腐蚀作用（精选8篇）
腐蚀作用 篇1
《金属腐蚀与防护》是一门涉及金属材料、电化学、物理化学等多门相关学科的交叉学科[1~2]。该课程内容较为枯燥,难以理解,甚至部分微观机理很难从实验角度验证,涉及较多的内容、原理规律、概念定义等。课程以培养学生对理论知识的掌握为目的,培养学生应用理论知识,分析解决问题的能力,培养学生动手实践能力和自我创新精神,培养适应社会发展的专业人才,培养生产需要的工程技术人才[3]。目前,经文献检索,关于《材料腐蚀与防护》课程的教改研究较多,大部分教改重点在于教学内容、教学方法等方面[4],本文从实验教学方案、实验教学内容创新、教学方法创新、教学手段创新、考核方式创新等方面进行探讨,就培养学生创新能力方面提出一些观点。
一、腐蚀防护专业实验教学中存在的问题
一直以来,在传统教学模式的影响下,部分专业课程的实验教学存在着一些问题,一是实验教学依附专业课程设置,大部分实验为验证型及演示型实验,把实验课看成是理论课的依附;二是实验内容过于简单,实验指导书编得过于详细,学生仅需要按照实验指导书中的步骤进行实验,处于被动学习状态,对培养适应经济建设和社会发展对高素质的人才的目标不吻合;三是实验设备性能低,实验考核不够严谨。这些问题的存在阻碍了学生积极性、主动性的发挥,对培养学生的创新精神、逻辑思维能力方面造成了阻力[5,6]。为此,在江苏科技大学材料学院腐蚀与防护专业的专业实验课程的实验教学中,对教学模式、实验内容、实验手段及考核方法上尝试了一些大胆的改革与创新。
二、腐蚀防护专业实验教学模式的设计
(一)独立设置实验课。
基于《腐蚀实验方法》课程,尝试性把课程实验部分调整到实践教学部分,与理论课程完全分离授课,把实验作为一门单独实践性环节课程。该课程面向江苏科技大学材料学院腐蚀防护专业的本科学生,并规定为必修课程。每个本科生都必修此课程,并通过我们尝试的新考核制度获得学分。授课过程改过去单一、验证性的实验项目为综合实验,删除和更新了一些落后、重复验证性的实验项目,把实验项目设计成综合、设计性实验。例如“金属腐蚀实验”课程,面向整个材料学院腐蚀防护专业本科生,共设置4个实验项目:环境因子对腐蚀影响实验;缓蚀剂的电化学评价综合实验;电化学方法评价表面涂层失效;力学-化学耦合作用下电化学行为实验。每个实验项目都改善了过去单一、落后的状态,内容涵盖金属、涂料、缓蚀剂、电化学的基本理论知识。一个综合试验内容包含了过去两个以上试验的内容,对学生全面的理论知识,较强的动手操作能力和全面分析问题解决问题的能力有更高的要求。比如,在“力学-化学耦合作用下电化学行为实验”中,学生可自主选择金属材料,比如铝合金、不锈钢或者碳钢,自主选择酸、碱、盐等不同腐蚀环境,通过自腐蚀电位测量、极化曲线、慢应变速率拉伸实验和腐蚀产物形貌观察及物相分析等多种方法评定材料在不同腐蚀环境中腐蚀失效的影响规律,使学生掌握力学和化学耦合作用下腐蚀行为的测试方法。在“缓蚀剂的电化学评价综合实验”中,学生要自主选择金属材料和腐蚀环境、通过查阅国标自主设计符合国标的试验方案,通过重量法、极化法或者阻抗测量等方法,测量并评价不同缓蚀剂对不同材料的缓蚀效果。使学生了解缓蚀剂的动力学特征和规律,了解和掌握常用的电化学测试技术、电化学基本理论在缓蚀剂分析中的应用。
(二)设置专业课程研究训练。
设置专业课程研究训练必修课程,教师给出一系列课题,学生自由选择感兴趣的课题进行研究。比如“材料氢渗透行为研究”,学生自由选择钢材种类,从试样加工开始,到试样准备、表面镀Ni工艺、腐蚀环境的选择、氢渗透行为的电化学研究等进行系统实验研究,从一系列实验中使学生系统掌握实验原理,实验方法及仪器使用方法。最终结果以大论文的形式提交,包括研究目的及意义、实验材料、实验原理、实验方法、结果与讨论等。经过本课程训练,锻炼学生的研究思路、实验方法、查阅文献、撰写论文等。
三、腐蚀防护专业实验内容的设计
“材料的腐蚀与防护”是一门多学科交叉学科,具有很强的应用性,采用单一传统的教学方法,学生感觉枯燥无味,严重影响学生学习积极性,无法取得较好的教学效果。目前,腐蚀与防护课程虽然有部分验证性实验,但是总体还是以课堂教学为主,学生动手机会少,对知识理解不够深入,必须进行改革。
(一)充分挖掘教师的集体智慧,以科研促进教学水平提高。
科研与教学是相辅相成,不可分割的。为提高教学质量,必须把科研对教学的积极作用发挥出来,把科研有机整合在教学中,并把老师最新科研成果融合到课堂教学中,使学生接触到最新的知识和信息,教学质量得到不断提高。部分课程一改传统的一位教师一门课的教学方式,根据不同基础知识点,请相关知识点有科研项目的教师,把科研有机整合在教学中,并把老师最新科研成果融合到课堂教学中,充分挖掘教师的集体智慧。在教学计划制定时,请全体教研室教师一起分析授课计划及内容,每个人根据自己的科研方向,一起制定专题教学计划及内容,根据不同的知识点,请相关专业老师或科研小组讲授,把科研专题讲座融合到课堂授课中。另外,通过国内外研究热点的跟踪,根据相关专业研究的新方法新动向,邀相关专家讨论讲座,将科研课题以课堂授课形式讲授,一方面对于学生的学习兴趣激发起到积极作用,另一方面可对学生的科学视野进行拓宽。实践证明,把科研中获得的新方法、新知识、科研成果及时加入到教学中去,把在科研工作中积累的经验带到课堂中去,极大地丰富了课堂教学内容,提高了学生学习兴趣,课程教学质量得到提高。同时,科研也使教师更加充分地掌握学科发展方向,在前沿给学生以引导,课堂兴趣较为浓厚。通过自身的科研经验,知识变得不再生涩,对培养人才的创造力和发展观点具有极大的推动作用。以科研促进教学的教学方式,对培养学生的创新意识有积极作用,对学生创造性思维及创造性个性有提高作用,学生创新能力、想象力、思维能力和实践动手能力有提高作用,学生的创造潜能可以得到发挥,为专业人才今后走向社会中,持续创新打下坚实的基础。
(二)理论教学与实践教学相结合。
实现理论教学与实践教学相结合就是把工作与学习结合起来,学校应该改变传统教育模式,与企业联手,培养面向企业生产一线的社会服务型人才。企业和学校合作,可以让学生走进企业,学以致用。这也是现代教育科学发展的必然结果。对教育者的要求就是以生产实践中的实际问题为中心安排教学、构建课程体系,使人才更加符合现代企业所需。针对企业生产过程中出现的专业问题,向学生传授基础知识,并在实验课程安排中,让学生联系所学知识,发现问题、解决问题,一方面对于学习兴趣的激发有帮助作用,另一方面明确了学生学习的目,同时,学生科学思维和创新意识得到培养。
腐蚀问题涉及国民经济各个领域,与人们的生活息息相关,积极鼓励、提供实习动手机会,加强学生深入企业寻找问题、解决问题,亲身体会腐蚀带给人类的危害,深入了解日常生活中采用的防腐方法,以及防腐措施中存在的问题,进而引导学生自主学习,激发学生学习积极性。
四、腐蚀综合实验成绩评价体系的改革
教学过程中的一个重要环节之一就是成绩考核,一方面对学生掌握知识程度进行反馈和评价,另一方面通过考核也能促进学生学习。目前大多数高校的考核方式,依然采用传统的闭卷笔试考核,对于考核内容,也仅限于课程涉及的基本知识。另外,学生平时成绩管理不够严谨,比如通过出勤、通过作业等方法,最终考核成绩是通过考核成绩和平时成绩以一定的比例综合得到。这种考核方式使学生平时学习积极性受到打击,平时不学习,考试前突击,死记硬背,同样可以获得较好的考核成绩。另外,所学知识与实际生产脱节严重,学生所学的基本知识仅限于了解,谈不上活学活用。对于现有考核方式中不足,必须进行改革。传统考核方法依然“应试教育”为主。为使学生的创新能力和动手能力得到培养,教师必须针对各教学内容进行课堂提问,回答情况作为平时成绩的参考。除此以外,学生平时成绩的构成,应该包括学生课程作业状况。根据“课程学习指导书”中的测试项目,学生可进行自测,评价自身对学习内容的掌握程度。考查学生综合运用知识的主观题应当加入卷面考试中,考查学生综合运用的能力,做到知识的活学活用。比如笔者在出考卷时,曾经设计过一道知识综合运用测试题,考试内容是设计实验对钢在海洋环境中的腐蚀机理进行研究,提出合适的保护措施,并给出保护机理,如果采用阴极保护,要考虑氢脆发生的机率。这就要求学生必须把所学的金属腐蚀理论以及防腐措施等知识融会贯通、灵活运用。通过这种综合考核方式,可极大提高学生学习的积极性,加强学生主动学习能力。
实验教学与理论教学是高等工科学校培养专业技术人材的两大学习形式,缺一不可,目前对理论教学重视程度和学时量都比实验教学要大。对于腐蚀防护专业学生而言,实验教学十分重要,能让学生从有趣的实验过程中学习到枯燥的理论知识。通过实验学习帮助学生理论联系实际,一改学生盲目学习的态度,更好地理解知识的产生、发展过程,激发学生学习积极性和求知欲,培养新时代需要的综合型人才,培养运用现代科学技术探索新知识的能力。因而,作为必不可少的腐蚀综合实验这一实践环节的教育质量,是腐蚀防护专门人才培养质量的一个重要指标,是实施素质教育和提高教育质量的重要途径。
摘要：本文根据金属材料腐蚀防护专业的学科特点,提出加强教学过程中学生的主体地位,采用多种手段扩充实验教学内容,采用系列教学方法以及训练项目拓宽学生知识面,培养学生运用知识的综合能力。考核环节分散到各个教学环节,使学生将更多精力投入到各个教学环节。
关键词：金属材料,腐蚀防护,实验教学,教学考核
参考文献
[1]岳丽杰,韩金生.金属材料专业课程教学改革初探[J].科技信息,2013,2:46~48
[2]项民.腐蚀与防护实验教学的改革与实践[J].实验教学,2007:139~142
[3]孙霜青.材料腐蚀与防护实验教学改革[J].科技信息,2012,12:125~126
[4]邓健秋.《金属腐蚀与防护》课程教学改革探究[J].科技致富向导,2011,18:121
[5]张惠.《材料的腐蚀与防护》课程教学改革与实践[J].技术物理教学,2011,4:3
[6]韩立影,王亚男,张峻巍,王忠军.《材料腐蚀与防护》课程教学改革实践[J].辽宁科技大学学报,2013,3:247~250
腐蚀作用 篇2
利用LY12CZ板材试件进行未腐蚀试件及预腐蚀后试件的二级加载及随机谱加载的.疲劳和腐蚀疲劳试验,分析疲劳损伤累积的演化规律,发现LY12CZ板材试件纯机械疲劳与腐蚀疲劳累积损伤规律基本一致,且均为非线性;预腐蚀后试件与未腐蚀光滑试件高-低、低-高加载累积规律差异较大,并呈现出相反的结果;Miner理论能较好的适用于随机谱下的纯机械疲劳及腐蚀疲劳寿命估算.
