碱激发混凝土氯离子侵蚀及钢筋脱钝行为基础研究

Despite alkali-activated concrete is a green low-carbon concrete material through repurposing huge amount of industrial wastes, its broad application in industry is still hindered. One of the main reasons that prevent the broad acceptance of alkali-activated concrete in reinforced concrete structure is the lack of scientific design method and uncertainty of long-term durability. Regarding the research on the chloride ingress mechanisms and rebar corrosion behaviors in alkali-activated concrete, most existing studies focused on the macroscopic performance using traditional testing methods. This proposal aims to illuminate the chloride penetration mechanisms in various types of alkali-activated concrete and to explore the effect of materials composition and microstructural features on the chloride binding behaviors and corrosion initiation critical chloride content. Taking advantages of the modern materials characterization techniques, the microstructural features, in combination with the backscattered image analysis and thermodynamic modeling, can be used to quantitatively and reliably predict the hydration phases. This project aims to establish the correlation between 'composition-structure-macroscopic performance' of alkali-activated concrete in marine environments. The project will contribute to the broad acceptance of alkali-activated concrete in the industry and offer technical support for the reuse of industrial wastes in producing sustainable concrete.

碱激发混凝土虽然可利用大量工业废渣合成绿色低碳结构材料，并具有优异的抗火性和耐酸性，却仍未在实际工程中得到广泛应用。限制碱激发混凝土应用于传统钢筋混凝土结构形式的主要原因包含缺乏科学设计方法和耐久性不明确性。针对碱激发混凝土抗氯盐侵蚀及钢筋腐蚀行为研究，已有工作都是依赖于传统的测试方法并停留在宏观定性描述上，不能科学合理地指导原材料选取和高耐久性材料设计。本课题拟结合材料微观表征和宏观性能测试，分析碱激发材料化学成分和微观结构对氯离子传输和钢筋脱钝行为的影响；进一步结合背散射电子图像处理与热力学模拟，依据水化产物特性与氯离子吸附量之间的关系分析，揭示氯盐在碱激发混凝土中的侵蚀机理。本课题将建立碱激发混凝土在氯盐环境下"化学成分-微观结构-宏观行为"三者之间的定量关系；通过提取并优化关键微观参数，设计高耐久性碱激发混凝土，为实现低碳环保混凝土的广泛工程化应用提供理论依据，促进工业废渣再利用。

碱激发混凝土是一种绿色低碳土木工程材料，近年来在“碳达峰、碳中和”的背景下受到学界和业界广泛关注。然而，由于其在严酷环境下的长期耐久性不明确性，碱激发混凝土的普遍工程化应用受到了极大限制。为将碱激发胶凝材料应用于传统钢筋混凝土结构形式，探究钢筋在碱激发混凝土中的腐蚀行为，并提供合理材料耐久性设计方法是一个重点研究方面。本项目的主要目的探究碱激发混凝土中氯盐侵蚀机理及钢筋早期腐蚀行为。..本项目研究了碱激发混凝土的抗氯盐侵蚀能力以及钢筋在碱激发混凝土中的脱钝和腐蚀机理。重要研究结果归纳如下：（1）相较普通硅酸盐水泥混凝土，碱激发混凝土表现出极强的海水稳定性和抗氯离子侵蚀能力。在相同的氯盐腐蚀环境下，碱激发混凝土的氯离子扩散系数比普通硅酸盐水泥混凝土减小了近一个数量级，可以有效减慢海水中氯离子达到钢筋表面的时间；（2）碱激发混凝土的优异抗海水能力主要来源于其致密的微观孔结构；同时，碱激发水化产物中的层状双氢氧化物（LDHs）可以有效地固化氯离子，削弱孔溶液中自由氯离子往内部迁移的驱动力。另一个减缓氯离子在碱激发材料孔溶液传输的因素是其孔溶液具有较高的pH值（氢氧根浓度）；（3）通过增加富含钙和铝的矿物（如石灰石、偏高岭土）和使用活性氧化镁改性的碱激发剂可增强碱激发矿渣的氯离子结合能力；（4）基于亚硝酸钠或硝酸钠的阻锈剂对碱激发材料的氯离子结合能力影响甚微，但会改变其微观孔结构，进而影响其抗氯盐扩散能力；加入的亚硝酸或硝酸根阴离子会进入到LDHs层间结构中，并在氯盐环境中得以释放，起到智能阻锈的功能；（5）在相同温湿度和氯盐浓度下，钢筋在碱激发材料中的腐蚀速率远低于其在普通混凝土中的腐蚀速率。控制钢筋腐蚀速率的主要微观因素为混凝土材料的抗离子扩散速率和孔溶液中氯离子和氢氧根离子浓度的比例。该研究成果将有助于我国固体废弃物再利用，指导低碳高耐久性碱激发混凝土设计，推进可持续性混凝土材料在未来土木工程中的应用。