1、磷酸钾镁水泥中的钢筋锈蚀机理研究磷酸钾镁水泥中的钢筋锈蚀机理研究中文摘要磷酸钾镁水泥(magnesium-potassiumphosphatecemen3MKPC)拥有快凝、早强、护筋性能好等优点，在钢筋混凝土配筋结构工程中有着巨大的发展潜力；但因MKPC水化机理和水泥原料的特殊性，磷酸钾镁水泥中的钢筋锈蚀机理有待进一步揭示。本文主要研究MKPC的PH值、电阻率，钢筋在MKPC中的腐蚀电流和电位；同时用通电加速锈蚀法评估MKPC保护层的抗锈胀性能；并结合XRD和SEM-EDS等微观实验进一步探究MKPC中钢筋锈蚀的机理，主要得出以下结论：1、MKPC初凝前，浆体为酸性，会腐蚀钢筋。初凝后，3d
2、时基准组LMI3的孔隙液PH值为9.8,56d上升为10.3；随着磷镁比P/M减小，3d时MKPC孔隙液的PH值升高；随着硅灰掺量增大，3d的PH值降低；随着粉煤灰掺量增大,3d的PH值升高。但三种因素均对56d的孔隙液PH值影响不大，PH值均稳定在10.3左右。在此低碱度环境下，钢筋没有形成钝化膜。2、MKPC的电阻率3d增长较快，56d逐渐稳定，3d时LM13的电阻率为550m,56d时为1100Q加；P/M越小，电阻率越大；硅灰掺量越大，电阻率越大；粉煤灰掺量越大，3d的电阻率越小，56d的电阻率变化不大。MKPC的电阻率越大，阻碍离子的迁移能力越强，越能抑制钢筋锈蚀。3、在3d时OPC
3、的钢筋不发生锈蚀，MKPC的钢筋产生锈蚀；但在56d时,OPC和MKPC的钢筋均未发现进一步锈蚀。3d时基准组LM13的电阻率较小，钢筋产生锈蚀；P/M减小使电阻率增大，钢筋锈蚀程度减小；硅灰的掺入使电阻率增大，钢筋锈蚀程度减小；粉煤灰的掺入略微降低电阻率，钢筋的锈蚀程度略加重。但MKPC的56d时电阻率增大，钢筋的锈蚀停止。减小P/M和掺入硅灰有利于减轻锈蚀，粉煤灰对锈蚀影响不大。4、通电加速锈蚀时，对普通硅酸盐水泥OPC中的钢筋，加速锈蚀效果较强,4d内OPC胀裂；而LM13的加速锈蚀效果较弱，28d内未胀裂。P/M增大使得加速锈蚀效果明显；硅灰掺量增大使加速锈蚀效果减弱；粉煤灰掺量的增加
4、使加速锈蚀的效果更明显。减小P/M有利于减轻钢筋加速锈蚀效果，但是过低的P/M会使MKPC力学强度降低，将不利抗裂。关键词：MKPC；PH值；电阻率；钢筋锈蚀机理StudyonSteelCorrosionMechanismofMagnesium-potassiumPhosphateCementAbstractMagnesium-potassiumphosphatecement(MKPC)hasmanyadvantages,suchasfastharding,earlyhighstrengthandexcellentsteelprotectingablitily.Thereisahugepote
5、ntialfordevelopmentintheapplicationofstructuralengineering.Butbecauseitshydrationmechanismandcementmaterialsaresospecial,MKPCsteelbarcorrosionmechanismremainstoberevealed.ThispapermainlystudiesthepHvalueandresistivityofMKPC;ThecorrosioncurrentdensityandcorrosionpotentialofsteelinMKPC;theabilityagain
6、stcracksbysteelcorroisoninMKPCwasevaluatedbythecorrosionaccelerationexperiment.ThemicrostructuresofsteelinMKPCwereinvestigatedthoughXRDandSEM-EDS.Themainconclusionsareasfollows:1. Beforeinitialsetting,theslurryofMKPCisacidic,andtheslurrycorrodessteel.Afterthat,porefluidpHvalueofLM13is9.8at3d;itisupt
