新型微纳米陶瓷涂层钢筋的制备及关键性能研究

发布时间：2017-10-09 20:26

  本文关键词：新型微纳米陶瓷涂层钢筋的制备及关键性能研究

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【摘要】：在服役环境中,氯盐的侵蚀和混凝土的碳化导致混凝土内钢筋表面的钝化层破坏,从而加剧了钢筋的腐蚀过程。针对钝化层破坏引发的钢筋腐蚀,采用等离子喷涂技术制备微纳米Al2O3-TiO2陶瓷涂层钢筋,改善钢筋表面性能,提高钢筋耐蚀性。在混凝土碱性环境中,Al2O3-TiO2陶瓷涂层钢筋与混凝土的粘结性能,及涂层在碱性环境和盐碱环境下的耐蚀性能是本课题重点解决的问题,为陶瓷涂层钢筋在实际工程中的应用提供理论和技术依据。本文利用等离子喷涂技术制备了微米Al2O3-13wt.%TiO2 (AT13)、Al2O3-40wt.%TiO2(AT40)和纳米结构Al2O3-13wt.%TiO2 (nAT13)涂层钢筋。采用XRD分析了陶瓷涂层在喷涂过程中的物相转变,并测试了涂层的韧性、涂层与钢筋基体的粘结性、涂层钢筋与混凝土的粘结性能。利用电化学方法评价涂层在碱性环境和盐碱环境中的耐蚀性能,结合SEM-EDS和XRD对浸泡后的涂层进行微观形貌和成分分析,研究陶瓷涂层钢筋的腐蚀机理。最后,针对陶瓷涂层与混凝土基体间粘结性较低及涂层中的缺陷为Cl-扩散提供通道的问题,初步研究了有机封孔剂浸渍对涂层性能进行提升。基于试验及分析得到以下结论：AT13和AT40涂层表面为层片状堆积,且AT13涂层表面存在微裂纹；nAT13表面为均匀整体。AT13和AT40涂层内部孔隙含量高,且孔隙尺寸大,AT13的孔隙率高于AT40; nAT13内部孔隙含量少且尺寸较小。喷涂过程中发生了α-Al2O3向γ-Al2O3的物相转变。三点弯曲试验中,AT13和AT40在较低角度下涂层发生了破坏,AT40出：现涂层的剥落；而nAT13在弯曲60。后涂层依然保持完好。AT13和AT40涂层与钢筋基体的粘结强度分别为28.60MPa和29.62MPa,nAT13涂层与钢筋基体的粘结强度为39.69Mpa,相比ATl 3提高了30%左右。由于涂层中γ-A1203会与混凝土中的碱性物质发生反应,生成疏松产物,因此相对于Q235钢筋,陶瓷涂层钢筋与混凝土的粘结性能均有不同程度降低。后处理AT13、AT40和nAT3陶瓷涂层钢筋和Q235钢筋与混凝土粘结强度相对粘结强度分别为0.90、1.78和0.89,达到环氧涂层钢筋相对粘结强度不低于0.8的使用标准。溶液可通过涂层内部缺陷(孔隙和裂纹等)渗入至基体表面。在pHH13.5的模拟混凝土孔溶液中,OH-与涂层中的反应相γ-Al2O3和A1发生化学反应,析出的固体物和反应产物在涂层孔隙中残留,发生涂层的填充效应,增强了涂层的密实性。随着溶液pH值逐渐降低,溶液对AT13和AT40涂层中的反应相溶蚀能力随之降低,涂层的填充效应减弱,渗入涂层的碱性溶液对基体的钝化作用变得明显。在不同pH值的模拟混凝土孔溶液浸泡后,由于纳米颗粒有较大的比表面积,显现出较大活性,nAT13涂层表面均出现溶蚀痕迹；由于其孔隙较小,涂层内部均有明显填充效应。OH-对各涂层中反应相溶蚀均出现在涂层表面,涂层内部未受到影响。由于陶瓷涂层在模拟混凝土孔溶液中的填充效应,密实的涂层对Cl-的侵入具有阻挡作用。未有涂层的Q235钢筋在0.25M Cl-浓度的溶液中发生腐蚀,而低Cl-浓度下溶液提高了各涂层的填充的密实性,增强了对基体的保护。随着溶液中Cl-浓度逐渐升高,各涂层钢筋的耐蚀性能随之降低,但nAT13涂层钢筋均表现出最好的耐蚀效果。在1.0MCl-浓度的溶液中,AT13涂层钢筋基体发生点蚀,AT40和nATl3未出现腐蚀趋势。陶瓷涂层钢筋的失效形式为内部钢筋基体生成大体积的腐蚀产物,并通过涂层中的孔隙溶出,当腐蚀产物生成速率大于溶出速率,涂层内部孔隙被扩大,甚至直接导致涂层的剥落。采用纳米改性Si02聚氨酯作为封孔剂对陶瓷涂层进行浸渍处理,填充涂层孔隙,大幅度提高涂层钢筋对C1-的耐蚀性能。
【关键词】：混凝土 陶瓷涂层钢筋 电化学 腐蚀
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.453
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 钢筋腐蚀问题12-16
• 1.1.1 钢筋腐蚀国内外现状12-13
