CN113817934B - 一种锌镁合金智能牺牲阳极材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锌镁合金智能牺牲阳极材料及其应用，其化学成分质量百分比为：Mg：10‑11％，Al：0.1‑0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。本发明中的锌镁合金智能牺牲阳极材料对氯离子敏感，能够有效检测氯离子是否入侵到混凝土中；与钢的电偶电位高于钢的析氢电位，能够保护钢在混凝土中不受腐蚀，同时不对钢筋形成欠保护和过保护，改善了锌作为传统牺牲阳极材料对氯离子的响应和与钢的电偶腐蚀。

Description

一种锌镁合金智能牺牲阳极材料及其应用

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种锌镁合金智能牺牲阳极材料及其应用。

背景技术

钢筋混凝土作为一种结构材料，广泛应用于桥梁、建筑物、高架桥、堤坝、海底隧道和大型海洋平台等各种建筑与土木工程结构物，在海洋资源开发日渐兴盛的今天，钢筋混凝土的使用无疑会越来越广泛。然而，因钢筋混凝土耐久性问题而产生的腐蚀破坏比比皆是。钢筋混凝土的破坏不仅造成重大经济损失，也给人民生命财产安全带来重大隐患。

混凝土是一种由沙石、水泥和水混合后经一定时间凝固后的材料，其内部并不是致密的结构，通常有空隙的存在。在海洋环境中，孔间隙存在混凝土的硅酸盐水产物，该水产物主要为饱和氢氧化钙溶液，其pH能达到13左右。在完好的混凝土即没有氯离子入侵到混凝土内部时，钢筋表面能够生成一种钝化膜。随着时间的延长，氯离子逐渐扩散到混凝土内部，一旦氯离子到达钢筋表面，钢筋的钝化膜便很容易被氯离子破坏，诱发钢筋发生局部腐蚀。钢筋的腐蚀产物会堆积在钢筋与混凝土之间，且钢筋的腐蚀产物体积膨胀，进一步降低了钢筋与混凝土的结合力，容易使混凝土开裂，造成钢筋混凝土的加速破坏。因此对于钢筋混凝土中钢筋的保护显得格外重要，此外，氯离子作为造成钢筋锈蚀的重要原因，对混凝土中氯离子入侵的监测也显得及其重要。

牺牲阳极的阴极保护法是一种比较方便且广泛使用的保护钢筋的方法。锌是目前使用最广泛的牺牲阳极材料，但是锌在混凝土孔隙液这种强碱性环境中溶解很快，过快的溶解速度导致其对氯离子不敏感，不能检测氯离子入侵到混凝土中。而镁对氯离子很敏感，可作为一种检测氯离子是否入侵到混凝土中的材料，当氯离子入侵到混凝土中，其可自发地进行腐蚀，为钢筋提供阴极电流保护钢筋不受腐蚀，因此是一种钢筋混凝土中的智能牺牲阳极材料。但镁作为钢筋混凝土中牺牲阳极材料的智能程度仍有待提高，因为镁的电位较低，在高氯离子的混凝土孔溶液中与钢的电偶电位会低于钢的析氢电位，使得钢有发生氢脆的风险。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供锌镁合金件在检测钢筋混凝土中氯离子入侵中的应用。

本发明的另一目的在于提供锌镁合金件在防止钢筋混凝土中的钢筋的电偶腐蚀中的应用。

本发明的再一目的在于提供一种锌镁合金智能牺牲阳极材料及其制备方法。

本发明技术方案之一如下：

锌镁合金件在检测钢筋混凝土中氯离子入侵中的应用，所述锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。

在本发明的一个优选实施方案中，包括：将所述锌镁合金件作为氯离子响应件埋于钢筋混凝土中，然后对该锌镁合金件进行极化曲线测试。

本发明技术方案之二如下：

一种检测钢筋混凝土中氯离子入侵的方法，包括：将锌镁合金件作为氯离子响应件埋于钢筋混凝土中，然后对该锌镁合金件进行极化曲线测试，该锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。