7、o10.3at56d;withP/Mbeinghigher,thepHvalueof3dincreases;withaddingsilicafume,thepHvalueof3ddecreases;withaddingflyash,thepHvalueof3dincreases.AllofthepHvaluesareabout10.3at56d.Inthislowalkalinityenvironment,thesteelcannotformapassivationfilmonthesurface.2. MKPChasresistivitywithearlyrapidgrowth,andlat
8、elyitbecomesstable.TheresistivityofLM13is550mat3d,1100mat56d.TheP/Mislower,theresistivityisgreater.Addingsilicafumeimprovestheresistivity.Addingflyashslightlyonlylowerstheresistivityof3dwithlittleinfluencesat56d.TheresistivityenhancesMKPCobstructingabilityagainstIonmigrationthatcankeepsteelfromcorro
9、sion.3. At3dsteelinOPCremainsuncorroded,steelinMKPCremainscorroded,butat56dbothofthemshownocorrosionanymore.At3dtheresistivityofLM13islow,steelhascorrosioninMKPC;LowingP/Mmakesresistivityhigher,makingcorrosionslighter;addingsilicafumehighstheresistivitythatmakescorrosionslighter.addingflyashlowsther
10、esistivitythatmakecorrosionseverer.Buttheresistivityat56disgreatmakingcorrosionstop.LowingP/Mandaddingsilicafumeisbenefittostopcorrosion,flyashhaslittleinfluenceoncorrosion.4. Intheconstantvoltageacceleratingcorrosionexperiment,steelcorrosioninOPCisacceleratedwithappearanteffectswithcracksafter4days
11、whiletheLM13haslittleeffectswithoutcrackedin28days.HighingP/Mmakescorroisonaccelerationmoreeffective;addingsilicafumemakescorrosionlesseffective;addingflyashmakescorrosionmoreeffective;LowingP/Misbenefittobeingagainstcorrosionacceleration,butexcessivelylowP/MiseasilytomakingcracksKeywords:magnesium
