合金耐蚀钢筋与侵蚀氯盐相互作用过程的表面微纳多尺度研究

Reinforcing steel corrosion as a major disease for civil engineering, has not been overcomed for long time. Developing alloy corrosion-resistant steels in replacing of plain carbon steel, seems to be the most reliable solutions to prevent reinforcing steel corrosion persistently. This study aims to investigate the interaction process between the erosive medium Cl− and the oxides film of steel from the surface micro-nano multi-scale perspective. Using corrosion test and theoretical analysis combined methods to examine the compositional structure, electronic structure and electrochemical behavior evolution of the passive film on alloy corrosion-resistant steel Cr10Mo1 (plain carbon steel is introduced as a comparison) under chloride attacking. Based on the analysis of the correlation between the electrochemical behavior of the steel and micro-nano multi-scale structure of its film layer, the physical-chemistry model for the interaction between the erosive medium Cl− and the oxides film of steel will be established and the dynamic mechanism for the passive film breakdown under chloride attacking will be revealed. It is expected to reveal the fundamental reasons of the high resistance to chloride aggression of the film layer on the alloy corrosion-resistant steel, and profoundly understand its corrosion resistance and master its corrosion-resistant mechanisms, which is of important scientific value and practical significance, providing scientific theoretical basis and technical support for its popularization and application in civil engineering. Based on this study, more than 6 excellent scientific papers will be published (at least 5 ones are indexed by SCI/EI) and 1 or 2 invention patents will be applied.

钢筋锈蚀作为土木工程的一大病害，长期以来一直未能克除，开发使用合金化耐蚀钢筋以替代普通碳素钢筋，是解决钢筋锈蚀问题的根本方法。本项目从表面微纳多尺度角度研究腐蚀介质Cl−与钢筋氧化膜交互作用过程，以钢筋腐蚀试验探测方法和理论分析方法相结合研究氯盐侵蚀下合金耐蚀钢筋Cr10Mo1（引入普通碳素钢筋进行对比）钝化膜层组成结构演变、电子结构变化及电化学行为，通过钢筋钝化膜电化学行为与其微纳多尺度结构的关联性分析，建立腐蚀介质Cl−与钢筋氧化膜相互作用的物理化学模型，揭示氯盐侵蚀下钢筋钝化膜组成结构破坏的动力学机制，以期从深层次揭示合金耐蚀钢筋钝化膜耐Cl−侵蚀的原因，从而深刻理解其耐蚀性能，掌握其耐蚀机理，为促进合金耐蚀钢筋在土木工程中推广运用提供科学理论依据和技术支撑，具有重要科学价值和实际意义。拟发表高水平论文6篇以上，其中SCI/EI收录论文≥5篇，申请国家发明专利1～2项。

开发应用经济成本可控同时具有足够腐蚀抗力的合金耐蚀钢筋，作为传统碳素钢筋替代材料用于混凝土结构增强，是解决钢筋锈蚀问题的根本方法。目前，合金耐蚀钢筋腐蚀研究仍处于试验探索阶段，尚未形成详实系统的理论成果。本课题在项目申请人前期研究工作的基础上，从表面微纳多尺度（从晶相尺度、原子尺度及电子尺度）递进式研究侵蚀氯盐与合金耐蚀钢筋Cr10Mo1相互作用过程（引入普通碳素钢筋进行对比），以期从腐蚀介质与氧化膜的交互作用过程引起膜层劣化角度理解合金耐蚀钢筋耐腐蚀的本质原因，从而深刻理解其耐蚀性能，掌握其耐蚀机理，为促进合金耐蚀钢筋工程应用提供科学理论依据和技术支撑。本项目在以下几个方面取得了创新性成果：.（1）阐明了氯盐侵蚀下合金耐蚀钢筋电化学行为与其钝化膜组成结构的关联。.合金耐蚀钢筋钢筋钝化膜为双层结构：外层主要含Fe氧化物，内层主要为Cr氧化物；而普通碳素钢筋钝化膜仅含Fe氧化物。受Cl−侵蚀后钝化膜层中保护性Fe/Cr氧化物会逐渐解体破坏，转化为无保护性Fe/Cr羟基氧化物。Cr氧化物作为合金耐蚀钢筋钝化膜的关键成分，在高浓度氯盐侵蚀下其大部分仍可保持稳定并维持钝化膜层完整。.（2）建立了腐蚀介质Cl−与钢筋氧化膜相互作用的物理化学模型，探明了氯盐侵蚀下钢筋钝化膜组成结构破坏的动力学机制。.钢筋钝化膜受Cl−侵蚀作用时，Cl−占据进入钝化膜表层区金属氧化物的阴离子空位，从而吸附进入膜表面，使膜表层氧化物价电子层能带发生向上弯曲，进而电子结构被破坏，氧化物晶格的金属阳离子解离出去，造成晶格结构不断形成阳离子空位，最终引起晶格崩塌，宏观表现为钝化膜表层氧化物的逐渐溶解。相比普通碳素钢筋，合金耐蚀钢筋钝化膜内层保护性Cr氧化物作为p型半导体，其点缺陷主要是阳离子空位，难以被阴离子Cl−占据，可阻碍Cl−吸附进入膜层，膜层氧化物电子结构破坏变得困难，因而更耐氯盐侵蚀。.（3）揭示了氯盐侵蚀下合金耐蚀钢筋钝化膜局部破坏后的自修复机制。.在较高pH值环境中，对于合金耐蚀钢筋而言，即使氯盐浓度高达2.0 M，点蚀诱发处仍能形成含Cr钝性氧化物，修复破损钝化膜；而对于普通碳素钢筋而言，氯盐浓度达到0.6 M后，点蚀诱发处钝化膜无法修复。因此高浓度氯盐侵蚀下，相比普通碳素钢筋，合金耐蚀钢筋重新形成的这种自我修复性钝化膜，继续起保护作用。

内容获取失败，请点击重试