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胶凝材料组成与钢筋混凝土氯离子腐蚀研究

作　者: 黎鹏平
导　师: 苏达根
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 钢筋混凝土矿物掺合料 SO3/Al2O3比氯离子临界浓度氯离子扩散系数电荷转移电阻
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

海洋环境下钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀包括了混凝土内的氯离子扩散系数,及引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度两个关键参数。本研究采用SO₃/Al₂O₃不同的水泥,并以粉煤灰和矿渣为矿物掺合料,利用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析、水化热测试、氯离子渗透试验、热重分析、压汞法、Zeta电位法、半电池电位、线性极化法以及交流阻抗谱法等方法,研究了不同的胶凝材料组成对钢筋混凝土抗氯离子腐蚀能力的影响,研究结果表明:在相同水胶比、相同混凝土配合比以及相同水泥品种的条件下,华南地区混凝土构件内相同深度处的氯离子浓度最高,而华北地区构件内的氯离子浓度最低,是由于华南地区的年平均气温以及海水中的氯离子浓度最高,华北地区最低。根据硅酸盐水泥中Al₂O₃含量调整合适的SO₃/Al₂O₃比,可提高其氯离子临界浓度。当SO₃/Al₂O₃摩尔比<1时,钢筋锈蚀的氯离子临界浓度随水泥中SO₃/Al₂O₃摩尔比提高先增大后减少。当硅酸盐水泥中Al₂O₃含量较低时,应控制较大的SO₃/Al₂O₃摩尔比。如Al₂O₃含量为4.43%,可控制SO₃/Al₂O₃为0.93,使氯离子临界浓度达较高值;Al₂O₃含量为5.31%,控制SO₃/Al₂O₃为0.77,氯离子临界浓度也可达较高值。对氯离子临界浓度的影响实质上是砂浆孔隙结构对氯离子临界浓度的影响,平均孔径最低时试件的氯离子临界浓度最高。模拟海水溶液中,试件氯离子临界浓度随水泥中SO₃/ Al₂O₃比提高也是先增加后减少。由于硫酸根离子渗透会在水泥石内生成新的水化硫铝酸钙,使其最高氯离子临界浓度的试件与NaCl溶液中试件的SO₃/ Al₂O₃比有所降低,SO₃/ Al₂O₃比从0.93降为0.87。在实际海洋环境下,还需同时考虑硫酸盐和氯离子复合作用的影响。所以,用于海工混凝土的水泥与只有氯离子腐蚀条件相比,其SO₃/ Al₂O₃最佳比值需适当降低。掺合料取代部分硅酸盐水泥改善了混凝土孔隙率和平均孔径,混凝土的孔隙率和平均孔径均随粉煤灰和矿渣的掺量提高先减少后增大。单掺粉煤灰时,粉煤灰掺量为30%的试件的孔隙率和平均孔径最低;单掺矿渣时,矿渣掺量为50%的试件的孔隙率和平均孔径最低。钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力随粉煤灰掺量的提高而先提高后降低,单掺粉煤灰掺量为30%的试件内钢筋钝化膜出现破坏的时间最长;钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力也随矿渣含量的提高而先提高后降低,单掺矿渣掺量为50%的试件内钢筋钝化膜出现破坏的时间最长。掺合料取代部分硅酸盐水泥后,一方面使混凝土更为致密,降低了钢筋周围的溶解氧含量,并增大了钢筋表面的电荷转移电阻,提高了钢筋钝化膜的稳定性。另一方面会降低混凝土内的Ca（OH）₂含量,引起钢筋锈蚀的氯离子浓度的下降。而前者是主要影响因素。粉煤灰和矿渣复掺取代部分水泥,28天龄期时在复掺总量为50%的条件下,混凝土试件的氯离子扩散系数随掺合料中粉煤灰含量的提高而先减少后增大,粉煤灰含量为10%的试件的氯离子扩散系数最低,掺合料对氯离子扩散系数的影响主要是复合胶凝材料体系有效地降低混凝土孔隙率和平均孔径,从而降低了氯离子扩散系数。掺合料取代部分水泥提高了胶凝材料体系对氯离子的吸附能力,其本质是提高了胶凝材料体系的Zeta电位,而水化产物对氯离子的吸附量随Zeta电位的升高而增大。