基于沸石超分子笼间离子识别置换反应的海工钢筋靶向阻锈机理研究

The extension of service life of reinforced concrete infrastructures has already become a critical strategic issue to be addressed for construction of maritime power. Whereas, the recombination of structure and function of anti-corrosion materials is exactly a forefront hot in the field of durability promoting research of reinforced concrete. The building of the system of zeolites loaded chloride sensor modified migrating corrosion inhibitor (Z-CS-MCI) can achieve dual functions of free chloride ion binding in matrix and steel protection, drastically improving the long-term performance of corrosion resistance. In this work, the Z-CS-MCI system would be firstly build through two reactions of protonated probe modification and self-assembly of supramolecular cages. Then the influences of different factors on chloride ion exchange capacity would be investigated. The mechanisms of identification and replacement between chloride ions and MCI among zeolite supramolecular cages would be revealed by fluorescent-single molecular orientation imaging analysis. Moreover, the anticorrosion effectiveness of Z-CS-MCI on steel is proposed to be evaluated based on the determinations of corrosion conditions of reinforcement in both simulated concrete pore solutions and concretes. Finally, the targeted diffusion and anticorrosion mechanism of released MCI in reinforced concrete would be ascertained using a variety of in-situ testing technologies and micro electrochemical analysis methods. Program implementation will provide new ideas for design and investigation of anticorrosion materials of marine reinforced concrete, guaranteeing for the maritime power construction.

钢筋混凝土基础设施服役寿命的延长已成为建设海洋强国亟须解决的重大战略问题，而腐蚀防护材料的结构功能复合化正是钢筋混凝土耐久性提升研究领域中的前沿热点。构建沸石超分子笼负载氯离子探针修饰迁移型阻锈剂体系（Z-CS-MCI），可实现基体自由氯离子固化和钢筋防护双重功能，大幅提升阻锈长效性。本项目首先通过质子化探针修饰和超分子笼自组装反应，构建Z-CS-MCI钢筋靶向阻锈体系；然后，开展不同因素对Z-CS-MCI体系氯离子置换能力的影响研究，并通过荧光-单分子定位成像分析，揭示氯离子与MCI基团在沸石超分子笼间的识别置换机制；开展模拟混凝土孔溶液和混凝土中钢筋腐蚀状态测试分析，评价Z-CS-MCI体系对钢筋的防护效果；最后利用多种原位测试技术和微区电化学分析方法，揭示释放后MCI基团在钢筋混凝土中的靶向传输及阻锈机制。项目实施将为海工防护新材料的设计和研究提供新的思路，为海洋强国建设保驾护航。

钢筋混凝土基础设施服役寿命的延长已成为建设海洋强国亟须解决的重大战略问题，而腐蚀防护材料的结构功能复合化正是钢筋混凝土耐久性提升研究领域中的前沿热点。构建复合阻锈剂体系，可实现钢筋混凝土中自由氯离子固化和钢筋防护双重功能，大幅提升对工程结构防护能力。本项目通过超分子设计理论，成功构建了沸石负载有机迁移型阻锈剂（Z-CS-MCI）超分子体系，提出负载效率计算方法，探明了沸石对有机迁移型阻锈剂的负载机制。研究了Z-CS-MCI体系在模拟混凝土孔溶液中对钢筋的阻锈性能，与纯阻锈剂相比，Z-CS-MCI体系可以有效提升对钢筋的阻锈时效和阻锈效率，降低阻锈剂用量约30%左右。开展了Z-CS-MCI体系在模拟孔溶液中的阻锈剂释放热、动力学研究，探明了其在模拟混凝土孔溶液中阻锈机制，研究发现Z-CS-MCI体系在混凝土孔溶液中能够通过缓慢释放阻锈基团，并在钢筋表面形成更加均一稳定的阻锈剂防护膜，以达到提升对钢筋的阻锈效率和延长阻锈时效的目的。开展了维生素类阻锈剂的在混凝土中的迁移性研究，探明了维生素类阻锈剂在模拟混凝土孔溶液中对钢筋的阻锈机理。开展了维生素插层水滑石（MCI/LDHs）阻锈剂体系合成制备研究，探明了水滑石类材料对维生素类阻锈剂的负载机制，采用元素分析法分析了水滑石对维生素的负载效率可达25-32%。开展了MCI/LDHs体系在模拟孔溶液中的阻锈剂释放动力学研究，通过监测溶液中氮元素含量计算MCI/LDHs在模拟孔溶液中的释放规律。开展了MCI/LDHs钢筋靶向阻锈剂体系在模拟孔溶液中对钢筋阻锈效果的测试评价研究，分析了纯LDHs和MCI/LDHs体系对模拟混凝土孔溶液中钢筋的阻锈效果研究，发现与纯阻锈剂相比，采用水滑石负载阻锈剂可以有效提升阻锈剂的阻锈时效和阻锈效率。已发表项目相关学术论文13篇（SCI检索11篇），申请发明专利8项（其中授权2项），授权实用新型专利3项，获得青岛市科学技术进步二等奖，项目研究成果可以为海工防护新材料的设计和研究提供新的思路，为海洋强国建设保驾护航。