大米草提取物阻锈性能实验分析

2019-05-14刘晴阳杨瀚然周爱萍

山东水利 2019年3期

刘晴阳，杨瀚然，周爱萍

（1.河海大学农业工程学院，江苏南京 210098；2.南京交通职业技术学院，江苏南京 211188）

目前水工建筑多为混凝土结构，而钢筋混凝土耐久性是确保各类工程安全运行的根本保障。在海洋、盐湖和盐碱地等富含氯盐的空间环境中，钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构耐久性问题的首要原因。钢筋锈蚀轻则影响结构的使用性和耐久性，重则降低结构承载力，造成了巨大的经济损失和安全问题[1，2]。目前阻锈剂是实际工程中提升钢筋混凝土结构耐久性的最有效措施之一。国内外学者发现天然植物高分子中的大量活性基团对金属表面有吸附作用，从其中提取钢筋阻锈成分具有较高的可行性,利用天然植物提取“绿色阻锈剂”是阻锈剂研究方向近期的热点。

大米草系禾本科大米草属植物，为一种繁殖力极强的多年生沿海滩涂植物。从欧洲引入后疯长蔓延超出了控制的范围，对沿海生态和海水养殖造成了很大的破坏，被称为“害人草”[3，4]。若能利用其抗盐碱的能力用于提取钢筋阻锈剂，可以有效回收利用这种有害植物，目前，国内外还未见相关内容报道。本文首次采用大米草为原材料，制备绿色阻锈剂，利用电化学阻抗谱技术分析其阻锈性能，以期为这种有害植物的回收处理以及绿色阻锈剂的制备提供一个新的途径。

1 实验方法

1.1 大米草提取物的制备

将20 g粉末浸泡在500 ml 95%乙醇中，25℃浸泡8 h。过滤后，在40℃的烘箱中烘干1 d。得到粉末状大米草提取物。

1.2 实验系统的制备

根据以往文献，使用饱和石灰水用作模拟混凝土孔隙溶液（SCP）。在本研究中，设置了四种实验系统来检验大米草提取物阻锈效果的有效性。这四种体系分别是SCP溶液（为空白体系，命名为A），SCP溶液分别添加0.05%，0.25%和0.45%的大米草提取物（命名为 B1，B2，B3）。

1.3 钢筋试样的制备

本研究使用试样Φ10 mm、长度为5 mm的HPB235钢筋。钢筋表面预处理采用金相抛光机（180-3000级碳化硅砂纸打磨致镜面）。其中一个表面暴露为试验表面，另一个表面用漆包铜线焊接并嵌入环氧树脂中，如图1所示。然后，用丙酮和无水乙醇清洗暴露的表面。

图1 钢筋测试样示意图

1.4 电化学试验方法

在电化学试验前，将钢筋试样放入不同的阻锈体系中进行7 d的钝化处理。以0.01 mol/L·d-1的速率添加氯化钠9 d。在室温（25±1℃）下，通过Parstat-2273电化学工作站对每个系统进行了电化学阻抗谱（EIS）测试。在电化学测试中，采用了传统的三电极电池系统，包括作为工作电极（钢筋）、作为辅助电极（Leici 213型铂电极）和参比电极（Leici 217型饱和甘汞电极）。为了避免参比电极对被测体系的污染，用双盐桥（KCl/KNO3）连接参比电极和电池系统。在三电极电池系统连接良好后，在其他电化学测试之前进行开路电位（OCP）测试，以检查电池系统的稳定性。在OCP每分钟波动小于1 mV之后，通过在OCP处施加10 mV的正弦电位扰动（频率扫描范围为100 kHz至0.01 Hz）来进行EIS扫描。随后利用电化学软件Zsimpwin和合适的等效电路对阻抗谱进行了分析。

2 结果与讨论

采用电化学阻抗法对不同体系中钢筋的耐腐蚀性能进行了腐蚀判断，为了定量分析耐腐蚀性，使用Zsimpwin软件，通过适当的等效电路模型分析了阻抗谱图。参考相关文献，采用R(Q(R(QR)))电路模拟钝化状态下的钢筋电阻Rp，采用R(Q(R(Q(RW)))电路用于模拟锈蚀后的钢筋电阻Rp。根据Stern-Geary理论，腐蚀电流Icorr可用式（1）计算。由于Icorr与暴露面积有关，因此通常使用腐蚀电流密度icorr比较腐蚀速率，可通过式（2）计算。

式中:S为钢电极的表面积（本研究中为0.785 cm2）；Rp为电阻值；B 为 Stern-Geary 常数，当钢筋处于钝化状态时取52 mV,当钢筋处于锈蚀状态时取26 mV。图2展示了四个系统的icorr演变过程。根据已发表的文献[5]，钢筋的腐蚀等级可分为四个等级，包括：高度腐蚀（icorr＞1 μA/cm2），中高度腐蚀（0.5 μA/cm2＜icorr＜1 μA/cm2），中低度腐蚀（0.1 μA/cm2＜icorr＜0.5 μA/cm2）和钝化状态（icorr＜0.1 μA/cm2）。0.1～0.5 μA/cm2范围内的 icorr通常用作判断氯化物阈值（CTV）的标准。据此，耐腐蚀能力表现为以下规律：B2＞B3＞B1＞A。这一规律清楚地表明，大米草提取物拥有一定的阻锈性能。大米草提取物用量较大时，抑制效果没有明显改善，说明大米草提取物的最佳用量为0.25%左右。

图2 四个体系的icorr变化趋势

根据文献介绍，大米草提取物富含生物碱和黄酮类化合物[4]。实验认为，生物碱有复杂的环状结构，氮素多包含在环内，有显著的生物活性，可以为金属提供孤对电子，与金属表面形成配位吸附；而黄酮类化合物具有高度的超离域性、完整的大π键共轭体系、较强的配位氧原子和适宜的空间构型，能与金属形成螯合配体[6，7]。从而在金属表面形成一层碳氮有机膜，起到隔绝腐蚀介质与金属的作用，实现了阻锈效果。