不同环境因素下复合盐溶液对海工混凝土性能影响研究

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随着沿海及海洋设施的不断发展,海工混凝土被广泛应用,与此同时,其耐久性损伤问题带来的安全隐患及经济损失显得尤为突出。由于海工混凝土所处环境的复杂性,海工混凝土耐久性的研究引起广泛关注并成为前沿课题。虽然已有学者开展了很多工作,但还存在以下一些方面的不足:多因素相互耦合影响下的耐久性研究还处于起步阶段,且目前所进行的试验研究多以自拟的盐浓度溶液开展,并不能准确模拟实际工程中复杂的水环境引起的混凝土腐蚀。本文首先对海工混凝土用砂的细度模数以及配合比进行了优选,然后以仿照沙特海域的离子浓度配制的多种复合盐溶液为基础,与通过全浸泡、干湿循环、盐雾侵蚀模拟的不同海洋环境、不同温度进行耦合实验,通过质量变化率、抗压强度损失率、表层氯离子含量的试验数据,结合扫描电镜细观形貌、X射线衍射物相分析,研究了基于不同环境影响因素下复合盐溶液对海工混凝土性能的影响,得出主要结论如下:(1)砂的细度模数在2.9左右时,水泥基材料的力学性能及抗干缩性能最优;砂的细度模数在2.4-2.9之间即中砂时,水泥基材料的抗氯离子渗透性能最优。这是因为中砂的颗粒级配良好,能有效改善水泥基材料内部的孔隙率和孔隙粒径,增加密实程度,从而提高混凝土的强度及抗干缩性能,延缓氯离子的渗透。而粗砂或细砂因颗粒级配不良,均会对水泥基材料内部孔隙结构产生不利影响。海工混凝土优先考虑抗氯离子渗透性能,因此海工混凝土用砂细度模数选择在2.4-2.9以内。(2)水胶比0.33、粉煤灰30%、硅灰8%时,混凝土的力学性能及抗氯离子渗透性能最优,这是因为粉煤灰或硅灰替代一定量的水泥后,虽然影响了水化反应的进程,但随着二次水化反应的进行,混凝土的强度会得到显著改善,且其微小颗粒能显著降低混凝土的孔隙率,使结构更加密实,从而提高抗氯离子渗透性能,硅灰由于颗粒粒径更小,二次水化反应更快,强度提升也更快。水胶比0.38、粉煤灰30%、硅灰3%时,混凝土的工作性能最优,这是因为粉煤灰颗粒为近似光滑的球状体,在拌合过程中会形成滚珠效应,增加拌合物流动性,硅灰比表面积大从而在拌合过程中吸附大量的水,增加了拌合物稠度。在满足强度及抗氯离子渗透性能要求的前提下,考虑到混凝土的和易性和硅灰的经济效益,选用海工混凝土的最优配合比为水胶比0.38、粉煤灰30%、硅灰3%。(3)在28d的侵蚀作用下,氯盐溶液中少量的硫酸盐一方面会消耗混凝土内部水化产物生成胶凝作用不足的腐蚀产物,造成强度损失,另一方面体积更大的腐蚀产物会填充内部孔隙,在因膨胀应力产生更多裂缝前阻碍氯离子的侵入,硫酸盐浓度越高该侵蚀过程发展越快;Mg2+进入混凝土内部生成无胶凝特征的Mg(OH)2腐蚀产物会增加混凝土内部的碱性环境,破坏C-S-H凝胶,严重损耗混凝土早期强度,且Mg(OH)2覆盖于混凝土表面会抑制氯离子的渗透;当SO42-、Mg2+共存时,除了各自的侵蚀作用外,二者之间的存在复合作用,Mg2+会加剧SO42-的侵蚀效果从而加速混凝土受到的侵蚀,同时也加剧了早期对氯盐侵蚀的抑制效果。(4)在28d的侵蚀作用下,不同侵蚀环境下的表层自由氯离子浓度均呈现为干湿循环>全浸泡>盐雾侵蚀,即海环境中潮汐区混凝土受到的侵蚀效果最为严重。由侵蚀程度与抗压强度的相关性,确认侵蚀28d后,该试验混凝土均进入侵蚀后期,呈现随侵蚀时间增加,抗压强度不断下降的趋势。干湿循环下单氯盐溶液及氯盐、硫酸盐复合溶液虽然侵蚀程度更严重,但强度更高,这是因为干湿循环导致内部盐类结晶填充混凝土内部,使之更加密实。(5)在28d的侵蚀作用下,20℃-40℃范围内,混凝土的抗压强度呈现为温度越高,抗压强度越高。就仿海水溶液而言,40℃环境下的混凝土抗压强度比30℃高2.95%,30℃环境下的混凝土抗压强度比20℃多6.65%,说明在20℃-40℃范围内,随着温度上升,对抗压强度的增加效果在减弱。单氯盐和氯盐+硫酸盐溶液在20℃侵蚀环境下的表层(0-10mm)自由氯离子含量高于40℃,仿海水溶液不同温度下的表层自由氯离子含量呈现为40℃>20℃>30℃。结合复合盐溶液的耦合作用,说明在40℃范围内,随着温度不断接近40℃,盐离子的活性提升速率不断增加,因此侵蚀带来的劣化逐渐超过了水化作用的密实效果。由试验结果知温度升高能明显加快混凝土受到的海水侵蚀。
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