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腐蚀论文

Influenceofcorrosionontheinterfacebetweenzincphosphatesteelfiberandcement

磷酸锌钢纤维和水泥的界面处对腐蚀的影响

1M.Sun1,2,*,

2D.-J.Wen1,

3H.-W.Wang1

Articlefirstpublishedonline:

16AUG2010

DOI:

10.1002/maco.200905580

Keywords:

corrosion;interfacebond;steelfiber;zincphosphate

Abstract

Theinterfacebondbetweensteelfibersandconcretematrixisakeyfactorinfluencingbearingcapacityofsteelfiberreinforcedconcrete（SFRC）.Inordertoimprovetheinterfacebondstrengthandcorrosionresistance,akindofmethodwasputforwardbydepositingzincphosphate（ZnPh）coatingonsteelfibersurfaceinthispaper.Thecorrosionbehaviorwasinvestigatedin5%NaClsolutionbyusinglinearpolarizationmeasurement.Microstructureanalysis（SEMandEDX）andfiberpull-outtestincombinationwithlinearpolarizationmeasurementwerecarriedout.TheresultsprovethatZnPhcoatingsfabricatedonthecarbonsteelsurfacecannotonlyprotectsteelfiberagainstcorrosion,butalsoenhancethemechanicalinterlockingbondsbetweenfibersandmatrix.

摘要：

在钢纤维和混凝土基体之间的接触面粘结是对关于加强钢纤维混凝土承受能力的主要影响。

为了提高界面粘结剂的作用和防止腐蚀，本文中提到的一种方法是在钢纤维上电镀磷酸锌。

腐蚀反应的研究是通过在5%NaCl中用线性极化测量的。

显微结构分析和纤维拉长测试在和线性极化测量方面的结合已经实施。

结果证明磷酸锌涂层组合在碳棒钢铁表面不仅仅保护钢纤维防腐蚀而且会加强纤维和基质的机械连锁。

1Introduction

Mixingfiberswithconcreteisoneofthemosteffectivewaystoimproveandenhanceconcretestrengthandtoughness.Inpracticalengineering,glassfiber,polypropylenefiber,carbonsteelfiber,andstainlesssteelfiberswerecommonlyused.Carbonsteelfiber（hereinafterreferredtoas“steelfiber”）withlow-cost,highelasticmodulus,ismoresuitableforload-bearingstructure.Initspracticalapplication,inordertogivefullplaytotheroleofsteelfibersandensurethebearingcapacityofsteelfiberreinforcedconcrete（SFRC钢纤维混凝土）undererosiveenvironment（suchasmarinetidalfluctuationzoneandsplashedarea）,thecorrosionresistanceofsteelfibersandthebondstrengthbetweensteelfibersandconcretematrixneedtobefurtherenhanced.1,2

简介

纤维混凝土混合物是提高加强混凝土强度和硬度的最有效方法之一。

在实际工程中，玻璃纤维，丙纶纤维，碳钢纤维，以及不锈钢纤维都得到广泛应用。

具有低成本，高弹性的碳钢纤维用作建筑物的承载更加合适。

在碳钢纤维的实际应用中，在腐蚀环境（如海洋中潮汐涨落曲和飞溅区）下，为了充分发挥钢纤维的作用和确保钢纤维混凝土的承载能力，钢纤维的抗腐蚀能力和钢纤维与混凝土之间的粘结强度需要进一步提高。

ThepresentresearchresultsshowthatwhenSFRCisdamagedresultingfromtheexternalload,alotofsteelfibersonthefracturesurfacewillbepulledoutandnotsnapped.Theefficiencyofsteelfiberwillbeverylowbecausethepull-outstressisfarbelowthantheyieldstrengthofthesteelfiber,andthiswillgreatlyaffectthebearingcapacityofSFRC.3,4

目前的研究结果表明，当钢纤维混凝土由于外加载荷受到损坏时，在断裂表面上的许多钢纤维将会被拉出但不会拉断。

由于拉应力远远低于屈服强度，钢纤维的效率将会变得很低，这将会对钢纤维混凝土的承受能力产生极大影响。

TheengineeringpracticeandapplicationresearchalsoshowthatifSFRCworksunderseverecorrosionenvironment（suchasmarinetidalfluctuationzoneandsplashedarea）,orhassomecracksbecauseofloadsorotherfactors,thecorrosionphenomenonofsteelfiberwillemerge.Oncecorroded,thevolumeofsteelfiberwouldincreasetwotothreetimesandbringconsiderableexpansionpressuretotheconcrete,whichmayleadtothematrixcrackingofconcrete.TheactionofcarbonationandsaltwaterwillresultinoracceleratethecorrosionofsteelfiberinthecrackedSFRC.Thecorrosionofsteelswillfurtherreduceordestroythebondingstrengthbetweenthefibersandconcrete,andreducethebearingcapacityanddeformationpropertiesofSFRCcomponent.5,6