作 者：匡林 杨晓华 张玎 卞贵学 KUANG Lin YANG Xiao-hua ZHANG Ding BIAN Gui-xue 作者单位：匡林,KUANG Lin(海军航空工程学院青岛分院,青岛,266041;海南陵水91685部队,陵水,572425)
杨晓华,张玎,卞贵学,YANG Xiao-hua,ZHANG Ding,BIAN Gui-xue(海军航空工程学院青岛分院,青岛,266041)
腐蚀作用 篇3
1 实验部分
1.1 原料及试剂
油田采出污水, 取自中国石油大庆油田, pH 值为 12.4, 其他主要性质参数列于表 1 。
碳酸钠, 分析纯, 齐齐哈尔大学试剂厂生产。氢氧化钠, 分析纯, 天津市东丽区天大化学试剂厂生产。聚丙烯酰胺, 分析纯, 相对分子质量为 2 000万, 河北松阳化工有限公司生产。氯化镁, 分析纯, 天津市富宇精细化工有限公司生产。丙酮、无水乙醇, 均为分析纯, 天津市科密欧化学试剂开发中心生产。A 3 钢试片, 黑龙江谱安化工试剂制造有限公司制造。
1.2 腐蚀试验试片处理方法
将A 3钢试片在污水中放置一定时间后取出, 用滤纸轻轻擦去其表面的油污后先置于丙酮溶液中清洗, 再放入酸性清洗液中浸泡片刻, 取出后用自来水冲洗, 并立即放入氢氧化钠溶液中浸泡, 再用蒸馏水冲洗, 取出后用试纸擦干浸入无水乙醇中, 经一定时间后取出用冷风吹干, 置于干燥器中 4 h 后称重, 精确至 0.000 1 g。
1.3 腐蚀率的计算方法
参照中国石油大庆油田的企业标准 SY 5329—88, 腐蚀率的计算公式为:
F=3 650Δm/ (Sρtf) ,
式中:F 为平均腐蚀率, mm/a;Δm 为试片质量损失量, g;S 为试片总表面积, cm2;ρ 为试片材质密度, g/cm3;tf 为挂片时间, d。
2 结果与讨论
2.1 水温对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于不同温度的污水原液中, 考察水温对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 1。
由图 1 可见, 腐蚀率随污水温度的升高先增大后减小, 当水温为 50 ℃ 时腐蚀率最大, 可见 50 ℃ 是细菌生长的适宜温度。污水温度过高会破坏细菌生存的适宜环境, 温度过低时细菌的活力也随之降低, 可见低温或高温均有利于延缓腐蚀。
温度影响腐蚀的作用还主要表现在: (1) 温度影响介质中 CO2, O2, H2S 等气体的溶解度; (2) 温度增高, 反应速率增大; (3) 腐蚀产物膜的溶解度随温度的升高而降低。这 3 种因素的综合作用导致污水对 A 3 钢的腐蚀速率在随温度变化时出现最大值。由此可见, 温度是通过改变化学反应和腐蚀产物膜的特性而影响钢的腐蚀速率的。因此, 随钢种和环境介质、状态参数的变化, 钢材腐蚀速率随温度的变化规律会有所不同。
2.2 聚丙烯酰胺对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于以污水为母液、添加不同量的聚丙烯酰胺配制而成的溶液中, 考察聚丙烯酰胺浓度对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 2。
由图 2 可见, 腐蚀率随着污水中聚丙烯酰胺浓度的升高而降低, 这主要是因为随着聚合物浓度的增高, 溶液含氧量降低, 黏度显著增加, 导致 A 3 钢在中性体系中电化学腐蚀的阴极反应受阻, 从而抑制了对金属的腐蚀。此外聚合物中所含有的亲水性极性基团可以吸附于金属表面的活性点或整个表面, 而憎水的非极性基团可起隔离作用, 将腐蚀介质与金属表面隔开, 这些都可起到减缓腐蚀的作用[1,1]。
2.3 pH 值对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于不同 pH 值的污水溶液中, 考察 pH 值对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 3。
由图 3 可见, 腐蚀率随污水 pH 值的增大而减小, 当 pH 值达到 12 时腐蚀率降到最低, 这主要是因为随着碱浓度的增大, OH- 与 Fe2+ 反应的速度越快, 生成的保护膜也越致密, 从而可抑制对钢片的进一步腐蚀;同时碱浓度增大, 破坏了细菌的适宜生存环境, 细菌存活率降低, 从而腐蚀率也明显降低。可见, 强碱具有很好的缓蚀作用。
2.4 矿化度对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于以污水为母液而配制成的不同矿化度的溶液 (不同矿化度污水中各种离子的浓度见表 2) 中, 考察矿化度对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 4。
由图 4 可见, 腐蚀率随矿化度的增高呈现先增大后减小再增大的趋势, 但总体呈增大趋势。矿化度对腐蚀率的影响关系比较复杂, 这主要是因为矿化度不同的溶液中含有不同的阴、阳离子, 其腐蚀程度存在较大差异。但总的来说, 随着矿化度的增大, 污水中的含盐量增加, 盐水的导电性随之增大, 腐蚀性亦会增强[2,2]。
2.5 碳酸钠对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于以污水为母液、添加不同量的碳酸钠配制而成的溶液中, 考察碳酸钠浓度对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 5。
由图 5 可见, 腐蚀率随着碳酸钠浓度的升高整体呈降低趋势, 这主要是因为碳酸钠能与碳钢形成保护膜, 抑制其腐蚀, 而且随着碳酸钠浓度的升高, 体系 pH 值增大, 不利于细菌的存活, 这也是腐蚀率降低的主要原因。至于图 5 中有些区段出现腐蚀率随碳酸钠浓度的升高而呈小幅上升的现象, 这主要是因为引入的 COundefined会加剧碳钢的电化学腐蚀所致。
2.6 Cl-对污水腐蚀性能的影响
将 A 3 钢试片分别置于以污水为母液、添加不同量的氯化钠配制而成的溶液中, 考察 Cl- 浓度对污水腐蚀性能的影响, 结果见图 6。
由图 6 可见, 当污水中 Cl- 浓度小于 3 000 mg/L 时, 随着 Cl- 浓度的升高, 腐蚀率也逐渐增大;但当 Cl- 浓度超过 3 000 mg/L 时, 随着 Cl- 浓度的继续升高, 腐蚀率反而下降。这是因为 Cl- 的活性强, 能优先、有选择地吸附在金属表面的钝化膜上, 将其中的氧原子排挤掉, 然后与钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物, 在新露出的基底金属上生成小蚀坑, 成为蚀孔生成的活性中心, 所以由氯盐引起的腐蚀主要是缝隙腐蚀或孔腐蚀。但 Cl- 浓度过高时, 会使氧的溶解度显著降低, 致使吸氧腐蚀率降低。本工作所用大庆油田采出污水中的 Cl- 浓度为 1 600～3 500 mg/L, 其对碳钢具有明显的破坏作用。
2.7 细菌对污水腐蚀性能的影响
随着我国3次采油技术的发展, 发现在绝大多数油田集输系统的油井和注水井中存在着大量的硫酸盐还原菌 (SRB) 。SRB 的繁殖可使系统中 H2S 的含量增加, 其腐蚀产物中存在有黑色的 FeS, 导致水质明显恶化, 水变黑、发臭, 使设备、管道遭受严重的腐蚀[2,2]。随着细菌浓度的升高, 腐蚀速率明显增大。SRB 可以加速腐蚀, 其腐蚀作用机理有很多种, 其中以 1934 年 Kuhr 提出的机理最为经典, 他认为阴极去极化作用是钢铁腐蚀过程中的关键步骤, SRB 的作用使氢原子从金属表面除去, 从而使腐蚀过程继续下去[3,3]。而温度为 45～55 ℃、盐质量分数为 0.85%～0.90%、pH 值为 7.0～7.5 的条件是最适宜 SRB 的生长条件。温度过高、盐浓度过大或 pH 值过高都会降低细菌的存活率, 其腐蚀作用也相应降低[4,4]。
3 结论
a. 油田采出污水温度过高、过低或其 pH 值的升高均会大幅度减轻污水对 A 3 钢的腐蚀作用;污水中聚丙烯酰胺或碳酸钠浓度的增高及其矿化度的降低亦有利于腐蚀率的下降。
b. 污水温度在 45～50 ℃ 时, 其对 A 3 钢的腐蚀作用强;Cl- 是 A 3 钢的强腐蚀剂;细菌对 A 3 钢的腐蚀作用亦大, 因此应创造不利于细菌生长的环境。
参考文献
[1]陈新萍, 高清河, 许景秋.大庆杏北油田腐蚀因素研究[J].化学与黏合, 2006, 28 (4) :280-281.
[2]万泰力, 刘可金, 门秀华.大庆油田采油污水腐蚀因素分析[J].油气田地面工程, 2008, 27 (2) :29.
[3]纪云岭, 张敬武, 张丽.油田腐蚀与防护技术[M].北京:石油工业出版社, 2006:37-40.
[4]张学元, 王风平, 油气工业中细菌的腐蚀和预防[J], 石油与天然气化工, 1999, 28 (1) :53-65.
[1]周鹏, 袁宗明, 谢英, 等.塔河油田集输系统污水腐蚀因素分析[J].油气储运, 2008, 27 (5) :45-47.
[2]周鹏, 袁宗明, 谢英, 等.应用灰色关联理论分析塔河油田污水腐蚀因素[J].天然气勘探与开发, 2007, 30 (3) :63-65.
