矿物掺合料对混凝土电化学除氯效果及性能的影响研究

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沿海及盐渍地区的钢筋混凝土结构长期遭受硫酸盐、氯盐侵蚀,导致钢筋锈蚀及混凝土结构耐久性下降、服役寿命缩短。在众多修复技术中,电化学除氯技术(ECE)因其快速、无损、低成本等优点被广泛应用于氯盐环境下的工程结构,而以往针对于普通混凝土的电化学除氯效果以及电化学除氯对普通混凝土的性能影响也随着矿物掺和料的加入发生改变。本文首先分析了阳极材料、电解质溶液种类及浓度、钢筋类型对电化学除氯效果的影响,获取除氯效果最佳的电化学除氯装置,在此基础上,研究了粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺和料对混凝土电化学除氯效果及粘结性能、微观机理、耐久性的影响,为电化学除氯技术更有针对性的应用于掺加矿物掺和料的混凝土,兼为其耐久性改造提供试验数据及理论指导。本文的主要研究内容和结论如下:(1)采用不同阳极材料、电解质溶液、钢筋类型对普通混凝土进行ECE处理,3种电极材料除氯效果排序为:钌系涂层钛电极>Ti金属网>不锈钢网;6种电解质溶液除氯效果排序为:1mol/L Na2CO3溶液>饱和Ca(OH)2溶液>0.5mol/L Na2CO3溶液>0.1mol/LNa2CO3溶液>1mol/L K2CO3溶液>自来水;两种钢筋类型除氯效果排序为:普通碳素钢>不锈钢。(2)对掺加不同种类及掺量矿物掺和料的混凝土进行电化学除氯(3A/m~2、28d)处理,发现掺加矿物掺和料降低了混凝土ECE效率,除氯效率从大到小依次为:OPC>15%SM>25%SM>20%SL>40%FA>30%FA>20%FA>10%FA/10%SL>5%SF>8%SF>10%SF>15%FA/15%SL>55%SL>40%SL>20%FA/20%SL>5%SM;粉煤灰掺量(20%~40%)与ECE效率呈正相关;ECE效率随矿渣掺量(20%~55%)增加先降后升,矿渣掺量为40%时,ECE效率最低(37%);硅灰掺量(5%~10%)与ECE效率呈负相关;ECE效率随石粉掺量(5%~25%)增加先升后降,石粉掺量为15%时,ECE效率最高(62%);随着粉煤灰/矿渣复掺取代水泥比例提高,ECE效率逐渐降低;矿物掺和料的初始氯离子固化能力及混凝土自身孔隙率决定了ECE效率;掺加矿物掺和料的混凝土经过ECE处理后,钢筋附近Cl-浓度依然可降至钢筋脱钝临界氯离子浓度(1.4kg/m~3)以下。(3)对ECE处理前后的钢筋混凝土进行拉拔试验,结果表明:ECE处理后,各组钢筋混凝土试件的粘结强度均有损失,损失率从大到小依次为:OPC>10%FA/10%S L>15%FA/15%SL>20%FA/20%SL>20%FA>40%FA>20%SL>30%FA>40%SL>55%SL,掺加粉煤灰、矿渣等矿物掺和料可以降低ECE处理对混凝土粘结强度造成的损失。混凝土粘结强度损失率随粉煤灰掺量(20%~40%)增加先降后升,粉煤灰掺量为30%时,粘结强度损失率最低(8.2%);矿渣掺量(20%~55%)与混凝土粘结强度损失率呈负相关,损失率从8.5%降至5.3%;随着粉煤灰/矿渣复掺取代水泥比例提高,混凝土粘结强度损失率逐渐降低,从11.7%降至9.7%。(4)通过XRD测试发现,单掺粉煤灰、矿渣及复掺粉煤灰/矿渣的混凝土经过ECE处理后,未有新的物相生成,同种物相变化相同,CH晶体衍射峰强度增强,C-S-H凝胶、Friedel’s盐含量降低,随着矿物掺和料掺量的增加,ECE处理对同一种物相的变化趋势影响逐渐减弱;通过氮吸附、压汞测试发现,经过ECE处理后各组试件钢筋附近总孔隙率均提高,影响大小依次为:OPC>矿渣>粉煤灰>复掺粉煤灰/矿渣混凝土,其中0~100nm累积孔隙率降低,大于100nm粗孔隙增多;采用超景深、SEM测试,发现掺加粉煤灰、矿渣能削弱ECE处理对混凝土界面造成的损伤,出现裂缝的情况减少,锈蚀状况改善;ECE处理使得各组试件钢筋附近形貌变粗糙,孔隙增大,钙矾石及C-S-H数量减少,掺加粉煤灰、矿渣能削弱ECE处理对混凝土微观形貌的负面影响。(5)通过电通量试验及冻融循环试验发现,ECE处理降低了掺加矿物掺和料混凝土的抗氯离子渗透能力;影响程度顺序为:OPC>矿渣>粉煤灰>复掺粉煤灰/矿渣混凝土,掺加矿物掺和料有助于降低ECE处理对混凝土抗氯离子渗透性能的影响,ECE处理后仅OPC混凝土、20%SL混凝土氯离子渗透等级从低水平升至中等水平,其他组仍处于低水平范围;ECE处理减小了混凝土因冻融循环造成的质量损失,加快了动弹性模量下降速度,但并不改变质量损失以及动弹性模量随矿物掺和料掺量的变化趋势,其中单掺30%FA、20%SL以及复掺20%FA/20%SL混凝土的质量损失最低,相对动弹性模量下降最慢,经过ECE处理后各矿物掺和料混凝土依然具有一定的抗冻性能。
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