钢筋混凝土结构的耐久性，而氯离子侵蚀是导致钢筋锈蚀的最直接原因。混凝土中氯离子的来源主要有以下2 种：混凝土组成原材料中含有氯离子，以及外界侵蚀环境中的氯离子通过毛细作用、扩散作用、渗透作用、电化学迁移等方式进入到混凝土内部。氯离子进入钢筋混凝土中，当钢筋表面氯离子浓度超过其发生锈蚀反应的限制时，钢筋表面持续发生腐蚀反应，使钢筋表面钝化膜不稳定发生腐蚀破坏，从而导致性能下降甚至早期的结构破坏[8]。因此，寻找在侵蚀性环境中阻碍氯离子在钢筋表面吸附或抑制钢筋表面电化学反应的阻锈物质，对减少甚至消除钢筋混凝土的腐蚀具有重要意义。

近些年，国内外大量学者通过实验研究发现，在混凝土中加入阻锈剂可以有效防止钢筋发生锈蚀[9-10]。为此，本研究采用宏观测试（工作性能、力学性能及电化学性能试验）和微观分析相结合的方法，对三乙醇胺、三异丙醇胺、单氟磷酸钠和钼酸钠4 种阻锈剂的阻锈作用机理进行分析探讨。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：蒙西P·O42.5 水泥，其物理性能见表1；砂：天然河砂，细度模数2.4，含泥量2.6%；钢筋：直径为7 mm、长度为100 mm、表面粗糙度为1.6 μm 的HPB300 钢筋；阻锈剂：三乙醇胺（TEA）、三异丙醇胺（TIPA）、单氟磷酸钠（MFP）、钼酸钠（Na2MoO4），工业级，包头市安顺新型建材科技有限责任公司生产；NaCl 溶液：质量浓度4.0%；拌和水：自来水。

表1 水泥的主要物理性能

1.2 试验方法

（1）水泥砂浆工作性能和力学性能试验：参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂强度检验方法》进行。其中TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4四种阻锈剂掺量均为胶凝材料质量的1.5%。

（2）钢筋电极电位试验：参照JT/T 537—2018《钢筋混凝土阻锈剂》进行。选用采用PS-6 型钢筋锈蚀测量仪测试钢筋各个时间段的电极电位。

（3）钢筋电化学阻抗谱试验：参照YB/T 9231—2009《钢筋阻锈剂应用技术规程》进行，在温度（20±2）℃下，采用上海辰华CHI604E 电化学工作仪器对不同组钢筋电化学阻抗谱值进行分析研究。

（4）微观形貌分析

将试件养护28 d，然后从试件中心处取样，采用Sigma 300 扫描电子显微镜观察水泥水化产物的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 阻锈剂对砂浆性能的影响

表2 为砂浆中掺入不同阻锈剂对其工作性能和力学性能的影响。

表2 不同阻锈剂对砂浆性能的影响

由表2 可见：

（1）掺入阻锈剂后，砂浆流动度出现不同程度的减小。与基准组（未掺阻锈剂）相比，Na2MoO4组砂浆的流动度下降最为显著，而MFP 组和TEA 组砂浆的流动度与基准组接近。这主要是由于阻锈剂的掺入，促进了水泥凝固，延缓了水泥砂浆的初凝时间，从而减小了砂浆的流动度；因MFP 具有一定的缓凝效果，故MFP 组砂浆的流动度与基准组接近。

（2）掺入阻锈剂TEA 和TIPA 后，试件的7、28 d 抗折和抗压强度略高于基准组。主要原因为：①TEA 和TIPA 可以促进水泥早期水化，增加水化产物的生成，封堵试件内部孔隙，从而提高试件的密实度，进一步提高试件的早期强度；②水泥中CaO 水化生成Ca（OH）2，当环境中的CO2通过试件表面诸多孔隙扩散到试件内部后，会与Ca（OH）2反应生成CaCO3，而TIPA 的存在会加速碳酸钙与铝的反应，形成碳铝酸钙，有助于试件强度的发展[11]。

2.2 钢筋电极电位

图1 为基准组和砂浆中分别掺入阻锈剂TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4时钢筋电极电位的变化。

