海洋干湿交替环境下再生混凝土氯离子传输行为研究

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城市化建设进程的加快消耗着大量不可再生的天然砂石资源,同时也带来了建筑废弃物处置利用的难题。与此同时,在海洋强国战略背景下,我国沿海基础设施及重大海洋工程的建设高速发展,如若能将本地建筑废弃物制备成再生骨料用于海工混凝土结构中,既能解决沿海天然砂石材料短缺困境,又能有效提高建筑废弃物资源化利用率。然而目前对再生混凝土在海洋环境下的耐久性,尤其是氯离子渗透性能的研究还不够完善,限制了再生混凝土在海洋工程中的实际应用。因此,本文主要研究再生混凝土在海洋环境下的氯离子传输行为及其机理,旨在为再生混凝土结构的耐久性评估和寿命预测提供新的理论基础,促进再生骨料在海工混凝土结构中的应用和发展。本研究以海洋干湿交替区域为研究的环境对象,进行再生混凝土在侵蚀离子-干湿交替下的室内加速试验以及在潮差区的实海服役试验。基于室内加速试验中再生混凝土的宏微观性能多尺度分析,揭示了再生骨料和侵蚀离子(SO42-、Mg2+)对再生混凝土氯离子传输行为的影响及其机理。基于影响机理,对再生混凝土的氯离子传输模型进行修正,并最终通过其在实海服役中的氯离子传输行为对该修正模型进行了验证。相关主要结论如下:(1)再生骨料的加入提高了再生混凝土的毛细吸水率和氯离子迁移系数。再生混凝土毛细吸水率主要受再生骨料携带的旧砂浆含量和孔隙率影响,而氯离子迁移系数受再生骨料旧界面过渡区和旧砂浆性能共同影响。基于影响机理,分别建立了再生骨料对毛细吸水率和氯离子迁移系数的影响模型。(2)基于再生混凝土在氯离子-干湿交替环境下的氯离子传输行为研究,从宏观-微观角度分析了再生骨料对混凝土氯离子传输行为的影响及其机理,主要表现为:(1)再生混凝土的孔隙总体积高于普通混凝土,为氯离子的传输和积累提供了更多的通道,从而加快了再生混凝土表面氯离子浓度的积累速率;(2)在氯离子入侵过程中,氯离子扩散系数随时间不断降低,且再生混凝土初始孔隙量越大,其氯离子扩散系数衰减速率越慢;(3)再生骨料的掺入能提高混凝土氯离子结合能力,其原因为旧砂浆中残存的AFm和C-S-H可以结合一定量的氯离子。基于上述机理,提出了再生骨料对氯离子传输行为的影响参数,对再生混凝土的氯离子传输模型进行修正。(3)基于再生混凝土在多离子-干湿交替环境下的氯离子传输行为研究,从宏观-细观-微观角度分析了侵蚀离子(SO42-、Mg2+)对再生混凝土氯离子传输行为的影响及其机理,主要表现为:(1)最大自由氯离子浓度的增长速率主要取决于混凝土表面的孔隙量,且镁离子侵蚀程度越高,则表面孔隙量越大,最大自由氯离子浓度增长速率也越快;(2)氯离子扩散系数的衰减速率取决于腐蚀离子浓度和再生混凝土初始孔隙率;(3)多离子侵蚀降低了再生混凝土氯离子结合能力,其原因为SO42-使部分Friedel盐转化成AFm,Mg2+使部分C-S-H转化成了M-S-H。基于上述机理,提出了多离子对氯离子传输行为的影响参数,进一步修正了再生混凝土在多离子环境下的氯离子传输模型。(4)再生混凝土在多离子-干湿交替室内试验和实海服役试验过程中具有相似的腐蚀机制,室内试验仅加快了混凝土腐蚀进程并不显著改变氯离子的传输机制。同时,实海环境中再生混凝土氯离子浓度分布、最大自由氯离子浓度及其时变性、氯离子扩散系数及其时变性、氯离子结合能力等传输参数均与室内试验得出的模型表达式相符。本文得出的再生混凝土氯离子传输修正模型可用于实海环境下再生混凝土耐久性的预测与评估。
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