[3]王法轩, 潘卫国, 乔国发.油田污水处理方法:中国, 200710064407.0[P].2007-10-17.
[4]张新军, 祝威, 李清方, 等.一种油田污水罐氮气密闭防腐工艺方法:中国, 200610068647.3[P].2007-07-25.
[5]王建文, 吴建军, 欧天雄, 等.一种油田污水处理的新技术:中国, 200510002509.0[P].2006-07-26.
[6]傅朝阳, 罗逸, 郑家桑, 等.中原油田气井油管腐蚀因素灰关联分析[J].天然气工业, 2000, 20 (1) :74-77.
[7]卢会霞, 刘滨海, 王泽霖, 等.中原油田采油污水腐蚀因素灰关联分析[J].西安石油大学学报:自然科学版, 2004, 19 (1) :59-62.
腐蚀作用 篇4
在研究混凝土表层物理性能的方法中, 回弹法和表层渗透性能测定法已得到了广泛的应用, 但是这些应用都有一定的缺陷:回弹法只能应用于普通强度等级的混凝土, 并且由于误差太大, 只能对混凝土进行定性的判定;表层渗透法容易受混凝土密实程度、环境温度湿度的影响, 其应用都有一定的局限。在评判材料表面物理性能的研究方法中, 冲击球压法以便于操作、解析理论精确等特点备受重视, 目前已成功应用于脆性材料及金属材料的弹塑性变性特征等领域[3,4,5], 但是在混凝土工程中的应用屈指可数:文献[6]利用冲击球压方法和恢复系数的物理意义研究了喷射混凝土的喷射成功概率;文献[7]利用冲击球压方法, 结合等效冲击[8]的概念研究了混凝土材料在小能量冲击作用下的损伤破坏现象;文献[9]研究了混凝土在颗粒冲击作用下局部损伤的机制, 但是利用冲击球压技术评价混凝土受腐蚀破坏的研究尚未见报道。本文利用冲击球压方法研究了短期化学腐蚀下混凝土表面的物理性能及变化特征, 拟建立一种可快速、敏锐评价混凝土表面受短期腐蚀作用而变化的测试方法。
1 理论背景
假设一个质量为m、弹性模量与泊松比分别为E1和v1的小球垂直地冲向弹性模量和泊松比分别为E和v的平面上, 接触瞬间小球相对于平面的临界速度为vin, 材料受到的最大荷载F与产生的最大损伤半径a表示为[10]:
对于任何材料而言理论半径a永远小于实测半径r, 因此符合式 (3) 关系的情况是不存在的, 在实际研究中, 往往采用打磨抛光等措施降低二者之间的误差;此外, 由于冲击过程中压痕损伤区的复杂变化, r值在一般情况下略微偏大。假设冲击结束后材料弹性变形完全恢复, 残余的损伤区相当于冲击最终产生的损伤。在对材料进行迅速、敏锐地检测时这种假设是可行的。因此损伤区的体积可表示为:
由能量守恒的原理可知, 球头接触平面时的动能Uk在冲击中转化为使材料发生弹塑性变化的变形能UE、UP和弹性波的振动扩散以及极少量的热能[11], 根据Hutchings[12]的研究, 弹性波振动扩散的能量大概占总能量的1%~4%, 可以将其忽略不计, 因此冲击过程中各组分的能量遵循[13]:
冲击结束后弹性变形能使球头发生速度为vout的回跳[14], 即:
结合式 (1-7) , 得到动态硬度和恢复系数的表达为:
由式 (8-9) 可知, 动态硬度和恢复系数分别定义了一定能量下材料抵抗塑性变形和发生弹性恢复的能力, 反映了材料表面弹塑性力学特征。上述公式中出现的物理量除半径r需要测量之外, 其他物理量均为已知、或可由传感器读出, 因此只要对r进行精确的测量, 就可以方便地评价岩石材料表面的弹塑性力学特征。
2 试验材料与方法
混凝土强度等级为C80, 28天抗压强度为86.2MPa, 配合比见表1, 采用100mm×100mm×100mm的模具成型。为了保证混凝土强度的顺利发展, 拆模后将混凝土置于标准养护室养护56天, 之后分为两组, 一组置于标准养护室继续养护, 另外一组置于HNO3和5%质量分数的 (NH4) 2SO4混合溶液中 (p H=2.54) , 以浸泡3天105℃干燥1天为1个循环, 3个循环构成1个周期。每个循环结束后测量溶液p H值并利用HNO3重新将溶液酸度调整至2.54, 每个周期结束后对其进行抗压强度和冲击球压试验。
冲击球压装置为自己设计, 设备原理见图1。其中, 球头材料为碳化钨, 弹性模量和泊松比分别为600GPa和0.15, 为了降低样品边缘和测点间距所带来的测试影响, 对测点位置进行了规范的布置 (图2) :测点距样品边缘>1cm, 测点间距>2cm。冲击过程中的荷载通过传感器精确测定;试验结束后, 利用日产VHX-600E型超景深显微镜对损伤半径进行测量。
3 试验结果与讨论
3.1 腐蚀时间对冲击荷载—时间关系的影响
图3给出了不同腐蚀周期下混凝土在一次冲击荷载作用下冲击荷载与冲击时间的变化曲线。从图中可以看出, 随着腐蚀行为的进行, 短期内混凝土冲击荷载—时间曲线轮廓没有什么变化, 这说明短期的腐蚀不会对混凝土表层以下的结构产生明显的破坏。注意到卸载结束时此关系的变化, 可以发现球头并非以0荷载的形式离开混凝土表面, 而是伴随有不同程度的振荡, 这种振荡特性随着腐蚀时间的不同而不同;另外, 观察荷载峰值也可以发现类似的不同。为了清晰地观察这一现象, 现将两区域放大后的曲线关系列于图4、图5。
由图 (4-5) 可知, 随着腐蚀时间的增加, 混凝土的峰值变化是较为类似的, 而球头所能达到的峰值荷载却是逐渐降低的;应用于本试验中的数据均是在相同高度下落的条件下所记录, 因此, 混凝土的峰值变化说明了表层腐蚀的存在性和腐蚀时间依赖性。对球头脱离混凝土表面瞬间的冲击荷载——时间曲线分析表明, 随着腐蚀行为的进行, 卸荷过程中受冲击混凝土区域反作用于球头的冲量也逐渐降低;冲击过程中球头使混凝土局部区域发生弹塑性变形, 由于塑性变形基本无法恢复, 而弹性变形在卸载过程中基本发生完全恢复, 此时产生弹性恢复的能量主要转化为球头离开表面时的冲量;因此腐蚀行为的进行会降低混凝土表面的弹性。
为了进一步说明这个关系, 将冲击荷载—压痕尺寸关系列于图6。从图6可知, 在本试验范围内的混凝土冲击荷载—压痕尺寸关系近似呈现双线性;不论腐蚀时间多长, 混凝土总是在度过某一临界荷载后荷载不再随着压痕尺寸的增加而明显增加, 但是临界荷载以内的冲击荷载—压痕尺寸斜率却随着腐蚀的进行而降低。这种现象一方面说明了短期腐蚀不会改变混凝土表层以下的物理性能, 另一方面追踪到了混凝土表层物理性能随腐蚀的进行而逐渐劣化的现象。
3.2 腐蚀时间对溶液p H值和抗压强度比的影响
随着腐蚀的进行, 混凝土的碱性组分不断被溶液中的H+和NH4+所消耗, 溶液p H值远远大于初始值 (图7) , 从图7中可以发现, 最初的循环结束时溶液p H值变化最为剧烈, 而后的变化基本趋于平衡, 这说明了H+和NH4+一开始就造成了混凝土表面组分的大量溶蚀, 随着腐蚀的进行, 表面组分的溶蚀程度有所降低。
对相同龄期下受腐蚀和标准养护的混凝土抗压强度比进行分析可知 (图8) , 短期腐蚀不会对混凝土整体性能造成破坏。处于腐蚀溶液中的混凝土短期内表面会受到破坏, 而溶液中大量的水份却可以满足混凝土内水泥水化反应的需求, 在腐蚀破坏的速率低于水泥水化反应的速率时, 抗压强度比不具备精确追踪混凝土腐蚀程度的时效性。
3.3 腐蚀时间对混凝土表层动态硬度和恢复系数的影响
通过上文的分析可知, 宏观物理性能不能准确地表征短期腐蚀下混凝土遭受破坏的程度, 而腐蚀溶液p H值的变化特性只能应用于实验室的连续追踪, 在实际情况中, 混凝土遭受化学腐蚀破坏并非全部以可见溶液为介质。为此, 结合上文所述的公式, 在相同荷载水平下得到了不同腐蚀时间下混凝土动态硬度和恢复系数的近似值图9) 。在这里必须要说明的是, 动态硬度和恢复系数不是材料固有的参数, 它会随着材料的宏观性能、冲击荷载等因素的变化而迅速变化, 本文对混凝土动态硬度和恢复系数的定量化是建立在荷载与冲击高度基本相同的前提下。由图9可知, 随着腐蚀的进行, 混凝土表层的动态硬度和恢复系数均下降了, 且在第二个腐蚀周期之前下降的程度最明显, 由于动态硬度和恢复系数分别代表了材料表面在动荷载作用下抵抗局部塑性变形的能力和弹性损耗的特性, 因此随着腐蚀的进行, 混凝土表面不但抵抗塑性变形的能力减弱了, 而且弹性特性也发生了严重的降低。
4 结论
通过对混凝土进行短期腐蚀的试验, 可以得到如下结论:
(1) 由冲击荷载—时间关系曲线可知, 冲击结束后球头离开混凝土表面瞬间所储存的能量随着腐蚀时间的增加而减小;
(2) 由冲击荷载—压痕尺寸关系可知, 在限定高度的条件下, 混凝土冲击荷载—压痕尺寸关系特性表现为双线性, 这一特性在短期内不会随着腐蚀的进行而改变, 但是在荷载临界值之前曲线的斜率随着腐蚀的进行而逐渐降低;
(3) 随着腐蚀的进行, 混凝土的动态硬度、恢复系数逐渐降低, 并且降低的趋势在腐蚀前期最为剧烈, 因此, 研究混凝土早期的腐蚀变化对混凝土深层次的腐蚀破坏有重要意义。
(4) 抗压强度比不能对短期腐蚀条件下混凝土破坏的程度进行表征, 溶液p H值的变化无法使用于所有混凝土工程, 而冲击球压法可以对混凝土短期内的腐蚀破坏程度进行敏感、精确的表征, 因此, 通过冲击球压法可以方便、快捷地确定出混凝土在腐蚀过程中表面物理性能的变化。
