碳化和氯离子对海砂钢筋混凝土的协同劣化机理及其治理方法研究

This project intends to explore the deterioration mechanisms and prevention methods for the reinforced concrete with sea sand under the synergetic action of carbonation and chloride. Based on the electrochemical and micro-analysis methods, the durability of sea sand concrete will be investigated, and the mechanisms and prevention methods against synergetic deterioration by carbonation and chloride in reinforced concrete be examined. The influence of synergetic action by carbonation and chloride on carbonation rate, chloride binding, and ions transport will be disclosed. The inter-dependency of passive film on pH value and chloride concentration will be analyzed, and depassivation mechanisms of reinforcement steel in sea sand concrete under the synergetic action of carbonation and chloride will be proposed. From the quantification of dynamic parameters of corrosion reaction of steel bars by synergetic deterioration of carbonation and chloride, the model of reinforcement corrosion rate can be established. Combined with carbonation process, depassivation condition, and corrosion development process, the deterioration model of reinforcement corrosion by synergetic action of carbonation and chloride can then be formed. Consequently the prevention methods against synergetic deterioration by carbonation and chloride in reinforced concrete made with sea sand can finally be proposed. Based on the research findings, the comprehensive utilization of sea sand can be motivated, and the scientific evidence for service life assurance of sea sand reinforced concrete can then be provided.

本项目以海砂混凝土耐久性为研究主题，结合前沿的电化学与微观分析方法，探讨碳化和氯离子对海砂钢筋混凝土的协同劣化机理及其治理方法。揭示碳化和氯离子的协同互作用对混凝土碳化速率、氯离子结合及介质传输等性能的影响规律；分析钢筋钝化膜与pH值和氯离子浓度等因素的相互依存性，结合钝化膜的形成与破坏过程，提出碳化和氯离子协同作用下海砂混凝土中钢筋腐蚀脱钝机制；通过量化碳化和氯离子协同作用下钢筋腐蚀反应的动力学参数，建立海砂混凝土中钢筋腐蚀的速率模型；结合混凝土碳化过程、钢筋脱钝条件及钢筋腐蚀发展过程，构建基于碳化和氯离子协同作用的钢筋腐蚀劣化模型；最后基于腐蚀劣化机制探讨海砂混凝土中钢筋腐蚀的治理方法。通过项目研究可规范和推动海砂的资源化利用，并为保障海砂混凝土结构的合理使用寿命提供科学依据。

本项目以海砂混凝土耐久性为研究主题，采用电化学与微观分析方法，探讨了碳化和氯离子对海砂钢筋混凝土的协同劣化机理及其治理方法。 通过研究发现： . 1）海砂引入的氯离子可减少水泥石中的孔隙率及优化孔结构，因此，适量的氯离子对提高混凝土抗碳化能力有利，但其影响并不明显；2）结合态氯离子在碳化作用下几乎被释放为自由态氯离子。基于XRD及DSC/TG分析，揭示了碳化作用下Friedel盐及(C-S-H)凝胶分解分别是水泥基材料中化学结合及物理吸附氯离子转换为自由氯离子的主要原因；3）基于COMSOL，构建了可预测碳化作用下海砂混凝土中氯离子重新分析的模型，该模型考虑了孔隙水饱水度变化以及碳化对水泥石孔隙率、氯离子固化的影响；4）基于海砂氯离子含量与海砂混凝土中钢筋腐蚀行为的试验关系和国内外规程关于氯离子含量限值的发展趋势，提出了海砂及海砂混凝土中氯离子含量的建议限值：不考虑碳化的影响，一般干燥环境中的钢筋混凝土结构时，海砂氯离子含量的限值可确定为0.18%，并同时满足海砂混凝土氯离子含量限值为0.30%的要求；5）考虑碳化的影响后，海砂混凝土中固化氯离子会释放为自由氯离子，且氯离子会因碳化重新分布出现峰值效应，加上混凝土孔隙溶液中pH值因碳化而降低，即使海砂混凝土中初始氯离子低于标准限值，钢筋腐蚀行为也一定要考虑碳化与氯离子的共同作用，特别是具有较低的抗碳化能力的混凝土。 理论上，考虑碳化后的海砂混凝土中氯离子含量限值则要低很多，具体合理取值范围尚需进一步研究。项目成果可为保障海砂混凝土结构的合理使用寿命提供科学依据。