本发明技术方案之三如下：

锌镁合金件在防止钢筋混凝土中的钢筋的电偶腐蚀中的应用，所述锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。

在本发明的一个优选实施方案中，包括将所述锌镁合金件作为牺牲阳极埋于钢筋混凝土中，并与其中的钢筋接触，该锌镁合金件在氯离子入侵到混凝土中时为钢筋提供阴极电流。

本发明技术方案之四如下：

一种防止钢筋混凝土中的钢筋的电偶腐蚀的方法，包括将锌镁合金件作为牺牲阳极埋于钢筋混凝土中，并与其中的钢筋接触，该锌镁合金件在氯离子入侵到混凝土中时为钢筋提供阴极电流；其中，该锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。

本发明技术方案之五如下：

一种锌镁合金智能牺牲阳极材料，其化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，杂质＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn_n相组成。

上述锌镁合金智能牺牲阳极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将打磨好的纯镁和纯锌置于坩埚中，将坩埚置于真空感应熔炼炉中并抽真空；

(2)在上述真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并进行加热；

(3)待纯镁和纯锌完全融化后继续保温10-20min后，随炉冷却后即得。

在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)为：在所述真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并加热至700-900℃。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的锌镁合金智能牺牲阳极材料对氯离子敏感，能够有效检测氯离子是否入侵到混凝土中。

2、本发明中的锌镁合金智能牺牲阳极材料与钢的电偶电位高于钢的析氢电位，能够保护钢在混凝土中不受腐蚀，同时不对钢筋形成欠保护和过保护，改善了锌作为传统牺牲阳极材料对氯离子的响应和与钢的电偶腐蚀。

3、本发明中的锌镁合金智能牺牲阳极材料的自腐蚀电流密度小，服役寿命长。

附图说明

图1为本发明实施例1中制得的Zn-11Mg的XRD晶体衍射图。

图2为本发明实施例1制得的Zn-11Mg的晶相显微照片。

图3为本发明实施例2中锌和Zn-11Mg在含不同氯离子浓度的饱和氢氧化钙溶液中的极化曲线测试结果图。

图4为本发明实施例3中锌和Zn-11Mg在含不同氯离子浓度的饱和氢氧化钙溶液中与钢的电偶测试结果图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

本实施例中的锌镁合金智能牺牲阳极材料(Zn-11Mg)如图1和2所示，其化学成分质量百分比为：Mg：10-11％，Al：0.1-0.3％，其他的具体杂质含量：＜0.02％，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成。

其制备为根据合金配方，称取相应的合金元素，采用真空熔炼炉熔炼铸造制成。具体包括如下步骤：

(1)将打磨好的纯镁和纯锌置于坩埚中，将坩埚置于真空感应熔炼炉中并抽真空；

(2)在真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并打开感应炉进行加热到700-900℃，保温40min；

(3)待纯镁和纯锌完全融化后继续加热15min后停止加热，合金液随炉自然冷却后即得。

实施例2

将实施例1制备的Zn-11Mg在强碱性溶液中对氯离子进行敏感程度测试，敏感度测试采用极化曲线进行评价，具体测试方法为：将材料在测试溶液中浸泡10分钟后从-1.5向正方向扫描至0.8V_{Ag/AgCl/Sat.KCl}，若扫描过程中发现阳极曲线电流达到200μA/cm²即停止测试，并以纯度为99.99％且有锌相构成的纯锌材料作为对比的牺牲阳极材料。

强碱性溶液pH范围为12-12.8。从图3中阳极曲线上可以发现，随氯离子浓度提高，Zn-11Mg(图3(b))钝化膜破裂电位下降比纯锌(Zn)(图3(a))更明显，因此Zn-11Mg比纯锌对氯离子更敏感。此外这两种材料中，Zn-11Mg的自腐蚀电流密度较小，意味着其服役寿命比锌更长。

