新型阻銹劑的合成及對混凝土鋼筋性能的影響

摘 要：

為了解決嚴酷環境下混凝土鋼筋的銹蝕問題，以對苯二異氰酸酯或對苯二異硫氰酸酯與化合物（I）縮合合成了6種新型阻銹劑ZS1—ZS6。采用正交試驗法，對合成工藝條件進行了優化；用線性極化法和交流阻抗法，對ZS1—ZS6的阻銹性能進行測試，篩選出最優阻銹劑；按國家標準方法測試阻銹劑對混凝土性能的影響，又參照ASTM G31-72（2004）方法，在不同NaCl濃度下測試了鋼筋的失重率和緩蝕率。結果表明：ZS1—ZS6最優制備工藝條件為反應溫度為130 ℃、對苯二異氰酸酯與二乙烯三胺的物質的量比為1∶1.3、反應時間為24 h；在最優工藝條件下，ZS1—ZS6的收率達95.7%～97.2%；ZS1—ZS6均具有良好的阻銹性能，ZS5為最優；摻ZS5的基準混凝土試件，Cl-擴散系數和碳化深度大幅降低，摻ZS5前后，混凝土的抗壓強度、抗折強度和坍落度變化不大，與混凝土的相容性較好，對施工有利；碳鋼在含ZS5的3.5%（質量分數，下同） NaCl腐蝕介質中浸泡90 d，容抗曲線半徑仍有增長趨勢，鋼筋失重率低，緩蝕率高，阻銹持久性好。ZS5能有效阻止混凝土鋼筋的銹蝕，顯著提高混凝土的耐久性，可廣泛應用于腐蝕環境中的建筑物。

關鍵詞：

材料失效與保護；阻銹劑；混凝土鋼筋；對苯二異氰酸酯；對苯二異硫氰酸酯

中圖分類號：

TU528

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02006

Synthesis of a new corrosion inhibitor and its influence on the properties of concrete reinforcement

ZHANG Ji’nan1， SHI Lanxiang2

（1.FESCO Adecco Human Resources Service Shanghai Company Limited， Shanghai 200010， China；

2.School of Chemical Engineering， Shijiazhuang University， Shijiazhuang， Hebei 050035， China）

Abstract：

In order to solve the corrosion problem of concrete reinforcement under harsh environment， six new corrosion inhibitors ZS1—ZS6 were synthesized by condensation of 1，4-phenylene diisocyanate or 1，4-phenylene diisothiocyanate and compound （I）. The orthogonal experimental method was used to optimize the synthesis process conditions; The corrosion resistance performance of ZS1-ZS6 was tested by linear polarization and AC impedance method， and the optimal corrosion inhibitor was selected; The influence of corrosion inhibitor on the performance of concrete was tested according to the national standard method， and weight loss rate and corrosion inhibition rate of steel bars were tested under different NaCl concentrations according to ASTM G31-72（2004） method. The results show that the optimum preparation conditions of ZS1-ZS6 are as follows： the reaction temperature of 130 ℃， the molar ratio of 1∶1.3 between 1，4-phenylene diisocyanate and diethylene triamine， and the reaction time of 24 hours; Under the optimum conditions， the yield of ZS1-ZS6 reaches 95.7%～97.2%; ZS1-ZS6 all have good anti-rust performance， with ZS5 being the best. The Cl-diffusion coefficient and carbonization depth of the benchmark concrete specimens doped with ZS5 are greatly reduced， and the compressive strength， flexion strength and slump of concrete have little change before and after mixing with ZS5， indicating good compatibility with the concrete， which is beneficial for construction. After soaking carbon steel in a 3.5% NaCl corrosion medium containing ZS5 for 90 days， the radius of the bulk resistance curve still has an increasing trend， the weight loss rate of steel bars is low， the corrosion inhibition rate is high， and the rust resistance durability is good. ZS5 can effectively prevent the corrosion of concrete reinforcement， significantly improve the durability of concrete， and can be widely used in the construction of buildings in corrosive environment.

