摘要
随着中国海洋开发战略的实施，近海港口、码头和岛礁建筑得到迅速发展。混凝土需求量急剧增加并导致河砂和淡水等原材料资源匮乏。如果能用储量丰富的海砂和海水取代传统的河砂和淡水制备混凝土，则可减少原材料运距、缓解河砂和淡水资源匮乏的状态。然而，海水和海砂携带的高含量氯离子易导致钢筋锈蚀，限制了海水海砂混凝土结构的广泛应用。因此，研究海水海砂混凝土基本性能，以及氯离子在海水海砂混凝土内部的迁移规律，并探寻提高海水海砂混凝土中氯离子结合能力的有效方法和适用于海水海砂混凝土的钢筋阻锈方法十分重要。本课题以海水和海砂代替淡水和河砂为主要原材料制备混凝土和砂浆，研究了海水海砂混凝土的基本性能、海水海砂混凝土中氯离子的迁移规律（氯离子溶出和向临近混凝土迁移）、富铝胶凝材料和煅烧水滑石对海水海砂砂浆中氯离子结合能力的影响以及阻锈剂插层水滑石对模拟海水海砂混凝土孔溶液中钢筋锈蚀的影响，具体内容如下： （1）以海水和海砂为主要原材料，掺入粉煤灰、矿粉以及硅灰等辅助胶凝材料制备混凝土和砂浆，研究了海水海砂混凝土工作性能，强度、毛细吸收性能以及干燥收缩性能等，并结合热重分析了海水对水泥水化的影响规律。研究结果表明：海水和海砂加速水泥水化，使其3d和7d抗压强度分别比淡水河砂混凝土提高了34.8%和54.6%，但后期强度与淡水河砂混凝土无显著差异；海水和海砂对混凝土的毛细吸水性能影响不显著，但会降低拌合物的工作性能，且使得其干燥收缩量相比淡水河砂砂浆增加1.43倍。掺加5%氧化镁膨胀剂可有效降低其30d的干缩值达到60%，掺加0.5%亚硝酸钙或者5%硅灰可提升海水海砂混凝土的力学与耐久性能，并能提高其工作性能。 （2）制备不同强度等级的海水海砂混凝土，养护不同龄期后浸泡在静水（浸泡溶液不更换）和动水（定期更换浸泡溶液）环境中，采用电位滴定法测试浸泡溶液中氯离子溶出量以及浸泡不同龄期混凝土不同深度氯离子浓度。结果表明：海水海砂混凝土中的氯离子溶出类似于水泥基材料的钙浸出，是一个相对缓慢的过程。在静水环境中，氯离子会从混凝土内部缓慢向表层区域迁移，并在表层0~5mm区域形成富集现象；溶出液中的氯离子含量前期增加较快，后期增长变缓。在动水环境中，海水海砂混凝土表层的氯离子含量仍会出现富集，但富集量降低，水溶液中的氯离子浓度增加，溶出速度增加。提高混凝土强度，可以延缓混凝土中氯离子溶出，且其189d氯离子溶出量仅为0.116~0.158mgCl/g混凝土。 （3）通过在海水海砂混凝土基体上浇筑不同强度等级的淡水河砂混凝土，标准养护不同龄期后从接触面断开，分别测定两种混凝土接触面的表层氯离子浓度变化，进而获得海水海砂混凝土中氯离子的反向迁移规律。结果表明：随着二者结合龄期增长，氯离子会缓慢从海水海砂混凝土内往表面迁移，并在海水海砂混凝土表层2mm处富集，少量氯离子会迁移到淡水河砂混凝土中，90d后氯离子在淡水河砂混凝土中迁移深度达到5mm。COMSOL模拟结果表明：二者结合1年后更多的氯离子（0.076%）将迁移到淡水河砂混凝土中，且会迁移到更深的区域（20mm左右）。 （4）通过掺加煅烧水滑石和富铝胶凝材料（铝酸钙水泥、粉煤灰和偏高岭土）海水海砂砂浆的自由和总氯离子浓度测试，分析掺合料对混凝土氯离子结合能力的影响。结果表明：煅烧水滑石可通过吸附溶液中Cl-或SO42-实现结构重建，采用500℃煅烧水滑石可获得最大氯离子吸附量，由于煅烧水滑石优先吸附硫酸根离子，且其对SO42-的吸附量约为Cl-吸附量的1.5倍，其在稀释海水溶液中对氯离子吸附量约为10mgCl/gCLDH，仅为氯化钠溶液中对氯离子吸附量的1/9。煅烧水滑石、粉煤灰、偏高岭土以及单独使用铝酸钙水泥均能有效提高海水海砂砂浆的氯离子结合能力。当它们的用量分别为7.5%、30%、30%和100%时，可以使砂浆氯离子结合能力分别提高65%、35%、65%和200%。分子动力学模拟结果表明，煅烧水滑石存在时Cl-Ca离子对的径向分布函数值降低，证实了煅烧水滑石对砂浆中氯离子的吸附。 （5）通过煅烧-重建方法制备亚硝酸根阻锈剂插层水滑石，研究煅烧水滑石和插层水滑石对模拟海水海砂混凝土（SWSSC）孔溶液中钢筋锈蚀的影响。结果表明：通过煅烧再重建的方法可以将亚硝酸盐阻锈阴离子负载到水滑石层间，阻锈剂的负载率接近9%。负载的阻锈阴离子在SWSSC孔溶液中会迅速被释放，混合反应3d后阻锈剂释放率可达到99%。钢筋在海水海砂混凝土模拟孔溶液中迅速腐蚀，掺入CLDH和LDH-NO2后钢筋的腐蚀得到控制。CLDH通过吸附Cl-并释放OH-，既降低了溶液中游离氯离子的含量，又提高了溶液的碱度，从而延缓了钢筋的腐蚀速率。LDH-NO2通过释放阻锈剂NO2-和OH-并吸附Cl-，促进钢筋表面钝化膜的形成，可为钢筋提供长时间的腐蚀防护。
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