摘要：混凝土是一种极易受环境介质影响的材料。为了探索可敏锐检测短期内环境腐蚀介质对混凝土表层物理性能破坏的测试方法, 利用冲击球压法研究了混凝土冲击荷载—压痕尺寸、冲击荷载—接触时间关系以及抗压强度比与腐蚀溶液pH值随腐蚀时间变化的特点。研究表明, 混凝土冲击荷载—压痕尺寸及接触时间的曲线不会随着腐蚀的进行而变化, 但是卸载结束后球头的受力状态和低荷载阶段的球头冲击状态却会随着腐蚀的进行而敏感变化。此外, 结合上述结论得到的相同荷载水平下混凝土的动态硬度和恢复系数表明:在腐蚀前期, 硫酸铵和酸溶液的混合腐蚀对混凝土表层物理性能的劣化起到重要作用。
腐蚀作用 篇5
硫酸盐腐蚀是造成混凝土材料损伤及过早破坏的主要因素,同时也是混凝土耐久性劣化的主要形式之一[1]。处在硫酸盐环境中的混凝土,其水泥水化产物与硫酸根离子容易发生反应生成钙矾石等膨胀性产物,从而改变混凝土内部化学成分及微观结构,致使混凝土发生膨胀开裂、剥落,最后性能严重劣化。当前,国内针对混凝土及砂浆抗硫酸盐腐蚀已有大量研究,其理论以及试验研究都相当成熟与完善,但这些成果主要停留在混凝土在硫酸盐环境作用下的反应机理以及影响混凝土性能发生劣化的因素分析等方面。文献[2-7]通过大量的试验研究以及理论分析得出了水胶比、孔隙率、p H值、温度、溶液浓度、环境条件、荷载等多种因素对混凝土耐久性的影响。文献[8-9]研究了不同腐蚀介质对混凝土性能的影响,得出了硫酸钠溶液中混凝土性能退化的幅度高于在硫酸镁溶液中的结论。文献[10]研究了混凝土在硫酸盐环境中抗压强度损伤模型,综合考虑了几个主要因素对混凝土强度退化的影响,建立了抗压强度与水胶比、龄期、腐蚀溶液浓度相关联的数学模型。
虽然上述模型及研究结果的规律均能评价混凝土和砂浆在硫酸盐中的性能优劣,但更多集中于对腐蚀混凝土试件力学性能试验结果的描述和分析上,而对于其内部的理论分析并不是很完善[11]。曹双寅[12]、刘汉坤[13]等人通过对混凝土进行剥落区、腐蚀区以及未腐蚀区的划分实现了分阶段定义硫酸盐对混凝土渗透的影响作用,并利用数值分析和试验结果验证了其模型的合理性。张敬书等[11]通过混凝土腐蚀层厚度的概念来区分腐蚀区和非腐蚀区,并给出评价腐蚀混凝土性能的腐蚀系数的计算方法。然而,其计算模型的适用性仍存在一定问题:第一,该模型主要针对混凝土模型而对于砂浆的未做针对性验证;第二,其模型系数并未考虑试件尺寸变化带来的影响;第三,模型的表达以及参数拟合过于繁琐。本文基于前人的研究成果,建立了棱柱体砂浆在硫酸盐环境中的蚀强模型,并采用双线性的强度损失率简化方法推导出了砂浆及混凝土在硫酸盐环境中的抗压强度耐蚀系数计算公式,通过对砂浆与混凝土试验结果的处理与分析得出其模型具有较强的适用性,能很好地评估砂浆及混凝土腐蚀程度。
1 试验
1.1 试件原材料
本试验综合考虑水胶比、粉煤灰因素共设计两类砂浆试件:水泥砂浆与粉煤灰砂浆,试件尺寸均为40mm×40mm×160mm,其中水泥砂浆试件按照水胶比0.4、0.5、0.6分为三类,每组试件均为3个;粉煤灰砂浆试块按粉煤灰含量分为20%、30%、40%三类,每组试件均为3个。砂子采用青岛大沽河中砂,最大粒径5mm,细度模数为2.7,堆积密度1.44g/cm3。两种砂浆的含水量、水泥含量、含砂量、粉煤灰掺量及高效减水剂含量见表1。试验所采用的水泥及粉煤灰为山东某水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥及粉煤灰,具体化学成分见表2。
1.2 硫酸盐腐蚀方案
硫酸盐腐蚀试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。试验除了考虑水胶比与粉煤灰两个因素对砂浆在硫酸盐作用下的性能影响,还设计了两组不同浓度的硫酸钠溶液,两组浓度分别为10%与20%。本试验一共进行四组腐蚀:第一组将水灰比为0.4的水泥砂浆置于水中浸泡,第二组及第三组将三种水灰比的水泥砂浆分别进行10%及20%浓度硫酸钠腐蚀,最后一组将粉煤灰砂浆试件置于10%浓度的硫酸钠溶液中浸泡。试件的取出时间分别为0d、28d、60d、90d、120d、150d及180d。
2 试验现象与试验结果
2.1 外观损伤分析
水胶比为0.6的水泥砂浆试件在20%浓度的硫酸钠溶液中随着浸泡时间的增长,其外观特征发生了明显变化,本文将试件外观特征的变化过程分为以下四个阶段:
表1 试验砂浆参数表
kg/m3
表2 水泥的化学成分
%
(1)基本完好。砂浆试块表面完整无损伤或局部存在轻微损伤略带少量孔洞,见图1(a)所示。
(2)轻微腐蚀。随着浸泡时间的增加,砂浆试块表面出现蜂窝状坑蚀,其砂浆表面开始出现局部的脱落现象,内部骨料开始初步暴露,对应浸泡时间为30~60d,见图1(b)所示。
(3)中度腐蚀。砂浆表面已经全部脱落,胶凝材料流失,砂浆试块表面的孔洞增多,对应浸泡时间为60~120d,砂浆损伤见图1(c)。
(4)重度腐蚀。砂浆掉渣较多,剥落相当严重,内部骨料暴露更为明显,骨料的分离较为严重,边角已经被腐蚀得很圆滑,对应浸泡时间在150d以上,砂浆的损伤见图1(d)。
不同配合比水泥砂浆试件的腐蚀程度大体相似,呈现出表面损伤程度随腐蚀天数的增加而加剧的规律,试件表面孔洞随水灰比增大有略微增加的趋势。对比不同粉煤灰含量的砂浆试件表面腐蚀情况,可以得出:试件表面的损伤程度随粉煤灰含量的增加呈现略微增强的趋势。对比不同浓度下砂浆的损伤状态可得:在腐蚀前期,浓度较大的溶液对砂浆的腐蚀更加迅速与明显,后期浓度对腐蚀影响速度的差别并不明显。
2.2 抗压强度退化规律
经过硫酸钠溶液腐蚀后的砂浆,其力学性能会发生明显变化,对具有不同腐蚀龄期的砂浆试件进行质量、动弹模量、离子浓度监测、抗折强度及抗压强度等一系列试验。表3为抗压强度试验值。
图1 硫酸钠溶液作用下砂浆的外观损伤
表3 不同龄期砂浆抗压强度
根据表3数据可知:两种砂浆在两种环境下的抗压强度均随时间的浸泡其抗压强度呈现先增长后下降的现象。对于不同水胶比、粉煤灰含量以及溶液浓度对其变化幅度和速度的影响需要进一步的数据分析。
3 棱柱体砂浆抗腐蚀系数
3.1 硫酸盐腐蚀机理
硫酸盐对混凝土与砂浆的腐蚀是一个复杂的物理过程与化学过程,其主要原因是SO42-与水泥水化产物中的Ca(OH)2、水化铝酸钙等发生化学反应,生成钙矾石和石膏以及水化硫铝酸钙等产物会使体积增大2~2.5倍[14,15,16],从而产生较大的膨胀力,使混凝土与砂浆产生膨胀性破坏,从而降低混凝土及砂浆的力学性能。根据其破坏机理与生成物可以将硫酸盐腐蚀分为以下四类:钙矾石结晶型、石膏结晶型、镁盐结晶型以及碳硫硅钙石结晶型[17,18,19]。
3.2 蚀强模型
以混凝土硫酸盐腐蚀模型理论为依据,本文将砂浆的破坏分为两阶段三区域。砂浆随着时间的变化分为强化阶段与劣化阶段,并形成裂缝发展区、膨胀区以及未腐蚀区三个区域。采用砂浆试件的模型图如图2所示,图中x、y分别表示腐蚀层厚度,h、b表示棱柱体砂浆截面的高度和宽度。
图2 棱柱体砂浆的两阶段及三区域
腐蚀前期,试块外围砂浆的力学性能处于强化阶段,该阶段砂浆试块的强度为膨胀密实区和未腐蚀区强度的叠加,其平均抗压强度的表达式为:
其中:A1、A2为强化阶段的膨胀区与未腐蚀区面积,对应抗压强度分别为f1与f2。
随着腐蚀时间的增加,砂浆试件处于劣化阶段,此时砂浆分为裂缝发展区、膨胀区以及未腐蚀区,其砂浆试块的了抗压强度的平均值为:
其中:A3、A4、A5分别为劣化阶段的裂缝发展区、膨胀区以及未腐蚀区面积,对应的抗压强度分别为f3、f4与f5。
3.3 抗腐蚀系数公式的推导
(1)强化阶段
混凝土抗压强度抗侵蚀系数Kf是评价混凝土抗侵蚀性的主要指标。
Kc定义为强度的损失率,并采用文献[20]提出的腐蚀的损失率建立等式如下:
其中:k1为抗压强度损失率影响系数,t为混凝土受腐蚀的时间,t0为砂浆抗压强度开始下降时的龄期。
根据腐蚀介质在混凝土中的渗透规律[10],并通过菲克定律计算得到混凝土在硫酸盐环境中的腐蚀层厚度:
式中:D为硫酸盐的扩散系数;c0为硫酸盐溶液的浓度;N为单位体积混凝土吸收硫酸盐的数量,N越大,说明单位体积混凝土吸收结合硫酸盐的数量越多,混凝土越容易被腐蚀。将公式(4)和公式(5)代入公式(3)中,得到棱柱体砂浆的抗侵蚀系数:
(2)劣化阶段
劣化阶段的混凝土抗压强度抗侵蚀系数Kf详见下式:
采用强度损失率与定义表达式[21]进行公式的建立,如下:
式中:α与β均为抗压强度损失率影响系数,经过试验拟合取得。
经验证发现,文献采用的损失率公式不能很好地反映真实的腐蚀状况,文献[11]将γ简化为1,但在其后期公式参数的回归方面存在一定的难度。根据一定的试验数据回归分析发现,当试验数据较少的情况下,采用线性的简化方式不仅可以降低公式的复杂性,还具有较好的精度,因而本文提出了蚀强率与腐蚀持续时间成近似线性关系的模型公式:
