碳化环境下碱矿渣混凝土钢筋锈蚀机理研究

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碱矿渣混凝土(AASC)具有快硬高强、孔结构优良、耐久性好等优点,逐渐成为最具研究前景的新型绿色水泥材料。但AASC的抗碳化性能比普通硅酸盐水泥混凝土(OPC)差,埋置其中的钢筋容易锈蚀,因此有必要对其碳化问题以及随之而来的钢筋锈蚀问题进行深入研究。本文研究激发剂类型(Na OH和水玻璃)、Na2O当量(3%、5%、7%)、水玻璃模数(1、1.2、1.5)和CO2浓度(0.03%、3%、20%)对AASC碳化深度、开路电位、塔菲尔极化曲线、电化学阻抗谱和钢筋周围孔溶液p H值的影响,结合XPS、XRD、MIP、SEM和29Si MAS NMR等微观手段分析碳化环境下AASC中的钢筋锈蚀机理。主要结论如下:1、AASC中钢筋生成稳定钝化膜需要的时间短,WG5-1.5和NH5形成稳定钝化膜分别需要72 h和54 h,OPC中钢筋生成稳定钝化膜需要120 h。形成稳定钝化膜后AASC的自腐蚀电位低于OPC。XPS试验溅射1 min后,WG5-1.5和NH5中钢筋的Fe单质含量低于50%,而OPC中钢筋的Fe单质含量高达66%,说明AASC中钢筋能够生成更厚的钝化膜。2、自然碳化时(0.03%)AASC和OPC的碳化深度远小于加速碳化(3%、20%)时的碳化深度。在3%CO2浓度环境下,同一Na2O当量水平的NH组碳化深度小于WG组碳化深度;碳化深度随Na2O当量的增加而减小;水玻璃模数为1.2时碳化深度最小。在20%CO2浓度环境下,碳化28 d后NH5的碳化深度超过WG5-1.5。三种碳化环境下AASC的碳化深度均大于OPC。3、自然碳化224 d时AASC和OPC中钢筋均未锈蚀。在3%CO2浓度环境下碳化112 d后,不同配合比AASC中钢筋出现不同程度锈蚀,激发剂类型、Na2O当量和水玻璃模数对钢筋锈蚀程度无明显影响;OPC中钢筋未锈蚀。在20%CO2浓度环境下碳化28d后,WG5-1.5和NH5中钢筋开始锈蚀,OPC中钢筋未锈蚀。整个加速碳化过程中,AASC中钢筋未锈蚀时的电位在-0.25 V~-0.5 V范围内,明显低于OPC。4、AASC的水化产物主要为低Ca/Si比的Tobermoite,硅氧四面体以Q1和Q2为主,有少量Q3和Q4。与NH组相比,WG组的C-S-H凝胶聚合度更高,总孔隙率低,孔结构密实。加速碳化后,碳化反应使C-S-H凝胶脱钙,Q2、Q3和Q4含量明显增加,聚合度升高,并生成大量方解石、球霰石和文石填充孔隙,使AASC的总孔隙率下降。但碳化也会造成孔结构分布不良,导致孔径<20nm的孔和孔径在20~50nm的孔体积减小,孔径在50~200nm的孔和孔径>200nm的孔体积增大,这是AASC的收缩和碳化产物挤压孔隙所致。孔结构分布不良也是NH组碳化速率大的主要原因。
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