根据硅酸盐水泥中Al₂O₃含量调整合适的SO₃/Al₂O₃,较低Al₂O₃含量可选用较高的SO₃/Al₂O₃,同时复掺适量的粉煤灰和矿渣粉,可有效地降低混凝土平均孔径和钢筋/混凝土界面的溶解氧含量,提高水化产物对氯离子的吸附能力,提高混凝土电阻率和钢筋表面的电荷转移电阻,增强钢筋钝化膜的稳定性,延长钢筋钝化膜破坏的时间。合理地选用胶凝材料既可降低混凝土的氯离子扩散系数,又可提高引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度,从而提高钢筋混凝土的综合抗氯离子腐蚀能力。选择水泥中合适的SO₃/Al₂O₃,并合理地使用粉煤灰和矿渣等矿物掺合料,不仅可以提高钢筋混凝土的抗氯离子腐蚀能力,提高结构的使用寿命,还可以利用粉煤灰和矿渣等工业副产物,提高资源的使用效率,减少环境负荷。具有较大的社会效益和经济效益。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-35
  1.1 海工混凝土结构耐久性研究的意义  14-16
  1.2 海工混凝土结构抗氯离子腐蚀研究的背景和目的  16-17
  1.3 混凝土结构抗氯离子腐蚀的研究现状  17-33
    1.3.1 氯离子在混凝土内的扩散研究  19-25
      1.3.1.1 氯离子在混凝土中传输的试验方法  19-22
      1.3.1.2 影响氯离子扩散系数的因素  22-25
    1.3.2 氯离子临界浓度的研究  25-29
      1.3.2.1 钢筋锈蚀的电化学理论  25-27
      1.3.2.2 氯离子临界浓度的取值  27-29
    1.3.3 海工混凝土结构耐久性寿命预测研究  29-33
  1.4 目前研究中存在的问题  33-34
  1.5 课题背景及主要研究内容  34-35
第二章试验原材料和试验方法  35-48
  2.1 主要原材料  35-38
    2.1.1 水泥  35
    2.1.2 粉煤灰  35-36
    2.1.3 矿渣  36
    2.1.4 砂  36
    2.1.5 碎石  36-37
    2.1.6 拌合水  37-38
    2.1.7 减水剂  38
    2.1.8 光圆钢筋  38
  2.2 主要实验方法  38-48
    2.2.1 X 射线衍射分析  38
    2.2.2 扫描电镜及能谱分析（SEM-EDS）  38-39
    2.2.3 胶凝材料比表面积测定  39
    2.2.4 胶凝材料粒径分布测定  39
    2.2.5 水泥中C_3A 含量的测定  39
    2.2.6 试验用纯C_3A 的实验室烧制  39-40
    2.2.7 胶凝材料水化热的测定  40
    2.2.8 胶凝材料化学结合水的测定  40
    2.2.9 胶凝材料及水化产物的Zeta 电位测定  40-41
    2.2.10 粉煤灰玻璃相含量测定  41
    2.2.11 混凝土拌合物和易性和抗压强度测试  41
    2.2.12 混凝土内氯离子扩散系数的测定—自然浸泡法  41-43
    2.2.13 混凝土内氯离子扩散系数测定---非稳态电迁移法  43-44
    2.2.14 混凝土样品内总氯离子含量测定  44-45
    2.2.15 混凝土样品内自由氯离子含量测定  45
    2.2.16 硬化浆体对氯离子的吸附  45-46
    2.2.17 Mott-Schottky 测试  46
    2.2.18 砂浆/混凝土孔隙结构测定（MIP）  46-47
    2.2.19 海洋环境模拟箱  47-48
第三章混凝土外部环境对氯离子浓度分布的影响  48-54
  3.1 现场检测方案及试验室浸泡方案  48-50
  3.2 不同地区混凝土结构的氯离子浓度分布  50-52
  3.3 室内浸泡试件的氯离子浓度分布  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章水泥中S0_3/ Al_20_3及外渗硫酸盐对氯离子临界浓度的影响  54-73
  4.1 试验方案  54-55
    4.1.1 氯离子临界浓度的测试方法及表达形式  54-55
    4.1.2 试验方案  55
    4.1.3 试件成型及测试  55
  4.2 水泥中S0_3/Al_20_3 对钢筋锈蚀氯离子临界浓度的影响  55-62