将公式(5)、公式(8)及公式(9)代入公式(7)中得到抗耐侵蚀系数:
(3)临界点等式的建立
当t=t0时,建立强化段末段与劣化段初始阶段的等式关系:
3.4 试验腐蚀系数确定与模型验证
通过对试验数据的处理与分析得出了各类砂浆在各种环境下抗侵蚀系数的峰值点以及对应的龄期,并采用了本文提出的抗侵蚀系数公式模型对试验数据进行拟合。图3~图5分别直观显示了不同水胶比的砂浆在10%溶液下的Kf值、相同水胶比的砂浆在不同浓度溶液下的Kf随龄期变化值以及不同粉煤灰砂浆在10%溶液下的Kf值。
图3 10%Na2SO4溶液下不同水灰比的砂浆Kf
图4 水灰比为0.4时不同溶液浓度下的砂浆Kf
图5 10%溶液下粉煤灰砂浆Kf
通过采用抗侵蚀系数公式对试验数据的拟合,得出了抗压强度损失率影响系数的数值以及拟合得到的抗压强度开始下降的龄期t0,见表4。
表4 回归得到的k1、k2、α以及t0值
由表4可以看出,在强化阶段,相关性的均值在0.92,相关性较高;在劣化阶段,拟合相关系数大于0.84,其相关系数均值达到0.89,这说明本文提出的抗侵蚀系数公式具有较好的精度,且采用简化的双折线蚀强模型对抗侵蚀公式的简化是合理可行的。
3.5 抗腐蚀系数公式的普遍应用
将本文提出的抗侵蚀系数公式应用于砂浆及混凝土的硫酸盐腐蚀试验,选取文献[11]、文献[8]、文献[21]试验作为研究对象,采用本文提出的棱柱体抗腐蚀系数模型,其试验结果与模型的计算图如图6~图8所示。
图6 文献[11]试验值与理论值
图7 文献[8]试验值与理论值
图8 文献[21]试验值与理论值
4 抗腐蚀系数影响因素分析
国内外针对混凝土及砂浆抗硫酸盐性能影响的研究已相当成熟,因此,本文对水胶比、粉煤灰含量以及溶液浓度对砂浆抗硫酸盐系数的影响只作简单分析,不过多赘述。通过图3及表4中的k1、k2以及a的值可以发现,水灰比对于抗侵蚀系数的影响较为显著,原因主要是在强化阶段混凝土内部孔隙被钙矾石和石膏结晶填充,有学者认为石膏晶体体积膨胀大约1.27倍,而钙矾石增加了2.7倍左右,其膨胀力使得砂浆抗压强度得到大幅提高[17];而在劣化阶段,砂浆的渗透性会随着水胶比的增大而增大,使得环境中的SO42-更容易与砂浆水化产物接触发生反应,从而使砂浆内部裂缝数量增多,最终导致强度降低。因此,随着混凝土水胶比的增大,其抗侵蚀系数下降趋势与幅度均呈现增强的现象。
通过本试验结果表明:砂浆抗压强度的衰减随着粉煤灰含量的改变得到明显的抑制,虽然图3中三者的衰减速度从直观上并无较大差异,但从表4模型参数的回归值可以得出,粉煤灰的掺加对于抗硫酸盐性能具有有利影响。这是因为粉煤灰形态效应和微骨料效应,使得砂浆的毛细孔被粉煤灰颗粒和生成的水化产物所填充,减少了孔隙,提高了砂浆的密实性,进一步减少了SO42-与水化产物的接触机会,从而降低了二者的反应概率。同时,粉煤灰的二次水化使得水溶液碱性降低,从而石膏与钙矾石结晶的速度和数量明显减小,抗硫酸盐腐蚀能力得到增强[2]。
硫酸钠溶液中SO42-质量浓度对砂浆的抗硫酸盐腐蚀性能有着显著的影响。通过图3以及表4数据可得,浓度较大的溶液中,砂浆抗侵蚀系数的变化更为迅速,这是因为不同浓度的SO42-会使腐蚀的机理及产物有所不同。浓度较高的溶液其腐蚀速度较快,所生成的产物加快了混凝土内部裂缝的形成和拓展,降低了砂浆的密实度,提高了渗透性,从而导致其性能降低。
5 结论
(1)通过数学模型的推导与试验结果的分析得出,两阶段三区域蚀强模型适用于硫酸盐环境下的棱柱体砂浆破坏过程。
(2)基于已有研究成果,提出了普遍适用于砂浆和混凝土抗侵蚀系数表达式,并采用双折线的蚀强模型对公式进行了简化,经过简化后的公式不仅具有较好的精度,并且使公式的应用以及最终参数的回归更加简便与高效。同时,通过分析得出了各个变量对抗侵蚀系数的影响。
(3)通过对一定量试验结果的研究验证了本文抗侵蚀系数的合理性,可普遍应用于硫酸盐作用下混凝土与砂浆侵蚀研究,从而为混凝土耐久性的评估提供了一定的理论依据。
摘要：基于已有混凝土耐久性研究成果,通过建立砂浆在硫酸盐溶液作用下的两阶段三区域蚀强模型,推导出了双阶段的抗腐蚀系数公式,并采用双折线的强度损失率对系数的表达进行了简化,该系数可以充分考虑硫酸盐浓度、腐蚀时间、腐蚀扩散程度以及试件尺寸等因素对砂浆力学性能的影响。通过结合试验结果和参数的具体分析得出:该系数模型具有较强的适用性,可准确有效地评估硫酸盐作用下混凝土及砂浆腐蚀程度,且所采用的简化方法不仅能满足结果的精确性要求,同时对于公式的表达与最终参数的拟合更加简便与高效。
腐蚀作用 篇6
关键词：钢纤维混凝土,梁式试件,腐蚀后疲劳黏结滑移
0前言
混凝土的耐久性不仅是使用问题,也涉及安全性,钢筋的锈蚀会导致黏结力下降,从而引起一系列的工程问题。 研究表明,钢纤维可有效阻止混凝土构件的腐蚀进程, 受外界作用时会起到阻裂、增强增韧作用[1,2], 基体抗拉强度较高 , 从而可提高黏结性能。 本研究通过电化学锈蚀的方法模拟海洋环境下钢筋混凝土的锈蚀情况,测试了钢筋锈蚀后钢纤维混凝土在疲劳荷载作用下的黏结滑移曲线,分析并研究了钢筋锈蚀率、钢纤维体积率和疲劳荷载作用对钢筋混凝土构件黏结性能的影响规律[3]。
1试验概况
1.1试验的设计和试件参数
试验采用RLEM-FIP-CEB建议的梁式黏结试件[4,5,6], 如图1所示 , 梁式试件 尺寸为100mm ×100mm×400mm,混凝土保护层厚度25mm。 为真实模拟钢筋在构件中的情况, 试件分为左右两部分, 中间用受拉钢筋和受压区的活动铰连接。 为防止钢筋在加载端的局部破坏和支座反力的影响,两端一段无黏结区,中间有效黏结长度为5d,即60mm。 受拉区试验钢筋采用1根HRB335、 直径为12mm的月牙纹钢筋。
采用正交设计试验[7],考虑以下四种因素 :钢纤维体积率、 疲劳荷载与静力极限黏结强度之比、钢筋锈蚀率、混凝土强度等级。 3个试件为一组,共制作9组试件,具体如表1所示。
1.2钢纤维混凝土梁式构件的电化学腐蚀
本试验模拟海洋环境下钢筋的锈蚀状况,采用电化学的方法加速锈蚀,将待锈蚀构件放入一定浓度的电解质溶液中,以钢筋作为阳极,不锈钢板作为阴极,设计装置见图2。
1.3弯曲黏结试验
采用四点弯曲加载试验方法[8,9],为保证钢筋端位移计不发生自由滑动,在试件左右两侧钢筋端粘贴带固定孔的亚克力板,并将玻璃片粘贴带在试件表面。 将位移计固定在试件梁的两端,测定钢筋与混凝土的相对滑移量,试验梁的任意一端钢筋发生黏结滑移破坏时即认为试件破坏。 试件的加载见图3和图4。
疲劳荷载取三种应力水平,疲劳荷载的最大值与静载 状态下的 极限黏结 强度的比 值分别取 为0.70、0.55和0.40。 疲劳荷载的最小值以试验过程中液压作动器达到稳定状态的最小值为准,取4k N。疲劳荷载的加载频率采用1Hz,荷载波形图为正弦波, 采用压-压循环的加载方式施加疲劳荷载。 加载时, 前三次以静力加载的方式施加拟动力加载,施加疲劳荷载时,设置静力加载至平均值,然后采用计算机发送加载谱,由液压伺服系统自动控制。 通过试验, 采用加载次数以2万次为限, 加载过程如图5所示。
2试验结果与分析
2.1破坏形态
在不同疲劳荷载下,试件最终的黏结破坏形态和静力作用下的破坏形态相似[10,11,12]。 大致分为三种:1钢筋拔出破坏;2混凝土劈裂破坏;3钢筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏同时发生。
钢筋锈蚀程度的不同,会导致试件具有不同的破坏形式。 锈蚀程度低时,发生钢筋的拔出破坏;当锈蚀较大时,由于钢筋的锈蚀会使结构或构件的内部产生膨胀裂缝,此时会发生沿膨胀裂缝发展方向的劈裂破坏。
2.2极限黏结强度和最大滑移量
本试验采用四点弯曲法测黏结应力[13],根据荷载传感器所得到的数据, 经过力学处理求得黏结力,见表2。
2.3荷载-滑移曲线
本试验对9组试件的数据进行处理,并绘制荷载-滑移量滞回曲线, 选择有代表性的曲线进行比较。 得到的部分荷载-滑移量曲线见图6~图8。
2.4钢纤维混凝土腐蚀后疲劳粘结滑移性能分析
2.4.1荷载滑移曲线分析
从滞回曲线可见,试件中掺入钢纤维可使每一个滞回环形成的包络线更加饱满。 试件中钢纤维掺量为0时,滞回环曲线呈梭形;钢纤维掺量为1%和1.5%时 ,随着钢纤维掺量的增加 , 滞回环曲线呈梭形,但形状表现为更加饱满,这说明钢纤维可有效提高结构或构件的变形能力。
2.4.2荷载-滑移曲线的斜率
由图6~图8可见,随着疲劳荷载循环次数的增加,荷载-滑移曲线每个循环的加载段(或卸载段) 与上一个循环的加载段(或卸载段)相比,曲线的斜率逐渐变大。 每个疲劳循环的加载段,曲线的斜率随疲劳荷载的增大而减小,且减小的程度随循环次数的增加而加快。 比较每次循环加载段可知,后次循环的加载段曲线比前次循环加载段曲线斜率减小,表明在疲劳荷载作用下,构件的黏结刚度逐渐退化。 曲线上卸载段的斜率比同一个循环中加载段的斜率小,表明卸载时发生了黏结刚度的退化[14]。
3结论