Keywords：

material failure and protection;rust inhibitor; concrete reinforcement; 1，4-phenylene diisocyanate; 1，4-phenylene diisothiocyanate

鋼筋的銹蝕是影響混凝土建筑耐久性的主要因素［1-2］，在解凍鹽、海洋鹽的侵蝕下，僅數年鋼筋就會因銹蝕坍塌，經濟損失嚴重。在鋼筋混凝土中添加阻銹劑是預防、阻止混凝土鋼筋銹蝕的有效途徑 ［3-4］。早期的阻銹劑主要為亞硝酸鹽類，該類阻銹劑在海洋建筑和高速公路等建設中應用廣泛，但其存在摻量大、致癌、污染環境等缺陷，逐漸淡出市場［5-6］。周華林等［7］對美國Cortec公司開發出的系列胺基羧酸鹽遷移型阻銹劑（MCI）及其對混凝土的物理力學性能的影響進行了檢測，結果表明，MCI可通過滲透、擴散到達混凝土鋼筋表面，通過形成鈍化膜來抑制鋼筋銹蝕，且對混凝土的抗壓強度、抗凍融等物理性能不產生影響。仲曉林等［8］報道了復合型阻銹劑YJ-504，在實際生產中，雙摻礦渣粉和粉煤灰，配制成的高性能混凝土表現出優良的抗氯離子銹蝕和抗凍性能。王勝先等［9］研發了一種既能切斷水泥水化產物中的部分毛細管，又能在鋼筋表面形成緩蝕膜的二乙烯三胺-硫脲縮合物，具有雙重防銹蝕作用。賀奎等 ［10］和費飛龍等［11］ 依據咪唑啉季銨鹽分子中咪唑啉雜環上的氮原子能與鋼筋表面鐵原子螯合形成鈍化膜的原理，分別制備了抗氯離子侵蝕性能和遷移作用良好的咪唑啉季銨鹽類混凝土鋼筋阻銹劑。ZHAO等［12］發現十二烷基苯磺酸三乙醇胺能通過促進碳鋼表面形成鈍化膜的方式防止鋼筋銹蝕。VALEK等［13］和JIANG等［14］分別發現維生素C和脫氧核糖核酸能阻止鋼筋銹蝕。文成等［15］將陰離子型阻銹劑插入層狀雙金屬氫氧化物（ LDHs） 層間，LDHs吸收環境中腐蝕性陰離子并通過離子交換釋放阻銹劑，阻止鋼筋腐蝕。總之，新型阻銹劑的研究備受重視，但目前市場上高效價廉的阻銹劑品種仍缺乏，制備高性價比的阻銹劑意義重大。

本研究合成了6種新型阻銹劑ZS1—ZS6，它們由對苯二異氰酸酯或對苯二異硫氰酸酯與化合物（Ⅰ）縮合而成，具有優良的阻止混凝土鋼筋銹蝕的性能，能夠顯著提高混凝土的耐久性。

1 實驗部分

1.1 材 料

對苯二異氰酸酯、對苯二異硫氰酸酯、二乙烯三胺（化合物（Ⅰ）的X=1）、三乙烯四胺（化合物（Ⅰ）的X=2）、四乙烯五胺（化合物（Ⅰ）的X=3）均為化學純（國藥集團化學試劑有限公司）；P·O42.5水泥（唐山冀東水泥股份有限公司）；粉煤灰（Ⅱ級，靈壽縣強東礦產品加工廠）；中砂（細度模數2.8，唐山灤峰科技有限公司）；石子（粒徑為5～20 mm，井陘縣茂鑫礦業有限公司）；自來水；Q235鋼筋（Φ0.8 cm×17 cm，河北秦合重科金屬科技有限公司）。

1.2 阻銹劑的合成

在反應器中，加入1 mol的對苯二異氰酸酯，攪拌，加入1.3 mol的二乙烯三胺，加熱至120 ℃，反應24 h，得到棕色半固體透明物，加入石油醚研磨，過濾，得到淺黃色固體粉末ZS1；用三乙烯四胺、四乙烯五胺分別替換二乙烯三胺，同法得到ZS2、ZS3；將對苯二異氰酸酯替換為對苯二異硫氰酸酯，同法分別得到阻銹劑ZS4、ZS5、ZS6。ZS1—ZS6為合成的6種阻銹劑，以下統稱為ZS。

