高强全珊瑚海水混凝土结构的钢筋锈蚀与服役寿命研究
作者单位：南京航空航天大学
学位级别：硕士
导师姓名：余红发
授予年度：2019年
主 题：全珊瑚海水混凝土 钢筋锈蚀 线性极化法 交流阻抗谱法 氯离子扩散 寿命预测
摘 要：南海岛礁远离祖国大陆,处于高温、高湿、高盐和多风的热带海洋环境中,砂石及淡水资源匮乏。因此,一种采用珊瑚碎屑与珊瑚砂作为粗细骨料、海水拌合和养护的方法制备的新型轻骨料混凝土—全珊瑚海水混凝土(Coral Aggregate Seawater Concrete,CASC),在我国南海港口及机场等岛礁工程建设中具有广泛的应用前景。但是,在海水和内在氯离子的双重侵蚀作用下,岛礁环境中珊瑚混凝土(Coral Aggregate Concrete,CAC)结构内钢筋锈蚀严重,导致其往往不能满足50a使用年限要求。为了探究岛礁环境下CASC结构的钢筋锈蚀规律及服役寿命,选取两种强度等级(C35和C60)的CASC小构件进行模拟海水暴露试验,运用线性极化电阻法(Linear Polarisation Resistance method,LPR)和交流阻抗谱法(Electrochemical Impedance Spectroscopy method,EIS)对暴露0～270d的构件中的钢筋进行电化学测试,对比分析了混凝土强度等级、暴露时间、保护层厚度、钢筋种类和阻锈剂(种类/掺量/掺入方式)等因素对CASC中钢筋锈蚀行为的影响;通过自然扩散法试验得到CASC的氯离子扩散参数,再依据本课题组开发的基于可靠度理论和修正氯离子扩散理论模型的ChaDuraLife V1.0寿命分析软件,对岛礁环境下高强CASC结构进行寿命分析与预测。本文主要结论如下:(1)设计了一种用来分析拟合CASC中钢筋EIS图的统一等效电路模型,其电路编码为:Rs(CcRc)(Qdl1Rf)(Qdl2(Rct(CaRa)W))。其中,Rs(CcRc)(Qdl(RctW))是未考虑掺入阻锈剂或掺入阻锈剂却未出现“高频效应时的基础等效电路模型;Rs(CcRc)(Qdl1Rf)(Qdl2(RctW))和Rs(CcRc)(Qdl(Rct(CaRa)W))分别是用来描述“预吸亚硝酸钙阻锈剂(Calcium Nitrate,CN)和有机氨基醇类阻锈剂(Amino Alcohol,AA)且出现了“高频效应时钢筋EIS图的等效电路模型。(2)随着混凝土保护层厚度和强度等级的增大,CASC中钢筋的极化电阻(RP)、混凝土保护层电阻(Rc)和电荷转移电阻(Rct)逐渐增大,腐蚀电流密度(Icorr)和腐蚀电流(i)逐渐减小,说明适当提高混凝土强度等级和保护层厚度,可以有效提升钢筋的耐蚀性能。根据不同钢筋在CASC中的电化学锈蚀规律得到其耐蚀性能排序为:环氧树脂涂层钢筋(Epoxy Resin Coated Steel,ERCS)2205 双相不锈钢筋(2205 Duplex stainless steel,简称 2205S)316L 不锈钢筋(316L stainlesssteel,简称 316L)有机新涂层钢筋(Organic Coated Steel,OCS)普通钢筋(Ordinary Steel,OS)。(3)对于未掺阻锈剂的CASC构件,随着暴露时间的延长(0～270d),钢筋的LPR曲线逐渐沿Y轴(电极电位E/V)负移、沿X轴(电极上通过的电流值Log(I/A))正移,Rp值逐渐减小,Icorr和i值逐渐增大;Nyquist图中高频容抗弧半径整体处于逐渐减小的过程,高低频容抗弧交点逐渐右移,低频容抗弧逐渐向阻抗实部收缩,且Bode阻抗模量和最大相角绝对值也在逐渐减小,Rc和Rct整体逐渐呈减低的趋势,而阻抗电容(C)和用来描述C偏离的物理量Y0则呈明显的上升趋势。说明随着时间的延长,CASC中钢筋逐渐发生脱钝锈蚀,且锈蚀速率逐渐增大。(4)在CASC构件中掺入一定掺量(占胶凝材料质量分数)的CN(3%和6%)和AA(2%和4%)阻锈剂,可以有效提升钢筋的耐蚀性能,且掺量越大效果越好。在暴露初期(0～180d),CN的阻锈效果比AA更好,在暴露后期(180～270d)CN的阻锈能力逐渐减弱,AA的优势则逐渐得到体现。当在CASC中以“预吸方式掺入3%CN和2%AA时,钢筋Nyquist图高频区会在暴露28d和180d后开始出现表征“氧化膜电阻和“沉积膜电阻的第二段容抗弧,表明“预吸的阻锈剂修复或重建了钢筋表面的钝化膜。可见“预吸比“同掺能更充分地发挥阻锈剂的阻锈作用;采用淡水作为阻锈剂“预吸介质的效果比“预吸海水的效果更好。(5)CASC的氯离子含量与扩散深度的递减关系符合Fick第二扩散定律;CASC的自由氯离子含量(Cf)在0.3%～0.7%(混凝土质量分数)范围变化,且当混凝土掺有阻锈剂时其会出现下降的趋势。CASC的表面自由氯离子含量(Csf)和表面总氯离子含量(Cst)之间均具有较强的线性相关关系,Csf值与暴露时间之间具有(1-m)幂指数关系,其相关程度较0.5(1-m)幂指数关系更加显著;根据LPR和EIS所测得不同钢筋的i值与其表面Cf值之间的关系,得到OS、OCS、316L、2205S和ERCS的临界氯离子含量(Ccr)范围(占混凝土质量百分数)分别是:0.15%以下、0.21%、0.33%～0.41%、0.46%以上和0.41%以上。(6)根据岛礁CASC结构服役寿命计算结果可知,随着Ccr值、保护层厚度和混凝土强度等级的增大,CASC结构的钢筋失效概率逐渐降低,服役寿命逐渐延长。保护层厚度和Ccr值对CASC结构服役寿命的影响程度随着混凝土强度等级的提高而逐渐增大,前者的影响程度较后者稍大。海水淡化对选用普通易锈蚀钢筋的CAC结构服役寿命有显著的影响,但对于选用不锈钢钢筋的CAC结构服役寿命影响很小。28d自由氯离子扩散系数(D0)对CAC结构服役寿命的影响程度远高于初始自由氯离子含量(C0)。对于岛礁环境下C35和C60的CASC结构,当Ccr值为0.70%～2.38%(钢筋种类为304奥氏不锈钢、优质304L不锈钢或2205S不锈钢)、保护层厚度至少取10.5 cm和10cm时,其服役寿命达到50a;而为了满足100a使用寿命,至少要求使用保护层厚度大于10cm、Ccr值大于2.38%(优质2205S不锈钢)的C35 CASC,或使用保护层厚度大于10.5cm、Ccr值大于1.47%(优质304L不锈钢)的 C60CASC。
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