12、potassiumphosphatecement,pHvalue,resistivity,steelcorrosionmechanism目录中文摘要IAbstractII目录IV第一章绪论11.1 研究背景11.2 钢筋锈蚀的研究现状21.2.1 钢筋锈蚀机理21.2.2 温湿度对钢筋锈蚀的影响31.2.3 氯离子浓度对钢筋锈蚀的影响41.2.4 PH值对钢筋锈蚀的影响41.2.5 电阻率对钢筋锈蚀的影响51.3 研究内容及技术路线71.4 本课题的特色与创新之处10第二章试验原材料、配合比及水泥基本力学性能112.1 原材料112.1.1 普通硅酸盐水泥112.1.2 氧化镁112.1.3
13、 磷酸二氢钾122.1.4 试验用水122.1.5 缓凝剂122.1.6 粉煤灰122.1.7 硅灰132.1.8 钢筋132.2 试验配合比及水泥凝结时间和基本力学性能14第三章磷酸钾镁水泥的PH值和电阻率183.1 引言183.2 磷酸钾镁水泥的PH值183.2.1 测试方法183.2.2 磷酸钾镁水泥初凝前浆体的PH值193.2.3 磷酸钾镁水泥的孔隙液PH值223.3 磷酸钾镁水泥电阻率研究243.3.1 电阻率测试方法243.3.2 磷镁比对电阻率的影响263.3.3 硅灰掺量对电阻率的影响273.3.4 粉煤灰掺量对电阻率的影响283.4 本章小结29第四章磷酸钾镁水泥中钢筋电化学
14、腐蚀试验研究304.1 弓I言304.2 线性极化法试验方法和试件制作304.2.1 试件制作304.2.2 钢筋的线性极化法测试方法314.2.3 极化曲线中的参数与钢筋锈蚀的关系334.3 磷酸钾镁水泥模拟孔隙液中的钢筋腐蚀行为研究354.4 磷酸钾镁水泥中钢筋锈蚀行为研究404.4.1 磷镁比对钢筋锈蚀的影响404.4.2 硅灰掺量对钢筋锈蚀的影响454.4.3 粉煤灰掺量对钢筋锈蚀的影响494.5 磷酸钾镁水泥中钢筋通电加速锈蚀研究524.5.1 通电加速锈蚀测试方法524.5.2 磷镁比对钢筋加速锈蚀的影响544.5.3 硅灰掺量对钢筋加速锈蚀的影响574.5.4 粉煤灰掺量对钢筋加
15、速锈蚀的影响584.6 本章小结58第五章磷酸钾镁水泥中钢筋锈蚀的计算模型605.1 引言605.2 磷酸镁水泥中钢筋的腐蚀电流密度605.2.1 腐蚀电流密度的基本计算公式605.2.2 腐蚀电流密度的调整系数615.2.3 腐蚀电流密度的计算模型635.3 磷酸镁水泥中钢筋的腐蚀电位665.3.1 腐蚀电位的基本计算公式665.3.2 腐蚀电位的调整系数665.3.3 腐蚀电位的计算模型675.4 钢筋的锈蚀质量计算675.5 钢筋的腐蚀电流密度和腐蚀电位的关系705.6 通电加速锈蚀下的钢筋保护层锈胀开裂的计算模型705.7 本章小结72第六章磷酸钾镁水泥中钢筋锈蚀的微观试验及机理分析7
16、46.1 引言746.2 微观试验746.2.1 XRD分析756.2.2 SEM分析776.3 磷酸钾镁水泥钢筋锈蚀机理分析866.3.1 磷酸钾镁水泥中钢筋锈蚀过程及机理分析866.3.2 MKPC的磷镁比、硅灰粉煤灰掺量对钢筋锈蚀的影响906.4 本章小结95结论与展望96结论96展望98参考文献99第一章绪论1.1 研究背景自从1880-1890年第一批钢筋混凝土结构问世以来便受到普遍的关注，钢筋混凝土已经成为建筑工程中最主要的材料之一山。钢筋混凝土结构同时具备混凝土与钢筋两者的优点;构件强度高，刚度大，耐久性和耐火性好，节约钢材，降低造价，钢筋混凝土结构被广泛应用于房屋建筑、水利设施
17、和海洋开发等工程,是目前应用最为流行的结构E3无论是水泥材料还是混凝土，其均具备稳定的化学性质包裹保护钢筋，使得钢筋隔绝空气中的水分和氧气，有利于钢筋防锈。普通硅酸盐水泥（OPC）钢筋的应用较为普遍，OPC的钢筋锈蚀早已研究得十分成熟。理论也十分丰富。但是其他种类的钢筋水泥也有应用，例如硫铝酸盐水泥钢筋结构在海洋工程中的应用以镁水泥钢筋混凝土盐卤侵蚀土壤的工程应用，这些水泥某些方面的护筋的效果不亚于普通水泥。磷酸镁水泥（MKPC）是一种早强新型类陶瓷的胶凝材料。由于其特有的性能，如凝结硬化快、抗酸碱盐侵蚀能力好、强度和体积稳定性高、粘结性强、耐久性好、抗盐冻性能高，耐磨性高等，引起工程界的广泛
