碳化环境下碱矿渣混凝土微结构演变机制及钢筋锈蚀机理研究

Alkali-activated slag cement is one of the most potential substitutes for Portland cement. Carbonation is a potentially serious durability problem during the service life of alkali-activated slag concrete(AASC). However, the carbonation mechanism and carbonation products of alkali activated concrete are not clearly. There is dispute on its carbonation resistance evaluation and little study on the steel corrosion mechanism. Which is the weak link and one of the key technologies to restrict its development. This project will research the effect of main factors such as alkali activator type,Na2O equivalent, water glass module(Ms), CO2 concentration and carbonization ages on the carbonation performance of AASC. By examining macroscopic properties (compression strength, dynamic elastic modulus, carbonation depth, pH value around reinforcement bar, corrosion potential, corrosion current and corrosion rate, etc.) and microscopic structures (pore structure analysis, SEM-EDS, thermo-gravimetric analysis, XRD, FTIR, MAS-NMR, etc.) under carbonization environment, the transformation laws of hydration products, carbonization products, pore structures can be identified. This information, together with calculations and simulations based on the chemical thermodynamics theory, detailed mechanisms of carbonation and reinforcement corrosion will be revealed. The research results of this project will provide solid theoretical supports to promoting practical applications of AASC in civil engineering.

碱激发矿渣胶凝体系有望成为硅酸盐水泥的替代品之一，碳化是碱矿渣混凝土在服役过程中常遇到的耐久性问题。目前，碱矿渣混凝土抗碳化性能的评价仍存在争议，其碳化机理与碳化产物未形成定论，碳化引起的碱矿渣混凝土中钢筋锈蚀机理的研究极少。这些是该材料研究的薄弱环节，也是制约其应用发展的关键技术问题之一。本项目选取激发剂（不同模数水玻璃、NaOH）和掺量以及CO2浓度为参数，从混凝土宏观（抗压强度、动弹性模量、碳化深度、钢筋周围pH值、腐蚀电位和腐蚀电流及锈蚀率等）和微观（孔结构分析、SEM-EDS、热重分析、XRD、FTIR、MAS-NMR等）层面，研究该混凝土在碳化作用下的宏观性能、水化产物、碳化产物、孔结构、钢筋周围pH值等的变化规律，结合化学热力学理论，对其碳化反应进行模拟，建立碱矿渣混凝土自然和加速碳化模型以及钢筋锈蚀速率预测模型。研究成果可为碱矿渣混凝土的应用提供科学的试验数据和理论支持。

碱矿渣混凝土(AASC)是一种绿色环保的建筑材料，目前国内外对碱矿渣混凝土的碳化机理以及碳化引起的筋锈蚀问题研究较少，因此有必要对此展开系统的研究。本项目通过宏观和微观试验，对采用不同激发剂和碱当量激发制备的AASC和不同养护制度下成型的的AASC在不同的CO2浓度环境下进行了碳化试验和钢筋锈蚀试验，对不同碳化龄期下AASC的强度、碳化深度、孔隙液pH值、开路电位、线性极化曲线、电化学阻抗谱和钢筋周围孔溶液pH 值进行测试和分析；研究了碱矿渣混凝土在碳化环境下的宏观性能、碳化产物及微结构演变机制；得到了CO2浓度、激发剂类型和碱当量对碱矿渣混凝土碳化和碱矿渣混凝土中钢筋锈蚀的影响机理及规律；根据Fick定律以及CO2在多孔介质中扩散和吸收的特点，推导得出了AASC碳化深度的预测模型。. 研究表明，碱矿渣混凝土的主要水化产物是低钙硅比的C-S-H（Ⅰ），无氢氧化钙，因此其抗碳化性能明显低于普通硅酸盐水泥混凝土，主要表现为在相同的碳化环境下，经历一定时间的碳化后，碱矿渣混凝土的抗压强度有明显的下降、碳化深度大、钢筋更容易发生锈蚀。碳化环境中CO2浓度的对碱矿渣混凝土的碳化行为影响很大，自然碳化时，碱矿渣混凝土的碳化产物碳酸钙主要以方解石的形式存在，加速碳化时，碳酸钙会以文石和球霰石的形式存在，而且加速碳化的CO2浓度越大，文石和球霰石的含量越高。在加速碳化环境下AASC 的碳化速率明显大于OPC，且CO2浓度越高，碳化速率越快，而在自然碳化环境下AASC的碳化速率也高于OPC 但差值较小， 高浓度的CO2碳化环境会改变碱矿渣的碳化行为，低估碱矿渣混凝土的抗碳化性能。