    4.2.1 水泥中S0_3/ Al_20_3 对氯离子临界浓度的影响  55-58
    4.2.2 水泥中S0_3/ Al_20_3 对砂浆孔隙结构的影响  58-59
    4.2.3 水化铝酸钙对氯离子结合的影响  59-62
  4.3 水泥中S0_3/ Al_20_3 对钢筋腐蚀电位和腐蚀电流密度的影响  62-68
    4.3.1 水泥中S0_3/ Al_20_3 对钢筋腐蚀电位变化的影响  62-65
    4.3.2 砂浆内钢筋的腐蚀电流密度变化  65-68
  4.4 外渗硫酸盐对氯离子临界浓度的影响  68-71
    4.4.1 外渗硫酸盐对不同S0_3/ Al_20_3 水泥砂浆试件氯离子临界浓度的影响  68-69
    4.4.2 外渗硫酸盐对不同S0_3/ Al_20_3 水泥砂浆试件孔隙结构的影响  69-71
  4.5 本章小结  71-73
第五章胶凝材料组成对混凝土内钢筋腐蚀的影响  73-90
  5.1 混凝土配合比及试验方案  73-74
    5.1.1 混凝土配合比  73
    5.1.2 试验方案  73-74
  5.2 钢筋混凝土试件的EIS 分析  74-83
    5.2.1 掺合料对钢筋腐蚀电位的影响  74-76
      5.2.1.1 粉煤灰掺量对钢筋腐蚀电位的影响  74-75
      5.2.1.2 矿渣掺量对钢筋腐蚀电位的影响  75-76
    5.2.2 掺合料对混凝土电阻率的影响  76-79
      5.2.2.1 粉煤灰掺量对混凝土电阻率的影响  76-78
      5.2.2.2 矿渣掺量对混凝土电阻率的影响  78-79
    5.2.3 掺合料对钢筋腐蚀速率的影响  79-83
      5.2.3.1 粉煤灰掺量对钢筋腐蚀速率的影响  79-81
      5.2.3.2 矿渣掺量对钢筋腐蚀速率的影响  81-83
  5.3 影响混凝土内钢筋腐蚀的因素分析  83-87
    5.3.1 胶凝材料组成对混凝土孔隙结构的影响  83
    5.3.2 混凝土孔隙结构对氧气扩散的影响  83-84
    5.3.3 溶解氧含量对钢筋锈蚀氯离子浓度的影响  84-86
    5.3.4 Ca(OH)_2 含量对钢筋锈蚀氯离子临界浓度的影响  86-87
  5.4 掺合料对钢筋混凝土抗氯离子腐蚀的影响  87-88
    5.4.1 粉煤灰含量对混凝土内钢筋抗氯离子腐蚀的影响  87-88
    5.4.2 矿渣含量对混凝土内钢筋抗氯离子腐蚀的影响  88
  5.5 本章小结  88-90
第六章掺合料对混凝土内氯离子扩散系数的影响  90-111
  6.1 掺合料的矿物组成及试验方案  90-92
    6.1.1 掺合料的矿物组成  90-91
    6.1.2 试验方案  91-92
  6.2 掺合料对混凝土氯离子扩散系数的影响  92-99
    6.2.1 粉煤灰掺量对氯离子扩散系数的影响  93-95
    6.2.2 矿渣掺量对氯离子扩散系数的影响  95-98
    6.2.3 复合掺合料对氯离子扩散系数的影响  98-99
  6.3 影响氯离子扩散系数变化的因素分析  99-104
    6.3.1 掺合料对混凝土孔隙结构的影响  100
    6.3.2 掺合料对胶凝材料水化程度及氯离子吸附的影响  100-104
      6.3.2.1 掺合料对胶凝材料水化程度的影响  101
      6.3.2.2 复合掺合料对氯离子作用的影响  101-102
      6.3.2.3 复合掺合料对硬化浆体颗粒Zeta 电位的影响  102-104
  6.4 养护条件混凝土试件氯离子扩散系数的影响  104-110
    6.4.1 养护温度对复合掺合料试件氯离子扩散系数的影响  104-107
    6.4.2 养护湿度对复合掺合料试件氯离子扩散系数的影响  107-110
  6.5 本章小结  110-111
结论和创新点  111-114
参考文献  114-125
攻读博士学位期间取得的研究成果  125-126
致谢  126

胶凝材料组成与钢筋混凝土氯离子腐蚀研究

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