18、关注，博得建筑业和施工单位的欢迎。MKPC是以MgO和KH2PO4作为基本原料，其主要水化产物是MgKP46H2O,水化过程的反应方程式可用下面的式子表示9(I-I)MgO+KH2PO4+5H2O=MgKPO46H2O图1-1MgKPO46H2O的结构Figure1-1ThestructureofMgKPO46H2OMgKPO46H2O的结构可表示如图1-1,水化产物MgKPO46H2O的结构是以磷酸根四面体、六水合氧化镁八面体和钾离子结合而成，钾离子与底部的四个水分子松散连接，而与一个磷酸根四面体顶点的氧原子紧密连接。MKPC的强度来源于其自身水化产物MgKP46H2O的粘结强度,MKPC水
19、化反应主要是MgO在水中溶解生成Mg(OH)2,水化反应提供Mg?+；KH2PO4溶解之后为水化反应提供PO?,从而先形成式1-1的酸碱中和反应。反应到后期水化产物形态逐渐变成非常致密的片状搭接结构。从而MgKPO46H2O在水泥内部形成粘结网，使得磷酸钾镁水泥拥有力学强度。目前，随着MKPC的研究不断深入，许多学者发现，磷酸镁水泥的护筋性良好。甄树聪等口1对由磷酸镁水泥为胶结材料制备的砂浆长期浸泡在饱和氯化钠溶液和海水中的氯离子渗透进行研究，氯离子渗透性能评价结果显示磷酸钾镁水泥砂浆的抗渗性能好于普通水泥砂浆。甄树聪还用试验探究磷酸镁水泥的护筋性能，用相近强度的普通硅酸盐水泥砂浆、掺矿渣的硅
20、酸盐水泥砂浆与磷酸镁水泥基砂浆对比，发现磷酸镁水泥的钢筋防锈性能优于普通硅酸盐水泥。常远口2发现MKPC的酸碱比(磷酸二氢钾与氧化镁的质量比值，简写为P/M)越小，MKPC抗钢筋锈蚀性能越好。低P/M还间接提高MKPC的早期碱度；同时他还认为掺有硅灰和粉煤灰的MKPC试件的护筋性能更稳定。这些掺合料使MKPC的磷酸盐分布更为均匀，使得和氧化镁的反应更彻底，MgKP46H2O的生成量增加，使得MKPC中残留磷酸盐量减小，使钢筋在MKPC中的极化电阻稳定。在钢筋锈蚀机理上,杨全兵等口3,14推测磷酸镁水泥基材在钢筋表面形成致密的磷酸铁类化合物，类似磷化膜。李有光等发现P/M较高时，MKPC开始水化
21、时的体系环境偏酸性，能够在钢筋表面反应生成一定的腐蚀层，保护钢筋，这也是众多研究者推测MKPC具备较好护筋性能的原因，然而，从他的观点来看,这极其特殊，仅限于高P/M值，而且该情况下的MKPC的物理性能差，缺少实际价值。且他认为MKPC护筋性能优异不是钢筋表面形成磷化膜，而是钢筋和MKPC在交界面形成致密的粘结层。虽然磷酸镁水泥的护筋性能良好，但是原因解释上却鲜有成果，MKPC中的钢筋锈蚀及变化模型也缺少系统的数据，同时学术界对于磷酸镁水泥中的钢筋锈蚀的机理争论也较大，尚未有统一的结论。磷酸钾镁水泥中的钢筋锈蚀机理尚有待揭示。12钢筋锈蚀的研究现状1.2 .1钢筋锈蚀机理混凝土中钢筋锈蚀时，其
22、纵向存在电位差，则会在钢筋和水化水泥浆附近产生电化学电池：形成阴极和阳极区域，由电解质相互联通。阳极带正电荷的Fe?+进入溶液中，带负电荷的自由电子D通过钢筋向阴极迁移，自由电子在阴极被电解质吸收并与水和氧气形成氢氧根离子OH。OH-透过电解质与Fe?+结合，进一步被氧化后转化成Fe(OH)3,如图1-2。发生的化学反应如下：阳极反应：FeFe2+2e(1-2)Fe2+2OHFe(OH)2(氢氧化亚铁)(1-3)4Fe(OH)2+H2O+O24Fe(OH)3(氢氧化铁)(1-4)阴极反应：4e+O2+2H2O40H-(1-5)Figure1-2Electrochemicalcorrosiono
23、freinforcement钢筋的锈蚀是一个动态的化学过程，其腐蚀电流密度随时间是下降的口叫其锈蚀速率除受到自身材料和环境因素所控制。主要包括温湿度、氯离子浓度、PH值和电阻率等因素口力。1.2.2 温湿度对钢筋锈蚀的影响随着环境温度的提高，混凝土中钢筋锈蚀速率会提高口明当环境湿度达到50%60%时，钢筋就发生电化学腐蚀；随着湿度的提高钢筋锈蚀速率也会提高当湿度增大到一定程度后，再提高湿度钢筋锈蚀速率将不再提高口叫李果等DO认为环境的温湿度显著的影响着受到混凝土中钢筋腐蚀电流密度。环境温度不变，环境湿度越大，钢筋腐蚀速率增长越快。环境湿度不变，随着温度逐渐增加,当环境在40以下时，增加环境温度