1.3 混凝土試件配合比

ZS1—ZS6摻量以占水泥量的質量分數計，混凝土試件配合比如表1所示。

1.4 試件的制備

混凝土試件的制備 按配合比投料，拌和均勻，倒入150 mm×150 mm×150 mm模具中振搗成型，24 h后拆模，標準養護7 d或28 d。

混凝土鋼筋試件制備 在鋼筋兩端焊好帶PVC套管的導線，用環氧樹脂填堵套管兩端，將2根光圓Q235鋼筋按要求埋入混凝土中，試件脫模后，標準養護28 d。

1.5 測試方法

1.5.1 阻銹劑阻銹性能測試

1）模擬海水的制備 將24.6 kg的NaCl、5.0 kg的Na2SO4 、5.1 kg的MgSO4·6H2O、0.83 kg的KCl、1.14 kg的CaCl2加入水中，配制成1 m3的模擬海水。

2）線性極化法 先將分別摻入ZS1—ZS6的混凝土試件和基準混凝土試件浸入飽和氫氧化鈣（國藥集團化學試劑有限公司）溶液中8 h，再將它們放入模擬海水中侵蝕0、30、90、180和365 d，在腐蝕電位（Ecorr）狀態下，在CHI660電化學工作站進行測試，掃描區間為Ecorr±10 mV，掃描速度為0.166 7 mV/s［16］。

1.5.2 阻銹劑持久性測試

交流阻抗法 碳鋼為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，測量振幅為10 mV，掃描頻率為104 ～106" Hz。將工作電極浸泡在含4.0×10-3 mol/L ZS、3.5% NaCl 的飽和Ca（OH）2溶液中，控制開路電位的變化幅度小于2 mV，測定并繪交流阻抗圖，根據圖中容抗曲線半徑隨時間的變化趨勢，判定ZS1—ZS6阻銹性能的持久性 ［17］。

1.5.3 阻銹劑對混凝土性能影響的測試

按國家標準規定的方法［18-20］測試混凝土的抗壓強度、抗折強度、坍落度、氯離子擴散系數和碳化深度。

2 結果與討論

2.1 ZS合成工藝條件優化

以ZS1合成為例優化合成工藝條件。以反應溫度、對苯二異氰酸酯與二乙烯三胺的物質的量比、反應時間3個因素設計L9（33）正交試驗（見表2）。試驗結果及分析（見表3）顯示，影響ZS1收率大小的因素順序為Agt;Cgt;B，即反應溫度影響最大，反應時間次之，對苯二異氰酸酯與二乙烯三胺的物質的量比影響最小，最佳組合為A3B2C3，最佳工藝參數為反應溫度為130 ℃、對苯二異氰酸酯與二乙烯三胺的物質的量比為1∶1.3、反應時間為24 h。ZS2—ZS6的最佳合成工藝參數與ZS1一致，在最佳工藝條件下ZS1—ZS6的收率為95.7%～97.2%。

2.2 阻銹劑的阻銹性能

按“1.5.1”項下方法，分別測試混凝土鋼筋在模擬海水中的腐蝕電位 （Ecorr）、極化電阻（Rp）與腐蝕電流密度（Icorr） 隨侵蝕時間的變化情況（結果見圖2—4），綜合判定ZS1—ZS6的阻銹性能。

依據ASTM C876—15［21］中鋼筋Ecorr值與腐蝕狀態的關系，判定混凝土鋼筋的腐蝕狀態。由圖2可知，空白組混凝土中鋼筋的Ecorr值一直為負移狀態，侵蝕90 d后，Ecorr值低于臨界值-276 mV，判定空白組混凝土鋼筋的腐蝕率大于90%。摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的腐蝕電位Ecorr值，隨著侵蝕時間的延長均出現先負移后正移的趨勢。侵蝕30 d后，摻ZS1—ZS6混凝土中鋼筋的Ecorr值均發生了負移，侵蝕90 d后，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的Ecorr值發生正移。侵蝕365 d，摻ZS1—ZS6的混凝土鋼筋的Ecorr值在-130～-251 mV，處于-126～-276 mV腐蝕概率不確定的范圍內，判定為腐蝕概率不確定。其中，摻ZS5混凝土中鋼筋的Ecorr值為-130 mV，非常接近腐蝕概率小于10%的腐蝕電位臨界值-126 mV，有望成為優秀的混凝土鋼筋阻銹劑。