工程测试和应用研究都表明如果钢纤维混凝土在强烈的腐蚀环境下工作，或者在由于载荷或其它因素的撞击条件下，钢纤维的体积会膨大二到三倍而且会对混凝土带来相当大的膨胀压力，这将会导致混凝土破裂。

在钢纤维混凝土破裂过程中，碳酸物和盐水的作用会导致或加速钢纤维的腐蚀。

而钢纤维的腐蚀又会使钢纤维和混凝土之间的粘结强度进一步减少或毁坏，也会减少钢纤维混凝土组件的承受能力和产生形变。

Howtoimproveanti-corrosionpropertiesofsteelfiberandensuregoodadhesionbetweensteelfiberandmatrixarethecurrentpressingissues.Inthispaper,weattemptedtoresolvetheseproblemsbydepositingzinconthesteelfibersurface.ZincandmagnesiumphosphatetreatmentmethodshavebeenreportedbySugama,SommerandLeidheiser,andMorks7–9.Accordingtotheirresearchresults,ZnPhcoatingcanprovideconsiderableprotectionofsteelfiberagainstthecorrosiveattack.Comparedwiththeirresearchwork,thestudyinthispaperparticularlyfocusesontheinfluenceofcorrosionontheinterfacebetweensteelfiberandcementandthebearingcapacityofSFRC.Themicrostructureofas-received（应用基）fiberandzincphosphate（ZnPh）-treatedfiberbyscanningelectronmicroscopywasinvestigated.Electrochemicalcorrosiontestsofthesefiberswerecarriedoutrespectively.Inordertoinvestigatetheadherenceofthebondstrengthatfiber–cementinterfaces,pull-outloadoffiber-cementwasmeasured.

怎样提高钢纤维的抗腐蚀性和确保钢纤维和基体之间的高粘度是目前的紧急问题。

在本论文中，我们通过在钢纤维表面镀锌来尝试解决这些问题。

处理磷酸锌和磷酸镁的方法已经被报道。

根据他们的研究成果，磷酸锌涂层可以对钢纤维抗腐蚀破坏提供相当大的保护。

和他们的研究成果相比，这篇论文着重研究钢纤维，水泥的界面处腐蚀影响以及钢纤维混凝土的承载能力。

通过扫描电镜的观察对应用基纤维和磷酸锌处理纤维进行了研究。

这些纤维的电化学腐蚀测试是分别进行的。

为了探讨纤维——水泥界面强度的依附，对纤维——水泥的拉应力进行了测量。

2Experimentaldetails

2实验细节

2.1Materials

实验材料

Thewave-shapedfibersusedinstudyhaveacircular-sectionwiththediameterof0.66 mmandthelengthof31 mm,producedbyYixingKunwiMetalFiberCompany.ItschemicalcompositionisshowninTable1.

在研究中使用波浪状的纤维，0.66mm的直径的圆截面，长31mm，由YixingKunwi金属纤维公司生产。

它的化学成分如表1.

Table1.CompositionofsteelfibersNumberofbatch

Chemicalcomposition（%）

O6L1-16902

0.12

0.16

0.37

0.023

0.018

Acetonewasusedtowipethesteelfibersurfacetoremoveanysurfacecontaminants,andthenthesurface-cleanedsteelfiberswereimmersedintotheZnPhsolutionforaperiodoftime.Afterimmersion,thefibersurfacewasrinsedwithdeionizedwater,andthendriedtoremoveanymoisture.Subsequently,protectivefilmlayerofZnPhcanbedepositedonthesurfaceofthesteelfiber.ZnPhdepositshaveinorganiccrystalstructure,whichcanimprovethebondingstrengthandtheanti-corrosionabilityofcarbonsteelfibers.

为出去表面污物钢纤维用丙酮擦拭，然后表面净化的钢纤维在磷酸锌溶液中浸泡一段时间。

浸泡后，用去离子水冲洗纤维表面，然后弄干所有水分。

随后，在钢纤维表面涂上磷酸锌保护膜。

磷酸锌涂层是无机晶体结构，它可以改善界面强度和碳钢纤维的抗腐蚀能力。

Theimmersiondurationandthetemperatureweresetupat25 minand90 °C,respectively.

Pull-outtestspecimenswerepreparedaccordingtorules10.As-receivedsteelfibers,ZnPhsteelfibers,425ordinaryPortlandcement,standardsandof2.5 g/cm3finenessmoduluswereused.ThemixingratioisshowninTable2.