24、显著增加锈蚀率，在40以上增加温度，锈蚀锈蚀速率反而降低，当温度较高时，混凝土的含氧量迅速降低所导致。图1-3外界温度与钢筋锈蚀之间关系Figure1-3Theconnectionbetweentemperationandcorrosionrate1.2.3 氯离子浓度对钢筋锈蚀的影响氯离子会促进钢筋的锈蚀它使混凝土吸潮返卤，钢筋保护层孔隙的含水率迅速增大，离子通道阻力减小，降低电阻率，强化离子通路22,氯离子在钢筋锈蚀过程中会搬运其表面蚀坑里的阳极锈蚀产物，使蚀坑扩大，激活更多的阳极区，从而加速锈蚀的进程。且氯离子在钢筋锈蚀过程重复循环利用，不被消耗，因而氯化物一旦入侵，后果十分严重。TLi
25、u和R.W.Weyers认为氯离子含量越大，钢筋锈蚀越严重，并通过试验得到氯离子含量和钢筋腐蚀速率的关系，认为氯离子深度和锈蚀率成正比2叫同时氯离子引起钢筋锈蚀的机制主要有局部酸化作用、形成“活化-钝化”腐蚀原电池、催化作用、降低混凝土电阻率的作用。P.B.Bamforth,认为混凝土氯离子含量和钢筋的腐蚀速率呈指数关系。CR=aebCx(i-6)式中：Cr钢筋腐蚀速率(m年)G氯离子浓度a,b常数该模型反应钢筋锈蚀速率和氯离子浓度的关系，虽然缺少对其他影响因素的考虑，但是至少得出氯离子含量对钢筋锈蚀影响的模型。1.2.4 pH值对钢筋锈蚀的影响PH值是钢筋锈蚀的主控因素之一，PH值和钢筋锈蚀
26、息息相关。国外如苏联、日本、以色列等对PH值与钢筋锈蚀的关系都得出比较一致的结论，pH值越大,则钢筋的锈蚀速率越低，PH值越小，钢筋的锈蚀速率越高。试验表明，在氧和水蒸汽存在时，当pHll时，锈蚀速率很低，当pH=510,锈蚀速率变快，在pH5时，钢筋锈蚀很严重田。汤川宪一25测定空气饱和水溶液中钢筋腐蚀速率和对应的PH值，为便于比较，将试验数据绘制如图1-4。IEaCo-Wobool-40C溶液；2-20溶液（试验取两个月的平均值，平均02浓度是5毫升/升）图1-4钢筋在不同PH值介质下的腐蚀速率Figure1-4Steelcorrosionrateunderthecircumstancew
27、ithdifferentpH图1-4可见，当pH11时腐蚀速率随着PH值的增大显著减小。普通硅酸盐水泥的孔隙液有很高的PH值，钢筋早期基本不锈蚀，水化4小时后，钢筋的腐蚀电流密度为0.1ACm2,而大气环境下碳钢的腐蚀电流密度为50-150Acm2M但是普通硅酸盐水泥的PH值并不是保持不变。当混凝土受到碳化侵蚀时27,PH值逐渐降低。混凝土受到冻融循环时，其孔隙液PH值下降2%当受到氯盐入侵，混凝土的PH值下降。PH值的下降无疑放大钢筋的腐蚀电流密度，使得其剧烈增加。如果水泥材料是低碱度水泥，那么开始水化后的腐蚀电流密度就很大,钢筋就锈蚀。例如,硫铝酸盐水泥的初始孔隙液PH值=10.7左右，水
28、化液相PH值偏低，钢筋在此水泥中就锈蚀了。水化4小时后，钢筋的腐蚀电流密度达到25ACm2,其腐蚀电位基本处于较为负向值，说明其中钢筋锈蚀较为活跃。劈开水化4小时后的试件，取出钢筋，发现钢筋表面也有明显锈点。同样对于碱度比较低的磷铝酸盐水泥，其内部钢筋也有微量锈蚀2叫PH值越小钢筋的腐蚀电流密度越大，PH值对钢筋锈蚀的影响非常大，是钢筋锈蚀的重点研究内容。1.2.5 电阻率对钢筋锈蚀的影响钢筋锈蚀本质上作为原电池反应，其周围介质的电阻率对其的影响是不可忽视的。蒋乃华口6发现混凝土电阻率对钢筋锈蚀有很大的影响。混凝土电阻率的减小，降低钢筋原电池阴阳极之间的阻力，使得钢筋锈蚀原电池的反应更容易进行
29、耿欧口力根据钢筋锈蚀阴阳极极化曲线的变化规律,建立混凝土电阻率影响的钢筋锈蚀速率模型，电阻率越大钢筋的锈蚀速率越小。TOmLOrentZ等人W研究掺硅灰混凝土的钢筋锈蚀，结果发现硅灰的加入有效提高混凝土电阻率，降低钢筋的腐蚀电流。Z.BazantW,32提出钢筋锈蚀的电化学反应中，电阻率影响的是电化学反应的腐蚀电流，认为电阻率与腐蚀速率成反比关系，考虑到混凝土电阻率对钢筋腐蚀的影响，建立了钢筋腐蚀速率与混凝土电阻率的关系模型图：式中：Re材料的电阻率，mCr钢筋腐蚀速率，m年Z.Bazant所提出的模型是对海洋环境中钢筋混凝土的钢筋腐蚀速率研究后得出的，式1-7反映了混凝土电阻率对钢筋腐蚀速