由圖3可知，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的極化電阻Rp呈現出先增大后趨于穩定的趨勢，說明隨著侵蝕時間的延長，鋼筋腐蝕速率逐漸減小。侵蝕365 d，空白組混凝土鋼筋的Rp值為155 kΩ·cm2，小于腐蝕/鈍化界限參考值［22］250 kΩ·cm2，處于腐蝕狀態。侵蝕30 d，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的Rp值均小于250 kΩ·cm2，判定鋼筋表面處于活化狀態；侵蝕60 d，摻ZS4-ZS6混凝土鋼筋的Rp值接近或高于250 kΩ·cm2；侵蝕180 d，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的Rp值均高于250 kΩ·cm2，說明混凝土鋼筋表面的鈍化膜已完整形成，判定混凝土鋼筋處于鈍化狀態。摻ZS5混凝土鋼筋的Rp值最大，說明ZS5阻銹性能最好。

由圖4可知，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的腐蝕電流密度Icorr隨侵蝕時間的延長逐漸降低。侵蝕60 d，摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的Icorr值在0.14～0.2 μA/cm2之間，小于等于腐蝕電流密度臨界值0.2 μA/cm2，說明摻ZS1—ZS6混凝土鋼筋的腐蝕速率很小，判定混凝土鋼筋處于鈍化狀態。

混凝土鋼筋處于鈍化狀態時，鋼筋表面存在一層氫氧化鐵膜，ZS1—ZS6遷移到鋼筋表面，分子結構中的硫脲基、脲基和—NHCH2CH2NH—與氫氧化鐵形成穩定的五元環螯合物吸附在鋼筋表面上成膜，輔以硫脲基、脲基和—NHCH2CH2NH—間的氫鍵作用，使膜更加穩定、牢固。當鋼筋表面受到腐蝕后，ZS分子中的硫脲基、脲基和—NHCH2CH2NH—立即遷移吸附到鋼筋表面的腐蝕活性點位，與裸露出的Fe原子或腐蝕產生的Fe2+發生螯合作用成膜，同時，ZS分子結構中疏水性的苯環的大π鍵與硫脲基、脲基共軛，再在外層形成一層致密的疏水保護膜，雙膜疊加，快速將鋼筋表面的H2O、Cl-和氧離子等腐蝕性物質擠出，阻止鋼筋表面的電化學、H+及鹽類的腐蝕。另外，ZS分子結構中的仲胺基顯堿性，能中和水泥二次水化產生的酸性介質，避免混凝土出現局部酸化而遭到破壞。ZS分子中的SH基的疏水性強于OH基，所以ZS4—ZS6的阻銹性能比ZS1—ZS3略強。ZS分子單元中X的數值影響阻銹性能，使用X=2的化合物（Ⅰ）制備的ZS的阻銹性能比使用X=1和X=3的化合物（Ⅰ）制備的ZS的阻銹性能好。因為使用X=1的化合物（Ⅰ）制備ZS時，所得ZS的結構單元中不含—NHCH2CH2NH—，減少了—NHCH2CH2NH—與鋼筋表面的Fe原子或Fe2+的螯合作用，使ZS成膜能力減弱；使用X=3的化合物（Ⅰ）制備ZS時，所得ZS的結構單元中含2個—NHCH2CH2NH—基團，雖然分子的螯合作用增強，但分子單元體積變大，柔性增強，吸附于鋼筋表面成膜的完整性、致密性減弱，阻銹效率降低。

2.3 不同Cl-濃度下ZS5的阻銹性能

以權威部門檢測認定的具有良好抗氯離子性能的阻銹劑AMCI［10］為對照，參照ASTM G31-72（2004）實驗方法，空白組不摻阻銹劑，實驗組摻ZS5或AMCI，固定ZS5或AMCI在腐蝕溶液中的濃度為4.0×10-3 mol/L。30 ℃下，將鋼筋浸入含NaCl的飽和Ca（OH）2溶液中168 h，NaCl的質量分數分別為1.5%、2.5%、3.5%、4.5%，以鋼筋的失重率、ZS5或AMCI的緩蝕率考察其阻銹性能（見表4）。結果顯示，當NaCl濃度為3.5%時，空白組鋼筋失重率達1.398‰，最大。摻ZS5組的鋼筋的失重率為0.106‰，緩蝕率為92.42%，相較AMCI，ZS5的阻銹性能略好。

