海洋环境下混凝土表层氯离子浓度分布及时变规律

摘要

海水中的氯离子是导致海洋钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀的最主要因素。氯离子向混凝土内部传输速率不仅与其自身材料组成分有关，还与海洋腐蚀区域有关。本文设计了9组配合比，以水泥掺量为470kg/ m3，以及32 %矿粉（GGBS）和17 %粉煤灰（FA）复掺等量取代水泥，制备两系列基本配比L50和LF50。此外，采用0~65%矿粉等量取代水泥和0-50%粉煤灰等量取代水泥制备混凝土，通过实海暴露试验和室内模拟腐蚀条件，进行真实海水环境腐蚀和室内加速试验。系统研究了不同腐蚀区域、矿物掺合料以及其掺量对混凝土表层峰值氯离子浓度、对流区深度、混凝土氯离子结合能力以及表观扩散系数的影响，揭示了海洋环境下混凝土表层氯离子浓度分布及时变规律。研究的主要内容及相关结论如下： （1）研究了海洋大气区环境下，腐蚀龄期、矿物掺合料类型对表层峰值氯离子浓度、对流区深度、混凝土氯离子结合能力以及表观氯离子扩散系数的影响。揭示了海洋大气区环境下混凝土表层氯离子浓度分布及时变规律。研究结果表明：海洋大气区环境下，矿粉和粉煤灰的掺入对混凝土表层氯离子侵蚀有抑制作用，降低了混凝土表层峰值氯离子浓度，提高了混凝土与氯离子的结合能力，减小了表观氯离子扩散系数，对对流区深度没有影响。处于盐雾和自然碳化环境下混凝土，其表层氯离子峰值浓度、以及不同深度的氯离子浓度均高于海洋大气区混凝土。在盐雾与加速碳化环境下，碳化程度直接影响到混凝土的对流区深度。且碳化程度越大，对流区深度越大。 （2）研究了海洋潮汐区环境和实验室模拟条件下，腐蚀龄期、不同干湿比、矿物掺合料类型对混凝土表层峰值氯离子浓度、对流区深度、混凝土氯离子结合能力以及表观氯离子扩散系数的影响，揭示了海洋潮汐区环境和室内模拟试验下混凝土表层氯离子浓度分布及时变规律。研究结果表明：海洋潮汐区环境下，矿粉和粉煤灰的掺入对混凝土表层氯离子侵蚀有抑制作用，矿粉和粉煤灰的掺入降低了混凝土表层峰值氯离子浓度，提高了混凝土与氯离子的结合能力，减小了表观氯离子扩散系数，对对流区深度没有影响。对流区深度和对流区氯离子浓度峰值主要受腐蚀龄期和干湿作用时间比影响，干湿时间比越大，对流作用越明显，干湿时间比11:1的混凝土更容易形成对流区。 （3）研究了海洋水下区环境下，腐蚀龄期、矿物掺合料类型及掺量对表面氯离子浓度、混凝土氯离子结合能力以及表观氯离子扩散系数的影响。揭示了海洋水下区环境下混凝土表层氯离子浓度分布。研究结果表明：海洋水下区环境下，矿粉和粉煤灰的掺入对混凝土表面氯离子侵蚀有抑制作用，矿粉和粉煤灰的掺入提高了混凝土与氯离子的结合能力，减小了表观氯离子扩散系数。复掺粉煤和矿粉 LF50、单掺粉煤灰 50%(L53 ) 以及单掺矿粉 50%（F53）和 65%(F54)混凝土均可以明显降低混凝土表观氯离子扩散系数，抑制氯离子对混凝土的侵蚀。 （4）暴露于潮汐区的混凝土，混凝土氯离子扩散系数大于水下区，水下区和潮汐区混凝土表观氯离子扩散系数均大于大气区。其次，在相同的腐蚀龄期下，潮汐区受氯离子侵蚀程度高于水下区和大气区。海洋潮汐区和水下区生成的腐蚀产物量高于大气区，主要是钙矾石；海洋大气区暴露混凝土的腐蚀产物为钙矾石。经过2年腐蚀，净浆在潮汐区生成腐蚀产物钙矾石为35.5%，是标准养护28d净浆中钙矾石量的2.38倍，高于水下区和大气区。 （5）研究了掺合料对潮汐区腐蚀混凝土表层氯离子、混凝土氯离子结合能力以及表观氯离子扩散系数的影响。揭示了掺合料对潮汐区腐蚀混凝土表层氯离子浓度分布及时变规律。研究结果表明：单掺粉煤灰和矿粉并不能改变氯离子传输规律，但降低了混凝土表层峰值氯离子浓度。单掺粉煤灰(FA)和矿粉（GGBS）对对流区深度的影响不大。海洋潮汐区环境下，单掺粉煤灰(FA)和矿粉（GGBS）均可以提高混凝土与氯离子的结合能力，减小表观氯离子扩散系数。矿粉替代水泥量为 50%的 F53 配比混凝土结合氯离子能力最强，对流区峰值氯离子浓度最小；矿粉替代水泥量为 65%的 F54 配比混凝土拟合表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数最低。粉煤灰替代水泥量为 50%的 L53 配比混凝土表观氯离子扩散系数最低，结合氯离子能力最强，对流区峰值氯离子浓度凝土和拟合表面氯离子浓度最小。

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