30、率的影响。TliU和RW.Weyers对混凝土电阻值实行长达5年的测试，建立试件成型时非耦合状态下的钢筋腐蚀速率模型。T.Liu和R.W.Weyers认为，钢筋的腐蚀电流密度的自然对数和电阻率有线性回归关系。聂志虎M研究发现，钢筋的失重率随混凝土电阻率的增大而减小，根据试验结果，他认为电阻率和钢筋腐蚀率呈对数关系：He=1ln(x)+Z?(1-8)式中：Re混凝土的电阻率，QmX钢筋腐蚀率；a，b常数尽管电阻率对腐蚀速率的影响在钢筋锈蚀模型中存在争议，但是，混凝土电阻率与钢筋腐蚀速率有对立关系却是公认的事实。混凝土电阻率决定着混凝土内离子的导电性能。混凝土电阻率越低，混凝土内钢筋锈蚀速率越高3
31、5-3力，表1/给出在工程上不同混凝土电阻率可能对应的钢筋锈蚀程度。表1-1混凝土电阻率与钢筋锈蚀概率表Table1-1Theconnectionbetweenconcreteresistivityandcorrosionsituationofsteelbars混凝土电阻率/Qm钢筋锈蚀危险程度1000以上即使混凝土已碳化或被盐污染，钢筋锈蚀速率也很低1001000钢筋锈蚀速率：中等高100混凝土电阻率并非钢筋锈蚀速率的控制因素1.3研究内容及技术路线众所周知，磷酸镁水泥的孔隙液PH值较低，其水泥浆体滤液的PH值经测试在910之间波动W,这使得钢筋在MKPC中很有可能锈蚀，且PH值越低,对钢筋
32、的腐蚀速率影响越大。所以低PH值作为磷酸镁水泥的特性之一，也是钢筋锈蚀主要的研究对象。其次电阻率和钢筋的锈蚀存在紧密联系。阎培渝M认为当钢筋在水泥中没有形成钝化膜时，只要混凝土是处于干燥状态,钢筋锈蚀反应就是混凝土电阻控制。对比实际，MKPC是低水灰比水泥，内部的孔隙相对于OPC更为干燥，含水率更少，其电阻率的影响应占绝大部分。MKPC中钢筋的锈蚀速率即使有其他影响因素，但电阻率仍是主控制因素后叫而MKPC的电阻率较高4叫根据表1-1,MKPC对钢筋锈蚀的影响，受控于电阻率。本文的研究内容如下：1、研究磷酸钾镁水泥的PH值测试不同时期MKPC的孔隙液PH值,并模拟相同条件下的孔隙液中的钢筋,来
33、测试腐蚀电流密度和腐蚀电位，建立PH值和孔隙液钢筋腐蚀电流密度的模型关系。2、测定磷酸镁水泥的电阻率测试不同时期的MKPC电阻率，建立不同龄期下的电阻率发展模型，并测试相同龄期对应的MKPC中钢筋的腐蚀电流密度和腐蚀电位。建立电阻率和钢筋腐蚀电流密度，腐蚀电位的关系模型。4、研究MKPC中钢筋腐蚀电流密度和腐蚀电位变化规律测试MKPC中钢筋的腐蚀电流密度和腐蚀电位的规律，并考虑同在电阻率和PH值的影响下建立锈蚀模型。5、微观试验通过XRD和SEM-EDS观察解释MKPC的锈蚀机理。6、机理分析根据已有宏观试验结果，对MKPC进行微观试验(XRD,SEM-EDS)解释其钢筋锈蚀的机理。国内外研究
34、现状磷酸钾镁水泥钢筋锈蚀机理研究变化参数磷镁比理能究物性研孔隙液模拟硅灰掺量粉煤灰掺量钢筋电流密度筋化研钢普学A钢筋自然锈蚀钢筋腐蚀电位钢筋通电加速锈蚀钢筋锈蚀电流自然锈蚀模型钢筋锈蚀模型加速锈蚀模型微观分析结论展望L图1-5技术路线图Figure1-5Technologyroadmap钢筋锈蚀机理分析L4本课题的特色与创新之处本课题的创新点为：(1)磷酸钾镁水泥为基础材料，测试MKPC的PH值和电阻率，不同于OPC机理，本文根据MKPC的电阻率，探究电阻率和钢筋锈蚀电流密度的关系，给出电阻率保护钢筋的模型。(2)通过XRD和SEM,研究MKPC中钢筋的微观形貌和结构。并通过微观手段，综合宏观