2.4 阻銹劑的阻銹持久性

按“1.5.2”項下方法測定并繪交流阻抗圖（見圖5），根據容抗曲線半徑隨時間的變化趨勢，判定ZS5阻銹性能的持久性。結果顯示，碳鋼在3.5% NaCl堿性溶液中浸泡0～60 d，ZS5的容抗曲線半徑隨著時間的延長明顯增大，浸泡60～90 d，

容抗曲線半徑的增長趨于緩慢，但依然保持增長趨勢，判定ZS5的阻銹持久性良好。歸因于ZS5能在碳鋼/腐蝕介質的相界面形成鈍化膜，隨著浸泡時間的延長，鈍化膜的厚度和致密性不斷增大，腐蝕粒子向碳鋼遷移的阻抗也不斷增大，抑制銹蝕性能不斷增強。

2.5 ZS5對混凝土性能的影響

ZS5摻量為水泥質量的1.5%，試件標準養護28 d，考察ZS5對混凝土主要力學性能的影響（試驗結果見表5）。結果顯示，ZS5對混凝土的抗壓強度、抗折強度和坍落度有一定改善效果，但與基準混凝土指標相差不大，說明ZS5與基準混凝土的相容性較好，對混凝土施工有利。

2.6 ZS5對Cl-擴散系數的影響

用RCM試驗測定期齡28 d的摻ZS5混凝土試件的Cl-擴散系數，試驗結果見表6。結果顯示，與基準混凝土試塊相比，摻ZS5的混凝土試塊的Cl-擴散系數降低54.8%，說明ZS5能快速遷移到鋼筋表面形成致密的鈍化膜，能有效擠出鋼筋表面的Cl-并切斷Cl-與鋼筋的接觸。

2.7 ZS5抗混凝土碳化性能

ZS5分子中具有堿性的仲胺基，能快速中和進入混凝土結構中的CO2，抑制混凝土pH值的下降，降低混凝土的碳化幾率。試驗對摻ZS5的混凝土試塊進行0、7、14、28、56 d的碳化深度測試，結果如圖6所示。結果表明，與基準混凝土試塊相比，摻ZS5混凝土試塊56 d的碳化深度降低35%。

3 結 語

本文以對苯二異氰酸酯或對苯二異硫氰酸酯與化合物（Ⅰ）經縮合反應，成功合成了6種新型阻銹劑ZS1—ZS6，并測定了其阻止混凝土鋼筋銹蝕的性能。主要結論如下。

1）ZS1—ZS6最佳合成工藝條件為反應溫度為130 ℃、對苯二異氰酸酯或對苯二異硫氰酸酯與化合物（Ⅰ）的物質的量比為 1∶1.3、反應時間為24 h，在最佳工藝條件下，ZS1—ZS6的收率為95.7%～97.2%。

2）在模擬海水中，分別將摻ZS1—ZS6的混凝土鋼筋試件侵蝕365 d，Ecorr值在-130～-251 mV之間；侵蝕180 d，Rp值均大于250 kΩ·cm2；侵蝕60 d，Icorr值在0.14～0.2 μA/cm2之間，說明ZS1—ZS6具有優異的阻銹性能，且以ZS5的阻銹性能最好。

3）鋼筋在摻ZS5的含3.5% NaCl的腐蝕介質中浸泡168 h，失重率0.106‰，緩蝕率92.42%，防腐蝕性能良好；浸泡90 d，容抗曲線半徑依然保持增長趨勢，顯示出ZS5具有良好的抗Cl-性能和阻銹持久性能。

4）與基準混凝土相比，摻ZS5混凝土的Cl-擴散系數降低54.8%，碳化深度降低35%，耐久性顯著提升。ZS5與混凝土具有良好的相容性，有利于施工。

ZS1—ZS6尤其是ZS5表現出了突出的阻銹性能，在此基礎上，后期將開展混合型ZS系列阻銹劑的研究，以期進一步提高其阻銹性能，改善嚴酷環境下混凝土鋼筋的銹蝕問題。

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收稿日期：2024-06-22;修回日期：2024-11-14；責任編輯：丁軍苗

基金項目：河北省重點研發計劃項目（21321401D）

第一作者簡介：

張冀男（1989—），男，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要從事建筑工程技術與管理方面研究。

E-mail： 1029211007@qq.com

張冀男，史蘭香.

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