(1)通过对腐蚀后钢纤维混凝土在疲劳荷载作用下的试验,得到荷载-滑移曲线,每一循环周期的滞回环曲线具有非常相似的梭形,随着钢纤维掺量的增加,滞回环曲线形状更加饱满,表明钢纤维可有效提高黏结性能。
(2)荷载-滑移曲线的斜率随疲劳荷载的增大而减小, 且减小的程度随着循环次数的增加而增大。 比较每次循环的加载段可知,后次循环的加载段曲线比前次循环加载段曲线斜率减小,表明在疲劳荷载作用下构件的黏结刚度逐渐退化。
腐蚀作用 篇7
为了保证埋地钢质管道安全运行,延长管道使用寿命,根据有关技术规范[1],埋地钢质管道腐蚀控制必须采用防腐蚀层和阴极保护联合的方法。但随着管道敷设时间的增加,防腐蚀层会逐渐出现各种问题,如防腐蚀层的破损和自然老化;在防腐蚀层有缺陷的情况下,阴极保护措施能够保护钢管不受腐蚀,但水等介质一旦侵入,破损的防腐蚀层与管道的界面将会发生电化学腐蚀,最终导致防腐蚀涂层发生阴极剥离。阴极剥离性能是管道防腐蚀层的重要性能之一,它的优劣直接关系到涂层与阴极保护的联合效果[2]。因此,加强埋地钢质管道防腐蚀层阴极剥离作用的研究,对油气管道的正常运行具有重要意义。
1 阴极剥离
1.1 阴极剥离的机理
阴极剥离的机理研究在20世纪70年代左右就受到了关注,利用各种电化学、表面分析技术对此进行了研究[3,4,5,6],也利用数学模型对此进行了模拟计算[7,8]。
在阴极保护条件下,主要发生的电化学反应如下[9]:
根据上述反应,目前对阴极剥离机理的主要研究结论可以概括为以下5点[10]:(1)阴极反应产物OH-和涂层极性基团直接反应,使有机涂层和金属间结合力降低导致阴极剥离;(2)阴极反应发生后为了保持电荷守恒,金属阳离子迁移到金属/涂层界面和OH-结合形成的碱性氢氧化物在金属表面积聚发生体积膨胀,导致涂层剥离;(3)氧还原过程产生的具有氧化性的活性中间产物破坏涂层金属间的结合键,导致涂层剥离;(4)金属表面预先存在的氧化物还原并溶解在碱性溶液中导致涂层剥离;(5)金属界面高p H值水溶液使涂层发生位移而引起剥离。
1.2 阴极剥离产生的条件
(1)防腐蚀层破损管道防腐蚀层阴极剥离产生的首要条件是防腐蚀层破损。当防腐蚀层完整性很好、无缺陷,防腐蚀层有很好的抗渗透性且与被保护的金属表面粘结很好时,单靠渗透,介质不能通过防腐蚀层到达金属表面,阴极保护不起作用,更不会引起阴极剥离。因此,防腐蚀层破损是阴极剥离产生的内因。
(2)阴极反应产生过剩的OH-阴极剥离原理说明,阴极反应产生过剩OH-,是阴极剥离产生的主要外部因素。从阴极反应原理可知,阴极反应需要水、氧等的参与,因此,阴极剥离产生的基本条件应是在阴极保护的条件下,钢管表面有水等腐蚀介质存在。
1.3 阴极剥离产物
目前在研究防腐蚀层阴极剥离作用的多数文献中,较少提及防腐蚀层及其补强和补口材料在发生阴极剥离后的现象及其产物。为区别管道防腐蚀层的机械剥离和阴极剥离,有必要研究管道防腐蚀层阴极剥离伴随的现象及产物。
张婷等[11]采用阴极剥离试验研究了管道防腐蚀层的阴极剥离产物,通过扫描电子显微镜、红外光谱仪、综合热分析仪等对阴极剥离区域及其产物进行了分析。结果表明,当管道3PE防腐蚀层发生阴极剥离时,其剥离区域内生成了白色产物。该产物为混合物,主要由3PE防腐蚀层的粘胶层或环氧底漆在碱性条件下的解离产物及钙、镁离子形成的无机盐共同组成。
2 防腐蚀层发生阴极剥离的影响因素
2.1 涂层厚度
防腐蚀层必须起到绝缘和隔离的作用,低导电性和优良的致密性有利于防腐蚀层提高自身的防腐蚀能力[12,13]。涂层厚度对涂层耐阴极剥离性能有一定的影响,恰当的厚度是保证涂层使用寿命的有效途径之一[14]。
唐谊平等[9]在研究3层结构聚烯烃防腐蚀层阴极剥离的过程中指出,FBE层(熔结环氧粉末层,作为3 PE涂层的底层或第一层与金属表面直接粘结,其性能好坏直接影响到3PE涂层的防腐蚀效果)越厚,3 PE涂层的耐阴极剥离性能越好,必须达到一个最低膜厚(150μm),才能保证整个涂层体系拥有良好的防腐蚀性能。Sorensen等[15]研究了不同厚度、含有填料的环氧涂层(115~256μm)/金属体系的剥离距离随时间的变化规律,结果发现剥离距离随涂层厚度的增加而减少。这是因为涂层厚度增加,离子穿过涂层到达涂层/金属界面更加困难。Luo等[16]通过交流阻抗试验验证了增加涂层厚度可延长涂层的阴极剥离时间。涂层剥离前期,其剥离速度十分缓慢,而后剥离面积与涂层的剥离时间呈线性函数关系。张丰等[17]认为,增厚涂层可增加水分子与氧分子的迁移路径,延长迁移时间,减缓涂层剥离速率,减小剥离区域。陈晶等[18]对不同涂层厚度条件下的环氧底漆进行了阴极剥离试验,结果发现环氧底漆的厚度对抗阴极剥离性能有着直接的影响,涂层厚度越大,阴极剥离半径越小。
2.2 阴极保护电位
阴极保护最重要的工作是保护电位的控制,必须保证管道的电位处于合理的范围内,过高或过低都会产生不利的影响。
2.2.1 极化电位
刘征等[19]在研究极化电位对埋地钢质管道涂层剥离的影响时发现,当断电电位达到析氢电位(-1.2 V)(相对于饱和Cu/Cu SO4参比电极)时,管道的通、断电电位绝对值并不一定随着距离的增加而减小,但会引起破损点周围的涂层发生阴极剥离,继而造成管道的穿孔腐蚀。涂明跃等[20]通过对阴极剥离原理的分析,用试验证实了阴极剥离距离随极化电位变化不明显。6个极化电位下的阴极剥离距离基本在平均值9.8 mm上下浮动,说明65℃,7 d条件下,极化电位变化基本不影响防腐蚀层的阴极剥离。龚敏等[21]研究了不同阴极保护电位下,当管道防腐蚀层存在缺陷时,对其进行保护的阴极保护电流会随着阴极保护电位的负移而增大。在防腐蚀层发生阴极剥离的过程中,-1.0 V(相对于饱和甘汞电极,SCE)和-1.5 V(相对SCE)的阴极保护电位使得试样的阴极保护电流随时间的延长呈减小趋势,而在负于析氢电位的极化电位下,试样的阴极保护电流存在一定的波动性。王力伟等[22]分析了极化电位对Q235埋地钢管3LPE防蚀层耐阴极剥离性能的影响,结果表明,防蚀层剥离距离随着阴极电位的降低而增加;在25℃时,当阴极保护电位高于-1.28 V(vs SCE)时,3LPE防蚀层破损孔处不存在明显的阴极剥离,当阴极保护电位低于-1.28 V(vs SCE)时,阴极剥离程度加剧;3LPE防蚀层最佳保护电位为-0.85~1.35 V(vs SCE)。马长福等[23]采用人工模拟加速剥离,在不同温度、时间条件下的试验都表明,极化电位在-1.5~4.0 V(相对于饱和Cu/Cu SO4参比电极)范围内,3PE防腐蚀层阴极剥离半径都保持在一个基本稳定的数值。所以,3PE防腐蚀层最大保护电位至少负于-2.0 V(相对于饱和Cu/Cu SO4参比电极),牺牲阳极的开路电位都正于-1.7 V(相对于饱和Cu/CuSO4参比电极),故牺牲阳极不会导致3PE防腐蚀层发生阴极剥离。
2.2.2 最大保护电位
根据有关规范,对于不同的保护涂层,推荐的最大保护电位不同,如石油沥青覆盖层为-1.5 V(相对于饱和Cu/Cu SO4参比电极,下同),环氧粉末涂层为-2.0V[1]。对于最大保护电位的确定,国内研究较少,特别是针对长输埋地钢质管道。有些油田进行过石油沥青覆盖层的实际阴极剥离试验,较为统一的认识是-1.7 V是有害剥离的始点,一般认为-1.5 V为安全值。
杨印臣[24]指出影响最大保护电位数值的防腐蚀层性能指标主要有粘接力、含水量、阴极剥离半径、耐碱性等。“三层”PE防腐蚀层的最大保护电位至少负于-2.0 V,而各种牺牲阳极的开路电位都高于-1.7 V,故“三层”PE防腐蚀层使用牺牲阳极时,无需考虑“过保护”导致剥离的问题。熊娟等[25]认为析氢和断电电位有直接关系,尽管析氢并不意味着防腐蚀层的剥离,但在实际生产管理中,仍然以控制析氢作为最大保护电位的标准。
2.3 防腐蚀层温度
温度也是影响防腐蚀层发生阴极剥离的重要因素。娄月霞[26]通过试验对比了钢管预处理和涂敷温度的不同对3PE防腐蚀层造成的性能差别。在涂敷段,钢管的预热温度对环氧粉末影响很大,在48 h的阴极剥离中各温度段的试件阴极剥离半径不大,但随着浸泡时间增加,防腐蚀层的抗阴极剥离性能变化很明显,210℃时,涂层的防腐蚀性能最好,180℃时防腐蚀性能次之,150℃最差。另外,在3PE防腐蚀管生产过程中,涂敷区钢管温度控制在210℃时,环氧粉末涂层的固化度最好。杨耀辉等[27]研究了不同固化温度对环氧底漆耐阴极剥离性能的影响,结果表明,固化温度在130℃以下时,阴极剥离半径为10.0mm左右,固化温度升高到140℃,阴极剥离半径增加到14.2 mm。温度过高时涂层分子链易断裂,造成降解、分解等副反应,涂层被烤焦,造成耐阴极剥离性能下降。那骥宇等[28]通过对正交试验的分析,得出涂层阴极剥离距离随着体系温度的升高而增大,随着涂层厚度的增大而减小。
2.4 防腐蚀层种类
对于外防腐蚀层保护和阴极保护的作用,美国腐蚀工程师协会认为,外防腐蚀层保护是主要的,占99%,阴极保护是辅助的,当外防腐蚀层选择不当时,阴极保护将不能发挥作用。常用的管道外防腐蚀层有[29]:
