大米草提取物阻銹性能實(shí)驗(yàn)分析

劉晴陽(yáng)，楊瀚然，周愛(ài)萍

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

目前水工建筑多為混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼筋混凝土耐久性是確保各類(lèi)工程安全運(yùn)行的根本保障。在海洋、鹽湖和鹽堿地等富含氯鹽的空間環(huán)境中，鋼筋銹蝕是引發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的首要原因。鋼筋銹蝕輕則影響結(jié)構(gòu)的使用性和耐久性，重則降低結(jié)構(gòu)承載力，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題[1，2]。目前阻銹劑是實(shí)際工程中提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最有效措施之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)天然植物高分子中的大量活性基團(tuán)對(duì)金屬表面有吸附作用，從其中提取鋼筋阻銹成分具有較高的可行性,利用天然植物提取“綠色阻銹劑”是阻銹劑研究方向近期的熱點(diǎn)。

大米草系禾本科大米草屬植物，為一種繁殖力極強(qiáng)的多年生沿海灘涂植物。從歐洲引入后瘋長(zhǎng)蔓延超出了控制的范圍，對(duì)沿海生態(tài)和海水養(yǎng)殖造成了很大的破壞，被稱(chēng)為“害人草”[3，4]。若能利用其抗鹽堿的能力用于提取鋼筋阻銹劑，可以有效回收利用這種有害植物，目前，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)相關(guān)內(nèi)容報(bào)道。本文首次采用大米草為原材料，制備綠色阻銹劑，利用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)分析其阻銹性能，以期為這種有害植物的回收處理以及綠色阻銹劑的制備提供一個(gè)新的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 大米草提取物的制備

將20 g粉末浸泡在500 ml 95%乙醇中，25℃浸泡8 h。過(guò)濾后，在40℃的烘箱中烘干1 d。得到粉末狀大米草提取物。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制備

根據(jù)以往文獻(xiàn)，使用飽和石灰水用作模擬混凝土孔隙溶液（SCP）。在本研究中，設(shè)置了四種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)檢驗(yàn)大米草提取物阻銹效果的有效性。這四種體系分別是SCP溶液（為空白體系，命名為A），SCP溶液分別添加0.05%，0.25%和0.45%的大米草提取物（命名為 B1，B2，B3）。

1.3 鋼筋試樣的制備

本研究使用試樣Φ10 mm、長(zhǎng)度為5 mm的HPB235鋼筋。鋼筋表面預(yù)處理采用金相拋光機(jī)（180-3000級(jí)碳化硅砂紙打磨致鏡面）。其中一個(gè)表面暴露為試驗(yàn)表面，另一個(gè)表面用漆包銅線(xiàn)焊接并嵌入環(huán)氧樹(shù)脂中，如圖1所示。然后，用丙酮和無(wú)水乙醇清洗暴露的表面。

圖1 鋼筋測(cè)試樣示意圖

1.4 電化學(xué)試驗(yàn)方法

在電化學(xué)試驗(yàn)前，將鋼筋試樣放入不同的阻銹體系中進(jìn)行7 d的鈍化處理。以0.01 mol/L·d-1的速率添加氯化鈉9 d。在室溫（25±1℃）下，通過(guò)Parstat-2273電化學(xué)工作站對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試。在電化學(xué)測(cè)試中，采用了傳統(tǒng)的三電極電池系統(tǒng)，包括作為工作電極（鋼筋）、作為輔助電極（Leici 213型鉑電極）和參比電極（Leici 217型飽和甘汞電極）。為了避免參比電極對(duì)被測(cè)體系的污染，用雙鹽橋（KCl/KNO3）連接參比電極和電池系統(tǒng)。在三電極電池系統(tǒng)連接良好后，在其他電化學(xué)測(cè)試之前進(jìn)行開(kāi)路電位（OCP）測(cè)試，以檢查電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在OCP每分鐘波動(dòng)小于1 mV之后，通過(guò)在OCP處施加10 mV的正弦電位擾動(dòng)（頻率掃描范圍為100 kHz至0.01 Hz）來(lái)進(jìn)行EIS掃描。隨后利用電化學(xué)軟件Zsimpwin和合適的等效電路對(duì)阻抗譜進(jìn)行了分析。

2 結(jié)果與討論

采用電化學(xué)阻抗法對(duì)不同體系中鋼筋的耐腐蝕性能進(jìn)行了腐蝕判斷，為了定量分析耐腐蝕性，使用Zsimpwin軟件，通過(guò)適當(dāng)?shù)牡刃щ娐纺Ｐ头治隽俗杩棺V圖。參考相關(guān)文獻(xiàn)，采用R(Q(R(QR)))電路模擬鈍化狀態(tài)下的鋼筋電阻Rp，采用R(Q(R(Q(RW)))電路用于模擬銹蝕后的鋼筋電阻Rp。根據(jù)Stern-Geary理論，腐蝕電流Icorr可用式（1）計(jì)算。由于Icorr與暴露面積有關(guān)，因此通常使用腐蝕電流密度icorr比較腐蝕速率，可通過(guò)式（2）計(jì)算。

式中:S為鋼電極的表面積（本研究中為0.785 cm2）；Rp為電阻值；B 為 Stern-Geary 常數(shù)，當(dāng)鋼筋處于鈍化狀態(tài)時(shí)取52 mV,當(dāng)鋼筋處于銹蝕狀態(tài)時(shí)取26 mV。圖2展示了四個(gè)系統(tǒng)的icorr演變過(guò)程。根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)[5]，鋼筋的腐蝕等級(jí)可分為四個(gè)等級(jí)，包括：高度腐蝕（icorr＞1 μA/cm2），中高度腐蝕（0.5 μA/cm2＜icorr＜1 μA/cm2），中低度腐蝕（0.1 μA/cm2＜icorr＜0.5 μA/cm2）和鈍化狀態(tài)（icorr＜0.1 μA/cm2）。0.1～0.5 μA/cm2范圍內(nèi)的 icorr通常用作判斷氯化物閾值（CTV）的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，耐腐蝕能力表現(xiàn)為以下規(guī)律：B2＞B3＞B1＞A。這一規(guī)律清楚地表明，大米草提取物擁有一定的阻銹性能。大米草提取物用量較大時(shí)，抑制效果沒(méi)有明顯改善，說(shuō)明大米草提取物的最佳用量為0.25%左右。

圖2 四個(gè)體系的icorr變化趨勢(shì)

根據(jù)文獻(xiàn)介紹，大米草提取物富含生物堿和黃酮類(lèi)化合物[4]。實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，生物堿有復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，氮素多包含在環(huán)內(nèi)，有顯著的生物活性，可以為金屬提供孤對(duì)電子，與金屬表面形成配位吸附；而黃酮類(lèi)化合物具有高度的超離域性、完整的大π鍵共軛體系、較強(qiáng)的配位氧原子和適宜的空間構(gòu)型，能與金屬形成螯合配體[6，7]。從而在金屬表面形成一層碳氮有機(jī)膜，起到隔絕腐蝕介質(zhì)與金屬的作用，實(shí)現(xiàn)了阻銹效果。

3結(jié)論

大米草提取物具有一定的阻銹效果，在本研究中其最佳參量為0.25%，在最佳用量可以提升臨界氯離子濃度至0.09 mol/L。