遷移性阻銹劑——制備、性能及其在混凝土結構耐久性提升中的應用

1緒論1
1.1阻鏽劑的定義與分類2
1.2遷移性阻鏽劑（MCI）的產生與發展4
1.3遷移性阻鏽劑的評價方法5
1.4遷移性阻鏽劑應用研究進展7
參考文獻11

2遷移性阻鏽劑的分子與組成設計原理16
2.1有機阻鏽劑設計基礎16
2.1.1有機化合物的酸堿理論16
2.1.2有機化合物的電子效應17
2.1.3有機化合物的官能團結構17
2.1.4有機阻鏽劑的作用原理19
2.2MCI分子與組成設計21
2.2.1MCI分子設計25
2.2.2MCI組成設計26
參考文獻28

3遷移性阻鏽劑在鋼材表面吸附行為表徵及機理分析30
3.1MCI在氯鹽溶液中的阻鏽性能30
3.1.1MCI阻鏽性能測試方法30
3.1.2電化學分析MCI阻鏽性能37
3.2MCI在鋼材表面的吸附與表徵40
3.2.1吸附的基本理論40
3.2.2MCI在鋼材表面的吸附等溫式42
3.2.3MCI在鋼材表面吸附熱力學分析47
3.2.4MCI在鋼材表面吸附形貌分析——AFM49
3.2.5MCI在鋼材表面元素分析——XPS53
3.3MCI的量子化學分析與阻鏽修復機理58
3.3.1阻鏽劑的量子化學研究進展58
3.3.2量化計算的方法和模型58
3.3.3量化計算結果與阻鏽機理分析59
參考文獻62

4遷移性阻鏽劑在混凝土中傳輸性能及表徵69
4.1混凝土的微結構69
4.1.1集料相的微結構69
4.1.2水化水泥漿體中的固相70
4.1.3水化水泥漿體中的水71
4.1.4水化水泥漿體中的孔結構71
4.1.5水化水泥漿體與集料的介面結構73
4.2水分在混凝土中的傳輸74
4.2.1介質傳輸基本理論73
4.2.2水分在混凝土中的傳輸機理78
4.2.3水分傳輸模型79
4.3MCI在混凝土中的傳輸模型81
4.3.1傳輸方程82
4.3.2傳輸試驗與數值模擬85
4.3.3影響MCI傳輸的因素分析101
4.3.4優化後MCI（PCI-2015）的傳輸性能103
4.4MCI在混凝土中的傳輸性能及表徵106
4.4.1飽和MCI(PCI-2015)一維滲透及凱氏定氮法106
4.4.2飽和MCI(PCI-2016)一維滲透的核磁成像技術108
4.4.3表面塗覆(不飽和)MCI在混凝土中的傳輸性能表徵110
參考文獻111

5應用遷移性阻鏽劑修復含氯鹽混凝土中鋼筋量化模型及軟體115
5.1MCI修復含氯鹽砂漿中銹蝕鋼筋量化關係115
5.1.1砂漿中鋼筋腐蝕電流測試115
5.1.2砂漿試件中游離氯離子含量測試118
5.1.3計算鋼筋介面區MCI濃度119
5.1.4多元非線性回歸分析方法121
5.1.5量化關係建立123
5.2MCI計算軟體編制127
5.2.1軟體發展過程127
5.2.2軟體操作與計算介面介紹132
參考文獻135

6表面塗覆遷移性阻鏽劑在修復含氯鹽混凝土中鋼筋的應用研究137
6.1MCI應用軟體的試驗驗證137
6.1.1試驗原材料與配合比137
6.1.2MCI應用軟體計算結果138
6.1.3表面塗覆計算MCI塗覆量混凝土中鋼筋銹蝕分析139
6.2表面塗覆定量MCI對混凝土中鋼筋銹蝕的影響146
6.2.1鋼筋LPR和Icorr的變化146
6.2.2鋼筋EIS的變化148
6.3表面塗覆MCI對混凝土氯離子擴散係數的影響153
6.4鹽水浸烘條件下MCI對混凝土中鋼筋防護性能及銹蝕表徵154
6.4.1三維測量技術及在鋼筋銹蝕表徵中的應用154
6.4.2鋼筋表面銹蝕面積表徵的試驗研究157
6.4.3銹蝕鋼筋橫截面積分布規律160
6.4.4MCI防護效果評價163
參考文獻163

7遷移性阻鏽劑對使鋼筋銹蝕氯離子閾值及服役壽命的影響165
7.1混凝土中鋼筋銹蝕機理探討165
7.1.1鋼筋電化學腐蝕的基本條件165
7.1.2混凝土中鋼筋腐蝕機理165
7.2混凝土中使鋼筋脫鈍化氯離子臨界值研究進展169
7.3MCI與使鋼筋脫鈍化、再鈍化的氯鹽濃度的關係176
7.3.1MCI濃度與臨界氯鹽濃度的相關關係177
7.3.2氯鹽濃度與MCI修復濃度的相關關係178
7.4混凝土結構服役壽命問題179
7.4.1海工混凝土服役壽命計算方法179
7.4.2氯離子閾值濃度對混凝土結構服役壽命的影響182
7.4.3混凝土結構耐久性提升技術應用指南183
參考文獻185