(1)煤焦油瓷漆防腐蚀层:煤焦油瓷漆具有吸水率低、电绝缘性能好、抗细菌腐蚀等特点,是国内外用于管道防腐蚀的主要材料之一;
(2)聚乙烯防腐蚀层:近20年来在国内埋地长输管道上获得了广泛应用。3层PE防腐蚀层既有熔结环氧粉末涂层的强粘结性能、良好的耐阴极剥离性能,又有PE良好的力学性能和抗透湿性能。但造价较高,涂敷工艺复杂;
(3)熔结环氧粉末涂层(FBE):FBE是由环氧树脂、固化剂等组成的单组分涂料,其优点是与金属的粘结力好,抗阴极屏蔽和阴极剥离能力强,无污染、抗弯曲性能好、耐土壤应力好等。但由于热喷涂操作价格较高,涂装过程要求也十分严格。
张其滨等[30]研究了3PE涂层、聚乙烯热收缩带、聚乙烯胶带3种防腐蚀层的阴极剥离性能,结果表明聚乙烯胶带体系的阴极剥离距离随着试验时间的延长或温度的升高而明显增大;在一定的试验温度和极化电位条件下,3PE涂层的阴极剥离距离随时间的延长线性增大;3PE涂层的耐阴极剥离性能比聚乙烯热收缩带和聚乙烯胶带的要好得多。刘征等[19]在研究3种涂层阴极剥离试验中发现,防腐蚀涂层不同的管道,其破损处的阴极剥离距离不同,3种涂层的抗阴极剥离能力由大到小依次为3PE涂层>热伸缩套涂层>石油沥青涂层。龚敏等[21]研究了3种聚乙烯防腐蚀层在不同条件下的抗阴极剥离性能,得出当阴极保护电位负于-1.5 V时,聚乙烯防腐蚀层与金属基体之间会出现较大距离的阴极剥离,热收缩带(套)的阴极剥离效应远大于3PE防腐蚀层。随着保护电位的负移,3种防腐蚀层的阴极剥离距离均有一定程度的增加,聚乙烯热收缩套(带)表现得更为明显,说明过负的阴极保护电位并不能起到更好保护钢质管道的作用。
2.5 其他影响因素
防腐蚀层的附着力对防腐蚀层阴极剥离也有一定影响。杨耀辉等[27]利用电化学阻抗谱法进行试验,发现涂层附着力大的阴极剥离半径就小,可见涂层与基体金属的附着力对阴极剥离速度有一定的影响,提高附着力在一定程度上可以提高涂层的抗阴极剥离性能。Roy等[31]认为,涂膜的耐阴极剥离性能与涂膜的干膜附着力无关,而与涂层的湿附着力有关。Harun等[32]却认为,涂膜的耐阴极剥离性能与涂层的附着力没有直接关系,许多附着力较差的涂层有着很好的耐阴极剥离性能。
王力伟等[22]通过试验发现在试验周期内,防腐蚀层缺陷孔径小于4 mm时,防腐蚀层阻抗Rc没有明显变化;随着缺陷孔径的增大,防腐蚀层阻抗Rc减小至106Ω·cm2以下,保护性能减弱。
张其滨等[30]还研究了试验时间对3PE涂层阴极剥离性能的影响,试验结果表明在一定的温度和极化电位条件下,阴极剥离距离随着试验时间的延长呈线性增大的趋势。
交变应力是有机涂层阴极剥离的一个重要的影响因素。郑宇礼等[33]对16Mn钢与CCSB钢(中国船级社认证的一种B级船板用钢)表面环氧沥青基有机涂层在常幅交变应力与腐蚀介质共同作用下的阴极剥离行为进行了研究。结果表明,在没有外加应力条件下,涂层具有良好的界面黏附性;而在交变载荷作用的条件下,应力与局部应变集中通过影响有机涂层的介质传输与界面状态,使有机涂层在介质中的阴极剥离抗力显著降低,降低幅度随外加应力水平而升高。
3 防腐蚀层局部剥离的危害
3.1 对阴极保护电流的屏蔽作用
管道防腐蚀层与钢管表面剥离后,保护电流到达被保护金属表面的数量减少,即阴极保护电流受到屏蔽。这种屏蔽现象的出现使防腐蚀层剥离处的钢管得不到应有的保护,水和腐蚀性介质由外部土壤通过防腐蚀层的缺陷或固有的微孔渗入,造成钢管表面腐蚀。即使在干燥季节,因剥离的防腐蚀层阻止了土壤湿润时渗入钢管表面水分的蒸发,而干燥的土壤高电阻率也对阴极保护电流有一定屏蔽作用,使该区域的管段处于严重的腐蚀环境中。随着腐蚀产物的生成,又迫使防腐蚀层与管体进一步剥离,形成较大面积的腐蚀环境,最终导致管道减薄穿孔[34]。
3.2 管道的应力腐蚀
应力腐蚀是指因外加应力或残余应力与腐蚀联合作用导致的材料破坏。处于阴极保护状态下的埋地管道,在防腐蚀层剥离部位由应力腐蚀开裂引发的事故是埋地管道的主要破坏形式之一。应力腐蚀危害的严重性还表现在,即使在远低于管材屈服极限的应力条件或腐蚀性较弱的环境下,并且没有减薄或变形先兆的情况下也会突然断裂而造成严重事故。应力作用下的钢管在以下两种腐蚀环境中极易产生应力开裂[35]。
(1)碱性环境有关试验及现场调查表明[36],阴极反应过程会引起碱性物质在管道外表面聚积(这类物质由Na OH、Na2CO3/Na HCO3溶液和含溶解氧的水组成)渗入钢管表面后,当保护电位为-0.7 V(相对于饱和Cu/Cu SO4参比电极)时,易引发碱性破裂(简称碱脆)。
(2)酸性环境来自空气、水或腐烂植物所生成的CO2溶于水后,产生的氢离子以及在阴极保护过程中钢管表面的析氢反应,易引起管道应力开裂。即水化的氢离子在阴极电位的作用下通过迁移到达钢管表面,氢离子获得电子后变为氢原子,部分氢原子进入金属晶格而形成氢分子,所积累的氢气压力引起氢致裂纹,致使管道在应力的作用下形成开裂。
4 防腐蚀层阴极剥离的研究方法
4.1 电化学阻抗谱(EIS)方法
电化学阻抗谱(EIS)方法是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波,测量交流电势与电流信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化,或者是阻抗的相位角随ω的变化,然后根据数学模型或相应的等效电路模型对阻抗谱或导纳谱进行分析、拟合,进而分析电极过程动力学、双电层和扩散、研究腐蚀防护机理的一种方法[37,38,39,40]。EIS小幅的信号对体系的影响非常小,可以对样品进行反复、长时间的测试;同时能提供不同频率范围内的电阻、电容信息,因此在研究涂层保护性能的众多方法中成为最主要的一种电化学方法[41]。在美国,用EIS方法评价涂层性能已有ASTM标准[42]。EIS已成为研究涂层阴极剥离现象的重要方法之一。
何杰等[43]采用电化学方法研究了环氧沥青涂层和环氧铝粉涂层在3.5%Na Cl溶液中的腐蚀行为。结果表明,腐蚀介质能够较快地渗入涂层到达界面,使涂层的屏蔽作用降低,生成的腐蚀产物可在一定程度上抑制腐蚀的发展。
尽管EIS技术为研究有机涂层性能以及涂层金属体系劣化发展的过程提供了技术支持,但是实际过程中涂层的劣化(涂层的起泡、剥离等)大都首先发生在在局部区域,因此这些信息很容易被整体的信号平均化,往往无法反映实际的阻抗响应,而且相应的EIS数据也难以解析[44]。另外EIS提供的整体信息通常无法反映实际情况下剥离现象的发生、发展,也不能提供失效源于何种缺陷的信息。所以寻找和发展新的局部涂层测试技术势在必行。
4.2 局部交流阻抗(LEIS)技术
局部交流阻抗(LEIS)技术可以对涂层金属样品局部阻抗谱进行测量,而且能提供涂层局部破损处的阻抗谱变化,确定涂层劣化的发生部位,并且能够提供缺陷处发生反应的重要信息,因其能够弥补传统电化学阻抗谱的不足,所以在研究涂层劣化过程中得到了广泛的应用[45,46,47,48]。
Jean-Baptiste等[49]利用局部电化学阻抗技术研究了钢/环氧涂层界面的阴极剥离过程。结果表明,由于剥离面积远远大于探针的面积,测量结果的精确度很高;应用LEIS清楚地获得了涂层剥离的萌生和扩展信息,研究表明腐蚀产物堆积和氧扩散在剥离扩展过程中起着重要作用。Dehri等[50]发现LEIS仅能对离切割边缘一定距离区域内的阻抗进行响应,超过此距离由于涂层阻抗较大,体系导通性受到影响,从离切割边缘34~40μm的区域涂层阻抗开始迅速降低,到22μm时阻抗响应能够反映涂层阻抗或失效信息。
4.3 扫描开尔文探针(SKP)技术
扫描开尔文探针(SKP)技术可以在不接触金属表面的情况下测定金属的局部电位,通过对电位的测量,实现对涂层剥离现象的实时监测,快速、准确地确定阴极剥离发生的位置和剥离的大小程度,准确地提供涂层阴极剥离的时间和空间信息[51],极大地弥补了传统的电化学阻抗谱方法对阻抗局部响应滞后的不足,已逐渐成为研究涂层阴极剥离过程重要的电化学方法之一[49]。
Crundmerier等[52]首次将SKP技术应用于腐蚀研究,并用SKP对有机涂层的剥离行为进行了研究,发现了腐蚀初始阶段的涂层起泡现象,研究认为碳钢表面的涂层剥离行为受阴极剥离机制控制,剥离前沿作为腐蚀反应的阴极,主要发生氧的还原反应,导致该处碱性增大,H2O2和OH-等破坏性离子含量增加减弱了金属与涂层之间的结合力,从而引起涂层的剥离。Furbeth等[53]研究了镀锌钢板镀锌层和钢基体上的有机涂层剥离现象,发现完整镀锌层上的涂层剥落由原电池的形成决定,剥落区域的氧还原反应使锌/涂层界面发生碱化,其自身的氧化反应导致较厚的碱性氧化物层的形成;钢基体上的涂层剥离初期钢基体作为阴极与阳极形成电偶从而被保护,随着腐蚀时间的推移,阴极逐渐被剥离区取代导致阴极保护距离减小。张伟等[54]通过测量有机涂层下的Kelvin电位分布,检测涂层的剥离和层下腐蚀,认为SKP能够准确确定有机涂层的剥离部位。
4.4 其他研究方法