图1 钢筋的电极电位

由图1 可见，开始通电后，各组的钢筋电极电位大幅度上升。通电4 min 后，基准组的钢筋电极电位开始下降，表明钢筋开始锈蚀；掺不同阻锈剂砂浆中的钢筋电极电位在通电4 min 后继续维持稳定的状态，表明阻锈剂能有效降低钢筋锈蚀风险，且TEA 和TIPA 的作用效果更为显著，主要原因在于：（1）TEA 中含有羟基，由于羟基的活性大于Cl-的活性，钢筋锈蚀速率会逐渐下降；此外，TEA 中含有N 原子，由于N 原子的静电效应和分子结构的共同效应，会与钢筋表面相互作用，形成钝化膜，降低锈蚀速率[12]；（2）TIPA 促进钢筋表面钝化膜产生，降低钢筋锈蚀速率[11]；（3）MFP 可以电离出H2PO4-，随后与Fe2+反应生成磷酸钙铁钝化膜，防止钢筋发生锈蚀破坏[13]；（4）Na2MoO4可以电离出MoO42-，MoO42-迁移至钢筋表面的钝化膜上，可以阻碍Cl-进入钢筋表面钝化膜内，有效降低钢筋锈蚀速率的发生[14]，但Na2MoO4形成的钝化膜稳定性较差，故钢筋电极电位小于其他组。

电极电位试验结束后，将试件破碎取出其中的钢筋，并清理其表面残余的砂浆，得到钢筋的宏观形貌如图2 所示。

图2 钢筋的表面形貌

由图2 可以看出，基准组的钢筋表面覆盖大量锈斑，钢筋表面锈斑面积几乎为100%；而掺入阻锈剂后，钢筋表面锈斑面积减少，且以阻锈剂TEA 的抗氯盐侵蚀效果最佳。

2.3 钢筋电化学阻抗谱试验

图3 为基准组和砂浆中分别掺入阻锈剂TEA、TIPA、MFP和Na2MoO4时钢筋的电化学阻抗谱。

图3 基准组和砂浆中掺入不同阻锈剂时钢筋的电化学阻抗图谱

由图3 可见，基准组的高频段容抗弧急剧收缩，表明钢筋在氯盐侵蚀环境下易发生锈蚀破坏，而掺入不同阻锈剂后钢筋在高频段的容抗弧均大于基准组钢筋的容抗弧，表明阻锈剂的掺入可以较好地抑制钢筋表面锈蚀的发生，具有良好的阻锈效果；此外，TEA 组和TIPA 组钢筋在高频段的容抗弧显著高于基准组，表明阻锈剂TEA 和TIPA 能更好地抑制钢筋锈蚀的发生，阻锈效果最佳。

2.4 微观形貌分析

综合考虑上述试验结果，得出TEA 和TIPA 组砂浆的力学性能和阻锈效果较好。因此，采用SEM 扫描电镜对基准组、TEA 组和TIPA 组试件28 d 时的微观形貌进行分析，结果如图4 所示。

图4 基准组和掺不同阻锈剂砂浆28 d 龄期时的微观形貌

由图4 可知，各组试件水泥水化生成的水化产物各不相同。基准组水泥水化生成大量团簇状的C-S-H 凝胶；TEA 组水泥水化生成少量的C-S-H 凝胶和大量的六角板状Ca（OH）2晶体；TIPA 组水泥水化除了生成大量团簇状C-S-H凝胶外，还生成大量针棒状AFt，形成致密的结构，这与文献[11]的研究结果类似。表明阻锈剂TEA 和TIPA 对水泥水化程度有一定的影响，主要是由于阻锈剂的掺入会促进水泥中的矿物成分快速水化，加速形成水化产物填充在试件内部孔隙中；此外，TIPA 会促进水泥中的矿物成分水化形成AFt 晶体，贯穿在C-S-H 凝胶中，填充试件内部孔隙，使试件内部结构更致密，因此可略微提高试件的抗压强度。

3 结论

（1）水泥砂浆中掺入阻锈剂时会减小砂浆的流动度，且以Na2MoO4的影响最明显；掺入阻锈剂TEA 和TIPA 有利于砂浆强度的发展。

（2）阻锈剂能显著提高钢筋的电极电位，使钢筋电极电位保持稳定，可有效防止钢筋受NaCl 侵蚀溶液侵蚀，且TEA 的阻锈效果更显著，可以使钢筋表面的钝化膜维持稳定。

（3）阻锈剂可显著增大钢筋在高频段的容抗弧值，且以TEA 和TIPA 的效果更显著。

（4）SEM 微观分析表明，砂浆中掺入TEA 和TIPA 能加快水泥水化速度，加速形成大量水化产物填充在砂浆内部孔隙中，从而提高砂浆的密实度。