实海暴露和人工模拟潮汐区水泥基材料氯离子侵蚀机理研究

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随着我国“海洋强国”战略的实施,海洋工程结构基础设施建设规模空前,其滨海环境下混凝土材料耐久性问题也逐渐引起人们的重视。氯离子引起钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土在海洋环境中发生耐久性劣化的最重要因素。氯离子向混凝土内部的迁移速度不仅与混凝土自身材料组成成分有关,还与海洋腐蚀区域有关。对于海洋潮汐区的干湿交替作用,在温湿度梯度和离子浓度梯度所产生的对流和扩散等多种复杂机制耦合作用驱动力下,氯离子以相对较快的速度向混凝土内部侵入,因此干湿交替区混凝土结构受氯离子侵蚀最为严重。因此,本文基于实海暴露和人工室内模拟试验,分析了海洋潮汐区普通混凝土(C30、C50)、应变硬化水泥基复合材料(SHCC)和碱激发混凝土(AAC)中氯盐侵蚀行为,探究了干湿循环比对氯盐侵蚀性能的影响规律;基于水分和氯离子耦合传输的对流扩散模型,开展了氯离子在非饱和混凝土中传输的数值仿真分析,并研究分析了实海暴露试验与室内模拟试验之间的相似性。本文的主要工作及结论如下:(1)开展了潮汐区环境下混凝土氯盐侵蚀的实海长期暴露和室内加速模拟试验,对比分析了混凝土类型(C30、C50、SHCC和AAC)、暴露时间(实海暴露90d、180d、360d、720d和室内暴露30d、90d、180d)及干湿循环时间比(3:1和85.4:1)对氯盐侵蚀关键参数的影响规律;基于Fick第二定律,考虑对流区影响,分析了表观氯离子扩散系数的时变规律,考虑温度、湿度、时间和结合能力等因素对于氯盐侵蚀程度的影响,对表观氯离子扩散系数进行了修正。结果表明:在渗透深度10mm范围内,氯离子侵蚀程度由高到低为SHCC>C30>C50>AAC,其中AAC抵抗氯离子侵蚀能力最好;随着暴露时间的延长,实海暴露环境下暴露360d和室内模拟环境下侵蚀180d以后的自由氯离子含量增长幅度明显减小;干湿循环时间比对SHCC的自由氯离子含量变化影响最大,对普通混凝土和碱激发混凝土影响甚微。(2)建立了非饱和混凝土氯离子传输对流扩散模型,采用有限差分法对氯离子传输过程进行了数值计算,并使用有限元法开展了不同干湿循环时间比的氯离子传输细观仿真分析,并对实海暴露和室内模拟试验结果进行了验证,数值模拟计算的自由氯离子含量总体分布曲线与试验结果基本一致,说明了提出的海洋潮汐区混凝土氯盐侵蚀数值模拟方法具有可行性,为海洋潮汐区混凝土氯盐侵蚀机理分析提供依据。(3)基于相似理论三定理,利用对流扩散方程推导了相似指标,并建立了谐时准则;基于Fick定律解析解得到的浓度准则关系,建立了实海暴露试验与室内模拟试验氯盐侵蚀的相似模型,并进行了实海暴露潮汐区环境下混凝土耐久性服役寿命预测。以室内模拟试验数据为依据,实海暴露环境下C30、C50、SHCC混凝土在15mm渗透深度处的自由氯离子含量达到0.4%时分别需要约600d、1800d、1600d,而AAC抵抗氯盐侵蚀性能良好使得自由氯离子含量难以达到0.4%。基于实测数据,利用相似模型计算所得谐时准则与浓度准则的关系曲线与实测数据的吻合度较高,能够准确描述实海暴露环境和室内模拟环境的氯离子分布及变化情况。
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