研究稀土元素镧微合金化对钢筋在海洋环境中耐腐蚀行为的影响及机理

推荐 为解决传统高强钢筋在海洋环境中因缺乏耐腐蚀元素导致服役寿命短的问题，研究人员开展了La微合金化钢筋在海洋环境中的腐蚀行为及机理研究。结果表明，La的添加使钢筋腐蚀速率降低87.6%，腐蚀产物层致密性增强，显著提升了抗Cl?侵蚀能力。该研究为高强钢筋在海洋工程中的安全应用提供了理论依据。

　　

论文解读
研究背景
钢筋作为大型跨海桥梁等工程的核心材料，其强度与耐腐蚀性直接决定结构安全。然而，传统高强钢筋因缺乏有效耐腐蚀元素，在潮湿海洋环境中易发生点蚀并发展为均匀腐蚀，导致服役寿命缩短甚至引发安全事故。据统计，钢筋腐蚀每年造成全球基础设施经济损失超千亿美元^[1]。尽管已有研究表明Cu、Cr、Ni等合金元素可提升钢筋耐蚀性，但其成本高昂且影响钢材回收率^[17]。近年来，稀土元素因其独特的净化钢液、细化晶粒及促进钝化膜稳定化的能力备受关注^[19]，其中镧（La）作为典型稀土元素，可通过形成致密α-FeOOH及La₂O₃等产物增强钢筋抗Cl?侵蚀能力^[25,33]。然而，针对La微合金化高强钢筋（如HRB500E）在海洋环境中的腐蚀机理研究仍存在空白。

为此，中国研究人员以37La微合金化钢筋为对象，通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、电化学阻抗谱（EIS）等技术，系统分析了其在模拟海水环境中的腐蚀行为及产物演变规律，揭示了La对钝化膜稳定化的作用机制。

关键技术方法
本研究采用SEM观察钢筋表面形貌，XRD与XPS分析腐蚀产物成分，EIS与极化曲线评估耐蚀性，并结合E-pH图解析腐蚀动力学过程。实验材料包括符合GB 1499.2–2024标准的普通碳钢钢筋（CS）及La微合金化钢筋（37La），通过真空感应熔炼炉制备并热处理。腐蚀测试在含3.5% NaCl的模拟海水中进行，持续40天。

研究结果
微观组织与力学性能
CS钢筋以铁素体（80.7%）和珠光体（19.3%）为主，而37La钢筋中铁素体降至71.5%，珠光体增至28.5%，表明La微合金化改变了相组成。

腐蚀行为演变
电化学测试显示，37La钢筋自腐蚀电位（E_corr）从-0.723 V升至-0.661 V，自腐蚀电流密度下降87.6%，表明耐蚀性显著提升。XPS分析证实，腐蚀产物层中α-FeOOH比例增加，La₂O₃与La(OH)₃的形成有效修复了膜层缺陷。

机理分析
E-pH图表明，La通过促进α-FeOOH生成并抑制Cl?渗透，形成致密钝化膜。SEM观察发现，37La钢筋表面裂纹与孔洞显著减少，膜层厚度降低至CS钢筋的1/3，证明La增强了膜层致密性与稳定性。

研究结论与意义
本研究证实，La微合金化通过优化腐蚀产物组成与结构，显著提升了高强钢筋在海洋环境中的耐蚀性。其机制在于La促进α-FeOOH生成并形成自修复型钝化膜，降低了Cl?引发的点蚀风险。该成果为开发低成本、高性能海洋工程用钢提供了理论支撑，对延长基础设施寿命具有重要工程价值。未来研究可进一步探索多元稀土协同作用机制及长期服役性能。