电化学噪声(EN)技术作为一种原位无损的监测技术,无须对研究电极施加可能改变其表面电极反应的外界扰动,也无须预先建立电极过程模型,并且检测设备简单、可以实现远距离监测,能较准确地评价材料耐蚀性和涂层的防护能力,在腐蚀与防护领域得到了长期的发展[55,56]。电化学噪声测量方法分为恒流法和恒电位法2种。恒流法在采用双参比电极进行测量时要引入外电路的信号,会对测量产生干扰,未得到广泛应用;恒电位方法通常是在开路电位下对研究电极表面的电流或者电压进行测量,尽可能地减小了对测量体系的干扰。
扫描参比电极(SRET)技术可以测量局部电极电位以及表面不同位置的电位分布。近年间发展的扫描振动电极技术(SVET),通过测量局部电流密度分布来探测涂层中的局部缺陷,弥补了EIS作为一种测量宏观表面的方法能够探测到缺陷的存在、但不能确定其位置的缺点。Khobaib等[57]用SVET法成功地研究了涂层下的金属腐蚀行为,通过对试样表面的扫描得到了涂层下金属腐蚀活性的二维分布图,能够分辨涂层下方的缺陷和活性点。
扫描电化学显微镜(SECM)的分辨率介于普通光学显微镜与扫描隧道显微镜(STM)之间,其最大特点是可以在溶液体系中进行实时、现场、三维空间观测;当SECM微探针靠近电极表面时,扫描微探针的氧化还原电流与溶液组分、微探针与基底表面距离以及电极表面特性等密切相关[58]。因此,通过扫描测量电极表面不同位置上微探针的法拉第电流图像,即可直接表征电极表面形貌和电化学活性分布。
5 展望
(1)影响防腐蚀层阴极剥离的因素较多,但研究杂散电流对防腐蚀层阴极剥离性能影响的相关内容却几乎没有。而对于实际管道敷设的腐蚀环境来说,杂散电流的流入势必会对防腐蚀层阴极剥离性能产生影响。因此,研究杂散电流对管道防腐蚀层阴极剥离性能的影响,分析其腐蚀行为,并得出腐蚀规律,对油气管道的正常运行具有重要意义。
腐蚀作用 篇8
1 化学教学改革促进创新人才培养的实践
1.1 充分利用现代化教学手段, 开展多种形式的课堂教学
课程改革的方向是朝着简单, 实用的方向发展, 近年来, 一些化学主干课程的学时被压缩, 而化学是一门发展异常迅速的学科, 那么基础知识的教学和新知识的引入与课程学时被压缩存在矛盾。为了化解这一矛盾, 应当鼓励教师利用多媒体教学手段, 鼓励教师自制计算机辅助教学课件, 将化学发展的新成果, 新技术, 新方法等以图文并茂的形式引入课堂, 使学生能够及时了解学科发展的前沿, 即可扩宽学生的视野, 又可节约教学时间。
1.2 改革实验教学, 培养学生创新能力
教学改革的重要任务之一是培养学生的探索、创新精神, 获取新知识的方法, 以及终身学习的习惯。在“有机化学”教学中, 实验课是最能发展学生智力和动手能力的, 也是培养学生创新精神和科学思维方法的重要环节。为此我们力求做到如下几点:1) 仔细挑选实验内容, 既要考虑培养学生全面的基本操作技能, 又要注意到反应的经典型与代表性, 并适当引入含有新反应, 新方法和新技术的有机合成实验。2) 要充分考虑学生将来多种发展的需要, 加强综合性实验和独立设计实验的训练。要求学生自行设计实验方案, 对各种可能结果做出分析和预测, 通过试验, 认真分析实验中的异常现象, 分析数据, 得出正确结论。
1.3 将科学研究融入教学, 将科研优势转化为教学优势
科研本身就是创新, 实践性的科研和理论教学要联系起来。我们鼓励学生培养起自己的科研兴趣, 对感兴趣的科研方向, 鼓励他们利用图书馆、网络以及到实验室到工厂进行实际调查等多渠道收集信息, 在此基础上, 我们给学生提供一些研究性实验的机会, 同时, 我们鼓励本科生进实验室, 与研究生一起来完成老师的课题, 增强学生的动手能力以及理论联系实际的能力。
1.4 采用启发式教学
根据现代教育理论, 教学方法的主体是学法, 即叙说学习方法的掌握和运用。主要是引导学生掌握科学的研究和学习方法, 学会自主学习的能力, 建立一种提出问题-分析问题-解决问题的思维方式, 但有时模糊的跳跃式的思维也能使问题柳暗花明。所以教师要注意运用启发式教学模式, 使学生的学习能力得以锻炼和提高。另外, 要求教师适当增加讨论课的内容, 培养学生自主思考, 集思广益的能力。在教学过程中多采用设问和反问教学法, 让学生带着问题学, 有目的的学, 不但能激发学生的兴趣, 促使学生参与教学的热情极大的提高, 那么教学氛围自然就活跃起来了, 这样即启发了学生的思维又让学生掌握了学习的内容。
化学课程教学改革在腐蚀与防护专业中已经开展一年多的时间, 取得了非常好的教学效果, 学生的期末平均成绩较往届提高了15%, 大三的腐蚀与防护学生下实验室率达到55%, 有的学生还参加了省里的挑战杯比赛, 并获得了不错的成绩。然而, 面对当今社会越来越需要复合型的人才, 我们对人才的培养不能仅局限于校内的课程教学改革, 为此, 我们从加强化学实践性教学环节改革等方面对人才培养模式进行了探索。
2 注重实践教学的人才培养模式
2.1 腐蚀与防护专业应用型人才培养的目标定位
应用型本科院校定位于大众化高等教育层次, 以服务地方和区域经济与社会发展, 培养一线实用型人才为主要任务。江苏科技大学作为第二批本科院校, 其培养的人才主要是为江苏省及长三角地区地方经济服务, 这一地区经济发达, 各类企业众多, 需要大量具有实践能力与创新能力的高素质应用型人才。传统高校的腐蚀与防护专业以培养教学型和研究型人才为主, 注重学生理论知识的培养, 培养出的学生毕业后以去大专院校和科研院所为主, 这不适合我们的培养目标。我们要求学生在四年的学习中掌握大量的应用技能和实践能力, 能迅速进入企业为生产第一线服务。因此, 我们提出腐蚀与防护本科专业应用型人才培养的重点是:突出实践, 强化应用, 特别注重学生应用能力, 创新能力和实践能力的培养和训练, 要把实践教学环节贯穿教学全过程。
2.2 转变实践教学指导思想
我们培养腐蚀与防护应用型人才的目标, 就是要做到理科与工科相结合, 理论与实践相结合。作为二本院校的应用型人才培养, 可以适当降低理论研究的抽象性与深刻性, 相反却应在工程技术应用上多下功夫。因此实验教学就不应该仅仅是对理论知识的验证, 还应注重培养学生的工程应用能力, 要让学生系统地高度把握, 融会贯通所学的专业知识, 并能迅速应用的实际中去。
2.3 构建校企联合的实践教学平台
企业真实的工作环境和生产条件是高校的宝贵办学资源。高校应主动和地方企业联合, 优势互补, 使高校的人才培养与企业的人才需求形成良性互动, 获得校企双赢。腐蚀与防护专业已在江苏省多家企业建立了实习基地, 了解目前企业对人才的需求状况和要求。通过大量的走访, 我们了解了企业对目前高校毕业生知识与技能的真实需要, 也使我们看到了我们在人才技能培养方面的不足, 同时与多家企业签订了实习基地和人才联合培养协议, 构建了校企联合的实践教学平台。在校内外教师的联合指导下, 结合企业工程实际, 完成毕业设计。通过构建校企联合的实践教学平台, 把以往大学生毕业后的企业再教育纳入人才培养方案, 实现了学校培养与企业的岗前培养并行, 有效缩短了应用型专门人才的成熟期。同时, 增加了学生与企业的亲和力, 也给企业发现, 培养, 聘用优秀人才提供了平台。
2.4 实践教学环节的教学内容
2.4.1 设置综合性, 应用性实践教学环节
传统的实践教学环节依附于课程, 为课程教学服务, 不利于学生综合应用能力的培养。为此, 把实践环节与课程相对独立出来, 设置部分综合性, 应用性实践教学环节。以能力培养为主线, 各个实践教学群有机衔接, 不断强化学生腐蚀与防护专业应用能力, 提高学生综合素质。
2.4.2 强化实践能力与创新能力培养
通过校内外实践教学, 学生在课堂上获得的知识在企业的生产实践中得到验证, 有利于对理论知识的深入理解与融合;经过课内外的实践, 让学生接触新问题, 学会解决新问题, 强化了学生的实践意识与创新意识;通过校外指导教师的对口培养, 学生可以较早地感受企业文化, 建立与企业的感情, 同时也有利于企业发现, 培养和留住优秀人才.此外;校企联合还为高校教师的科研实践提高了平台, 有利于地方高校的学科与专业建设。通过人才培养途径, 培养方式的创新与改革, 拓宽了腐蚀与防护专业人才培养的培养时间与培养空间, 面培养和提高学生综合素质, 形成了三维立体化的人才培养模式。
3 结语
人才的培养要与国家、社会、企业的需要为导向, 因此在进行校内课程改革的同时必须加强学校与社会和企业之间的合作与交流。而培养实用创新型人才的关键是科学的人才培养模式, 为此, 在我院进行了化学课程改革以及人才培养模式探索, 取得了积极的成果, 也发现了一些不足之处, 为了更好地培养出对社会有用的人才, 我们将继续大力进行人才培养模式的改革, 做到与时俱进。
摘要：随着国家经济建设的需求变化, 对高校的人才培养提出了更高的要求。企业更加重视人才的实用性。笔者以化学课程教学改革为切入点, 以培养实用型人才为出发点, 探索腐蚀与防护专业实用型人才培养模式。
关键词：化学课程,腐蚀与防护,切入点
参考文献