35、现象，总结出MKPC的钢筋锈蚀机理。本课题的特色为：通过对MKPC和钢筋的宏观试验和微观试验研究，分析MKPC的磷镁比，硅灰掺量，粉煤灰掺量对钢筋锈蚀的影响。第二章试验原材料、配合比及水泥基本力学性能2.1原材料2.1.1普通硅酸盐水泥采用福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥(OrindaryPOrtlandCemen3OPC),表观密度为3050kg/nP,比表面积为360m1.2氧化镁/kgo水泥各项性能指和组分见表2-1和表22。表2-1普通硅酸盐水泥组分Table2-1OrdinaryPortlandcementcomponents水泥组分熟料二水石膏粉煤灰石灰石矿渣含量()82.55.
36、54.04.04.0表2-2普通硅酸盐水泥各项性能指标Table2-2OrdinaryPortlandcementperformance比表面积烧失量凝结时间(min)(m氧化镁粉，MgO,生产地位于辽宁省，生产商是海城市群利矿业有限公司,其化学成分见表2-3,其表观见图2-1。kg)(%)初凝终凝3601.06125185图2-1Mgo粉实物图Figure2-1MgOpowder表2-3Mgo粉的组成()Table2-3MgOpowderingredient(%)MgOSiO2CaOAI2O3Fe2O3loss92.552.682.540.60.960.272.1.3磷酸二氢钾磷酸二氢钾，分
37、子式为：KH2PO4,来自福州台江区品杰试验仪器有限公司，工业级，KH2PO4的有效含量N98%。2.1.4试验用水本试验使用的水取自福州市城市闽江自来水。2.1.5缓凝剂硼砂，化学式：Na2B4O7-IOH2O,工业级，Na2B4O7-IOH2O含量三95%,由福州台江区品杰试验仪器有限公司生产。本试验为有足够搅拌MKPC的缓凝时间，默认在配料中掺入5%于Mgo质量的硼砂。2.1.6粉煤灰采用福州双腾建材有限公司提供的F级粉煤灰，平均粒径Ifa为12.504m,表观密度LB为2376kgm3,堆积密度Pfa为882kgm3,其主要粒径分布在0.5m100m0具体化学成分见表2-4。表2-4粉
38、煤灰主要化学成分Table2-4Themainchemicalcompositionofflyash成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OSO3烧失量含量/%50.0224.964.467.521.470.781.081.064.012.1.7硅灰硅灰来自于西宁铁合金厂，硅灰粒径为0.102m,其平均粒径%为0.162m,表观密度PSF为2285kg/n?,堆积密度PSF为204kg/nr3,具体化学成分见表2-5o表2-5硅灰主要化学成分Table2-5Mainchemicalcompositionofsilicafume成分SiO2f*e23MgOAl2O3CaOK2O
39、KCl烧失量含量（）97.570.020.050.060.030.780.382.262.1.8钢筋本试验采用两种钢筋，分别是普通碳素钢筋和304不锈钢筋，分别用作电化学测试的工作电极和辅助电极，两钢筋的化学成分见表2-6。表2-6普通碳素钢筋和不锈钢筋的化学成分Table2-6Chemicalcompositionofcarbonsteelandstainlesssteel化学成分碳锦磷硫硅铭银普通碳素钢（）0.09-0.150.25-0.550.0450.050.30.000.00304不锈钢（%）0.082.000.0450.031.018.0-20.08.0-11.0其中普通碳素钢筋和
40、不锈钢筋的直径均为6mm。钢筋长度均切割为9cm。钢筋详见图2-2。钢筋的初始质量为18g。（八）不锈钢筋图2-2试验中的两种钢筋Figure2-2Twokindsofsteel2. 2试验配合比及水泥凝结时间和基本力学性能试验配合比如表2-7所示。表2-7试验配合比Table2-7Experimentdesign变量组别P/MW/C粉煤灰掺量(%)硅灰掺量(%)备注OPC一0.3000普通硅酸盐水泥LMll1/10.1600LM121/20.1600磷酸钾镁水泥LM13(基准组)1/30.1600(MKPC)LM141/40.1600LM151/50.1600GH051/30.1605GHl