• 1.1.2 钢筋腐蚀机理13-15
• 1.1.3 钢筋腐蚀防护措施15-16
• 1.2 涂层钢筋16-18
• 1.2.1 环氧涂层钢筋16
• 1.2.2 镀锌钢筋16-17
• 1.2.3 陶瓷涂层钢筋17-18
• 1.3 陶瓷涂层的研究现状18-24
• 1.3.1 陶瓷涂层的制备18-22
• 1.3.2 陶瓷涂层性能22-24
• 1.4 存在问题24
• 1.5 主要研究内容24-25
• 第二章 试验材料及方法25-37
• 2.1 原材料25-27
• 2.1.1 基体25
• 2.1.2 涂层原料25-26
• 2.1.3 混凝土原材料26-27
• 2.1.4 化学试剂27
• 2.2 微纳米陶瓷涂层试样制备27-29
• 2.2.1 预处理工艺27-28
• 2.2.2 喷涂设备及工艺28-29
• 2.3 微纳米陶瓷涂层钢筋后处理29
• 2.4 混凝土制备29-30
• 2.5 试验仪器及方法30-36
• 2.5.1 微纳米陶瓷涂层力学性能测试30-31
• 2.5.2 微纳米陶瓷涂层的物相分析31-32
• 2.5.3 微纳米陶瓷涂层钢筋截面的微观形貌32
• 2.5.4 涂层腐蚀行为检测32-35
• 2.5.5 涂层微观测试分析35-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第三章 微纳米陶瓷涂层的基本性能37-51
• 3.1 微纳米陶瓷涂层形貌37-39
• 3.1.1 截面形貌37-38
• 3.1.2 表面形貌38-39
• 3.2 物相转变39-41
• 3.3 韧性41-43
• 3.4 涂层与钢筋基体的粘结性能43-44
• 3.5 微纳米陶瓷涂层钢筋与混凝土的粘结性能44-49
• 3.5.1 力学行为44-45
• 3.5.2 粘结强度45-46
• 3.5.3 微观形貌46-49
• 3.6 后处理涂层钢筋与混凝土的粘结性能49
• 3.7 本章小结49-51
• 第四章 模拟混凝土孔溶液pH值对涂层钢筋腐蚀行为的影响51-70
• 4.1 前言51
• 4.2 动电位极化曲线51-52
• 4.3 电化学阻抗谱52-61
• 4.3.1 Al_2O_3-13wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋52-55
• 4.3.2 Al_2O_3-40wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋55-58
• 4.3.3 纳米结构Al_2O_3-13wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋58-61
• 4.4 等效电路61-63
• 4.5 宏观形貌63-64
• 4.6 微观分析64-68
• 4.7 本章小结68-70
• 第五章 氯离子对模拟混凝土孔溶液中涂层钢筋腐蚀行为的影响70-98
• 5.1 前言70
• 5.2 动电位极化曲线70-71
• 5.3 电化学阻抗谱71-81
• 5.3.0 Q235钢筋71-72
• 5.3.1 Al_2O_3-13wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋72-75
• 5.3.2 Al_2O_3-40wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋75-78
• 5.3.3 纳米结构Al_2O_3-13wt.%TiO_2陶瓷涂层钢筋78-81
• 5.4 等效电路81-83
• 5.5 宏观形貌83-84
• 5.6 微观分析84-92
• 5.7 陶瓷涂层腐蚀机理92-93
• 5.8 后处理涂层钢筋耐蚀性能93-96
• 5.8.1 环氧树脂涂层钢筋93-95
• 5.8.2 封孔陶瓷涂层钢筋95-96
• 5.9 本章小结96-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 6.1 结论98-99
• 6.2 主要创新点99
• 6.3 展望99-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-106

【参考文献】

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本文编号：1002236