8遷移性阻鏽劑的工程應用191
8.1MCI在混凝土結構耐久性修復工程中的應用191
8.1.1MCI修復加固施工方法191
8.1.2MCI在水利渡槽耐久性修復工程中的應用193
8.1.3MCI在電網建設工程耐久性提升中的應用197
8.2MCI在灌漿中的應用199
8.2.1預應力鋼索及其防護199
8.2.2灌漿料200
8.2.3MCI在預應力拉索灌漿工程中的應用202
8.3聚合物水泥基防腐鋼筋塗層在沿海混凝土結構中的應用203
8.3.1防腐塗層及塗裝工藝203
8.3.2塗層在鋼筋防護工程中的應用204
參考文獻207

鋼筋銹蝕是導致混凝土結構耐久性退化的主要原因，處於海洋環境和撒除冰鹽的混凝土結構中鋼筋很容易遭受氯鹽腐蝕，因鋼筋銹蝕引起混凝土結構過早破壞已成為世界各國普遍關注的災害。腐蝕後的鋼筋混凝土結構不僅承載力降低，而且由於鋼筋體積膨脹使保護層混凝土開裂，不但威脅結構安全，而且會降低服役壽命，大量結構不得不因此被拆除或重建，造成重大的經濟損失及資源與能源的浪費。海岸線較長,跨海大橋和海底隧道建設正蓬勃發展，北方地區的道路橋樑仍大量使用氯鹽作為除冰鹽，目前工程中存在的腐蝕狀況令人擔憂，未來潛在的威脅更不可低估。尋找能夠有效阻止或減緩嚴酷環境下混凝土結構中鋼筋銹蝕的方法已成為當今世界的熱點問題。防止混凝土結構中的鋼筋過快銹蝕和使初鏽鋼筋得以修復就成為混凝土結構耐久性保持及提升研究和應用中的一個重要課題，這對於社會經濟與環境資源的可持續發展具有重要意義。

使用鋼筋阻鏽劑是混凝土結構防腐的一種公認有效的措施，對新建工程在新拌混凝土以外加劑形式加入，但對於現役混凝土結構中鋼筋防護修復則顯得較為困難，傳統的“不上藥”結構加固方式對於銹蝕鋼筋持續發展能為力。將有機阻鏽劑應用於現役混凝土結構中進行鋼筋防護源於美國，由於可通過混凝土孔隙以液相和氣相擴散到鋼筋表面形成吸附膜產生阻鏽效果，因而命名為遷移性阻鏽劑(MCI)或滲透性阻鏽劑（PCI）。經過多年研究和工程實踐，國際上已經確認是一種有效的腐蝕控制方法。目前國外的MCI在有應用，但因價格十分昂貴難以為廣大市場接受；同時也由於某些產品在混凝土中傳輸效率有限，國際上尚MCI應用於修復損傷混凝土結構的定量化方法，且缺乏有針對性的適於現場測試的相關標準和技術規程，在一定程度上影響了MCI技術推廣和健康發展。因此研究基於MCI在混凝土中定量化傳輸模型與傳質表徵、基於傳質和阻鏽效率分析的MCI設計製備技術及相關防護與修復機理等方面的研究顯得十分必要，發展具有自主智慧財產權的新一代低成本綠色化遷移性阻鏽劑就成為一項艱巨而重要的任務。

本書結合作者及團隊多年來對遷移性阻鏽劑的研究工作成果，系統地介紹了這一領域國內外研究現狀與新進展，在研究中得到了東南大學材料科學與工程學院孫偉院士和繆昌文院士的關心、支持與幫助，受到了山東省自然科學基金、廣西科技廳攻關項目以及國家自然科學基金（51278443）等專案的資助，作者在此表示衷心的感謝。同時在工程應用中得到了水利部948專案支援和吉林省水科院鄭鐸總工程師、周繼元研究員以及廣西水科院吳保泓總工等人的協助，寫作中參考了大量國內外同行發表的研究成果和論著，特別是研究生王子瀟、于蕾、楊維斌、王坤榮、宋甯、熊遠亮、王玉帥、戶廣旗、李明利等同學協助了編寫工作，王子瀟負責部分章節的編輯工作並精心繪製了圖表，作者在此向團隊成員一併表示誠摯的謝意。

本書共分8章，重點介紹了遷移性阻鏽劑(MCI)的分子與組成設計原理、MCI在鋼材表面的吸附行為及表徵、MCI在混凝土中的傳輸模型與傳質過程、MCI修復銹蝕鋼筋機理及臨界狀態方程與電腦軟體、表面塗覆MCI對含氯鹽鋼筋混凝土耐久性的影響，最後列舉了MCI應用於嚴酷環境下工程或設備防護與修復的典型案例。如果本書能夠為從事相關工作的同行提供參考和借鑒，特別是能夠為推動嚴酷環境下混凝土結構耐久性防護修復與提升技術的發展起到一點作用的話，作者則將會感到非常欣慰。

鑒於作者水準有限、編寫時間倉促，書中難免出現不當之處，敬請讀者批評指正。

作者
2017年1月於煙臺大學