实施例3

将实施例1制备的Zn-11Mg与钢偶合以测试它们的电偶电位和电偶电流，从而表征它们的保护性能，测试的过程为：将钢与Zn-11Mg用外导线连接起来，外导线在测试溶液之外，将钢和Zn-11Mg浸入溶液中，两者之间的距离是3cm，用电化学工作站测试电偶电流和电偶电位。并以纯度为99.99％且有锌相构成的纯锌材料作为对比。

测试溶液：含0-0.60mol/L氯离子的饱和氢氧化钙溶液，测试结果如图3所示。图3中实线为钢的阴极曲线，其可以分为欠保护区、合适保护区和过保护区三个区域，若电偶电位位于欠保护区内，钢在含有氯离子的混凝土孔溶液中依然可以发生腐蚀，在过保护区内钢有发生氢脆的风险，只有在合适保护区内是有效保护。可以发现，纯锌(Zn)(图4(a))和Zn-11Mg(图4(b))在不含有氯离子(0mo/L Cl^-)的强碱性溶液中与钢的电偶电位位于欠保护区内，但这种情况是可以接受的，因为在不含有氯离子的溶液中钢不会发生腐蚀；锌与钢的电偶电位在含有氯离子的溶液中大部分情况下位于欠保护区，这种情况下钢会面临保护性不足的风险，而Zn-11Mg与钢的电偶电位在含有氯离子的溶液中全部位于合适保护区，因此可保护钢不受腐蚀。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种检测钢筋混凝土中氯离子入侵的方法，其特征在于：包括：将锌镁合金件作为氯离子响应件埋于钢筋混凝土中，然后对该锌镁合金件进行极化曲线测试，该锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10 -11%，Al：0.1-0.3%，杂质<0.02%，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成，

该锌镁合金件的制备方法，包括如下步骤：

（1）将打磨好的纯镁和纯锌置于坩埚中，将坩埚置于真空感应熔炼炉中并抽真空；

（2）在所述真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并加热至700-900℃；

（3）待纯镁和纯锌完全融化后继续保温10-20min后，随炉冷却后即得。

2.锌镁合金件在防止钢筋混凝土中的钢筋的电偶腐蚀中的应用，其特征在于：所述锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11%，Al：0.1-0.3%，杂质<0.02%，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成，

该锌镁合金件的制备方法，包括如下步骤：

（1）将打磨好的纯镁和纯锌置于坩埚中，将坩埚置于真空感应熔炼炉中并抽真空；

（2）在所述真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并加热至700-900℃；

（3）待纯镁和纯锌完全融化后继续保温10-20min后，随炉冷却后即得。

3.如权利要求2所述的应用，其特征在于：包括将所述锌镁合金件作为牺牲阳极埋于钢筋混凝土中，并与其中的钢筋接触，该锌镁合金件在氯离子入侵到混凝土中时为钢筋提供阴极电流。

4.一种防止钢筋混凝土中的钢筋的电偶腐蚀的方法，其特征在于：包括将锌镁合金件作为牺牲阳极埋于钢筋混凝土中，并与其中的钢筋接触，该锌镁合金件在氯离子入侵到混凝土中时为钢筋提供阴极电流；其中，该锌镁合金件的化学成分质量百分比为：Mg：10-11%，Al：0.1-0.3%，杂质<0.02%，余量为Zn，且由Zn相、MgZn₂相和Mg₂Zn₁₁相组成，

该锌镁合金件的制备方法，包括如下步骤：

（1）将打磨好的纯镁和纯锌置于坩埚中，将坩埚置于真空感应熔炼炉中并抽真空；

（2）在所述真空感应熔炼炉中通入高纯氩气并加热至700-900℃；

（3）待纯镁和纯锌完全融化后继续保温10-20min后，随炉冷却后即得。

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