41、O1/30.16010MKPC单掺硅灰GH151/30.16015GH201/30.16020F051/30.1650FlO1/30.16100MKPC单掺粉煤灰F151/30.16150F201/30.16200注：P/M为KH2PO4质量与Mgo质量之比，；W/C为用水质量与(Mge)+KH2PO4+掺合料)三者之和的比值；OPC为普通硅酸盐水泥，OPC没有P/M,OPC的W/C为用水质量与硅酸盐水泥熟料质量的比值。掺合料掺量为占(MgO+KH2PO4+掺合料)三者质量之和的百分数按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准刈方法，测定各配合比在规定龄期的抗压强度(100
42、mnlX100nInIX100nIm)和劈裂抗拉强度(100mm100mm100mm),测试的龄期为3d、7d、28d。试块立方体抗压强度和劈拉强度操作如图2-3所示。（八）立方体抗压试验(b)劈裂抗拉试验图2-3水泥的力学强度试验Figure2-3Mechanicalstrengthtestofcement根据GB/T13462011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法U?,使用维卡仪测定MKPC浆体的凝结时间，由于MKPC凝结速率太快，搅拌时间要控制3分钟之内，初始阶段每隔30秒钟测一次，临近初凝时每隔15秒钟测一次。考虑到MKPC浆体的初、终凝时间间隔很短，试验中主要测定初凝时间
43、并作为MKPC浆体的凝结时间，具体见表2-8。图2-4凝结时间的测定Figure2-4Thetestofinitialsettingtime表2-8水泥力学性能及凝结时间Table2-8Mechanicalstrengthofcement组别抗压强度(MPa)28d劈裂抗拉强度(MPa)初凝时间(min)3d7d28dLMll30.136.942.22.02.3LM1233.045.848.92.52.5LM1343.849.752.63.13.2LM1438.145.747.22.42.1LM1528.833.334.11.81.9OPC27.537.545.22.3124.0GH0535
44、944.547.33.93.5GHlO37.145.449.04.73.8GH1543.649.453.44.43.7GH2037.942.752.33.22.7F0538.740.441.82.93.0FlO32.837.438.12.83.1F1532.835.037.52.63.3F2031.832.334.72.53.6MKPC性能改善试验常用的掺合料有粉煤灰以及硅灰,这类掺合料均含有活性SiO2,一定条件下能够跟水泥浆体中未反应的Mg?+反应生成耐水性较好的MgSiO3,从而阻塞水泥浆体内的毛细孔道，细化浆体孔结构。而且掺合料颗粒细小，表面光滑，能够较好的填充水泥浆体，增加水泥浆体
45、的密实度，从而提高其抗渗性能。其中，对于粉煤灰的研究是最多的，粉煤灰是从燃煤电厂烟道气体中收集的细灰，属于工业废弃物，目前已在普通水泥混凝土中广泛应用。磷酸钾镁水泥基材料属于特种水泥材料，价格较普通水泥贵，期望粉煤灰的加入不仅一定程度上降低成本，调节MKPC的颜色与普通水泥颜色一致，增加舒适度，而且同时改善综合性能。硅灰与水泥制品的其它掺合料相比，SiCh的含量非常大。从微观电镜可以发现，硅灰的SiCh是非晶质物质，属于无定型结构，它的物质质点处于能量不平衡的点上，具备了化学不稳定性，所以硅灰是一种活性非常高的火山质材料.而它的主要品质指标是SiO2的含量和细度模数。Sio2含量越高,细度模数越小，那么它对水泥制品的改性作用也越明显。本论文选择基准配合比P/M取1/3,W/C取0.16的基础上（MKPC力学性能和强度能最优），采用内掺的方式，用粉煤灰和硅灰单掺的方式，研究不同种类的掺合
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