浸泡时间为25分钟，温度为90摄氏度。

拉力实验试样的准备按照规则10.应用基钢纤维，ZnPh钢纤维，425普通硅酸盐水泥，标准砂2.5克/厘米3细度模数。

表2所示的混合比例

Table2.TestmaterialsmixingratioCement（kg/m3）

Water（kg/m3）

Sand（kg/m3）

Water–Cementratio

Lime–sandratio

180

360

0.5

Thecementandsandwerefirstlymixedwithoutwater,andthenmixedwithwatercompletely.Thecementmixturewasputintothetestmoldwiththeshapelike“8”（Fig.1）,thena2.0 mm-thickplasticclapboardwasinsertedinthecentralsection.Theclapboardhasfourpoleswithequaldistanceof15 mmtofixfibersandkeepthefibersstraight.Fiberswerefixedbytheclapboard,andwereembeddedinthemiddleofthecementmixture,asshowninFig.1.Thetestmoldwasputontothevibrationplatformtovibratecompletely.

首先水泥和沙子在没有水的情况下混合，然后完全和水混合。

在水泥混合物中插入形状像8（图1）的测试模具，然后把一个厚度为2.0mm的塑料隔板插在中间截面处。

隔板距混合纤维有15mm等距的四个电极，以使纤维保持笔直。

通过隔板纤维被混合并且嵌入水泥混合物的中间，如图1所示。

将测试模具放在振动台上使其完全振动。

Figure1.Testmoldshapeandsize（cm）.

2.2Measurements

测量

Inordertodeterminethefibers'anti-corrosioncapabilityinmarinearea,NaClsolutionswasusedtosimulatetheseawaterinthetest.TheZnPh-treatedsteelfibersanduntreatedfiberswereseparatelyputintotwoequalcupsof5%NaClsolutionsatatemperatureof25 °C.Theabsorbancevaluesofthetwosolutionsweremeasuredbyspectrophotometryafteraperiodoftime.

为了确定纤维在海水中的防腐蚀能力，在实验中用NaCl溶液模仿海水。

磷酸锌处理的纤维和未经任何处理的纤维分别在25摄氏度下放入两份同样的5%NaCl溶液烧杯中。

一段时间后，用分光光度法测定两种溶液的吸收值。

Inordertosimulatefiberscorrosionbehaviorinmarineareaforlongtime,thelinearpolarizationtestwascarriedoutontwokindsoffibersrespectivelywithCHI660Celectrochemicalworkstation（producedbyShanghaiChenHuaInstrumentCompany）.Eachfiberwascoveredbyepoxycolophonywhilesettingtheplaceof3.5 mm2asideasworkingarea.Thereferenceelectrodewasasaturatedcalomelelectrodeandtheauxiliaryelectrodewasanickelplatewithanobviouslargerareathantheworkingelectrodearea.Thescanningvoltagewas−2to2 V,andscanningratewas0.01 V/S.

为了模拟长时间下纤维在海水中的腐蚀行为，两种纤维分别进行线性极化测试用CHI660C电化学工作站。

每一个纤维都用环氧树脂覆盖，在旁边留出3.5 mm2作为工作区。

参考电极为饱和甘汞电极，辅助电极是比工作电极明显大的镍板。

扫描电压为-2——2V，扫描速度为0.01 V/S.

Scanningelectronmicroscope（SEM）associatedwithenergy-dispersionX-ray（EDX）spectrometrywasusedtoobservethemicrostructureoftheas-receivedsteelfiberandZnPh-treatedsteelfiberbeforeandaftercorrosionin5%NaClsolutionfor24 hrespectively.

用有能量色散X射线的扫描电子显微镜来观察用5%NaCl溶液腐蚀24小时前后的应用基钢纤维和磷酸锌处理的钢纤维

Pull-outtestswerecarriedoutontheCSS2202electronictestingmachinewithaloadingspeedof0.5 mm/min.Thefiberpull-outloads,whichdependonbondsbetweenfiberandcementmortar,weremeasured.

在CSS2202电子测试机上以0.5 mm/min的加载速度进行拉伸实验。

测量纤维拉伸载荷取决于纤维与水泥砂浆的禁锢。

3Resultsanddiscussion

结果与讨论

3.1Thecorrosiontestofsteelfibers

钢纤维的腐蚀实验

TheabsorbancevaluesoftwosolutionschangedduringtheimmersiondurationwhichwereshowninFig.2.

Figure2.Absorbancechangein5%NaClsolutionwithfiberscorrosion;（a）as-receivedfiber,（b）ZnPh-treatedfiber.

Theoriginalsolutionwasclear,anditsabsorbancewasnearzero.Whentherustproductsinthesolutionincrease,thesolutionwillbecomemuddyanditsabsorbancewillbecomebigger.Sothequantityofrustproductsineachsolutioncanbeinvestigatedthroughthechangeofabsorbance.

Withtheincreaseinsoakingtime,thesolutionof

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