admin Cement Concrete Res. ：中国东南沿海环境中暴露于大气和氯化物的结构混凝土的长期性能
文献速读
Cement Concrete Res. ：中国东南沿海环境中暴露于大气和氯化物的结构混凝土的长期性能
题目
题目：Long-term performance of structural concretes in China southeast coastal environments exposed to atmosphere and chlorides
关键词
耐久性；结构混凝土；辅助胶凝材料；大气碳化；氯离子侵蚀
来源
出版年份：2023
来源：Cement and Concrete Research
课题组：清华大学土木工程系李克非课题组
研究背景
随着混凝土结构在土木工程中的广泛应用，对其耐久性、瞬态力学性能等长期性能提出了更高的要求。现场观察为实际环境作用和服务载荷下混凝土材料和结构的目标性能提供了反馈，越来越受到工程界的重视。混凝土耐久性最常见的问题是碳化和氯化物侵蚀。从单一劣化过程下的实验室研究中获得的结论大多使用标准固化程序后的样品。
研究出发点
在实际环境中，混凝土会经历特定的养护和硬化过程。同时，混凝土表面将受到多种环境作用，可能会引起强烈的材料-环境相互作用。因此，对实际结构耐久性的长期观察有助于验证实验室知识和校准耐久性模型。
研究内容
本文研究了中国东南沿海地区深圳市结构混凝土暴露于大气和氯化物的长期性能。这种结构混凝土加入了大量的辅助胶凝材料（SCMs），是中国首次在建筑中大规模应用这种混合物。在这两种情况下，在20多年的时间里分别对混凝土的抗碳化性和抗氯化物侵蚀性进行了现场取样和测试。
图1 深圳地铁1号线（1999年建成，2004年通车）和盐田港中心区（1988年建成，2008年通车）大型隧道模型气象资料
图 2 抽提岩心及样品碳酸化、氯离子渗透性、抗压强度（2014年抽提时在深圳实验室拍摄）
图 3 连续测量抽取的岩心和立方体试样的抗压强度
图 4 根据ASTM C1202和快速迁移试验对提取的岩心样品进行氯离子渗透性的测量
图 5 提取岩心碳酸化深度随暴露时间变化（左）和激流装置透气性变化（右）
图 6 碳化区（-C）和非碳化区（-UC）含膨胀剂的高性能混凝土（EHPC）的水泥浆体和骨料界面（上）和纤维增强高性能混凝土（FHPC）的纤维、水泥浆体和骨料界面（下）的SEM图像
图 7 非碳化区和碳化区不同混凝土岩心样品的DTG数据。灰色线代表未碳化样品，黑色线代表碳化样品（E =钙矾石，V = 球霰石，C=方解石）
图 8 盐田港中心区高桩码头结构布置及暴露区和岩心取样位置
图 9 表层（0 – 5 mm）和内部（40 - 45 mm）粉末样品的XRD矿物成分分析
主要结论
（1）建立了大型地铁隧道模型，观察了含辅助胶凝材料（SCMs）结构混凝土的长期性能。观察到的基本特性包括混凝土强度、氯离子渗透性和碳化深度。在20年的时间里，与普通硅酸盐水泥（OPC）相比，加入膨胀剂的高性能混凝土（EHPC）的28 d龄期强度提高了50%以上；关于氯化物渗透性，暴露后的20年，都下降到很低的水平，几百库仑；对于碳化，OPC和高性能混凝土（HPC）在暴露20年后均表现出更好的抗碳化性能，碳化深度在20 mm以内，而EHPC在相同的暴露时间内碳化深度最大，接近40 mm；进一步的显微观察和DTG分析有助于揭示其内在机理：纤维增强高性能混凝土（FHPC）在纤维周围表现出弱界面，碳化过程中大量钙矾石（AFt）的溶解促进了CO2的进入，从而提高了碳化速率；
（2）采用抽芯法，研究了盐田港现浇结构混凝土20年来抗氯化物侵蚀的长期性能，主要集中在硅烷浸渍的HPC和暴露在飞溅区未加保护的OPC，对提取的岩心进行表面吸水率、氯化物含量和脱碱深度测定。同时，对岩心不同深度的粉末样品进行了化学和矿物分析。结果表明：经硅烷浸渍的HPC表面保持一定的疏水性，暴露18年后表面氯离子仍处于积聚阶段。随着暴露时间的增加，OPC氯离子进入有明显的对流深度，在这个对流深度内，海水润湿引发的钙蚀是主要的活性过程；
（3）隧道模型的大气暴露和高桩码头的海洋暴露，都突出了环境与混凝土表面的相互作用，用以了解混凝土的长期耐久性性能。“表皮效应”对混凝土覆盖层下预埋钢筋的实际防腐能力有重要影响。对于隧道模型，这种表皮效应来自混凝土表面的壁效应、碳化以及碳化引起的微结构变化的协同作用，导致EHPC的表层密实度最低，但其体强度最高。对于港口混凝土，这种表皮效应主要表现为HPC的硅烷浸渍和OPC的强对流区：硅烷浸渍有效减缓了表面氯离子的积累，从而限制了氯离子的进入；强对流从根本上改变了混凝土表面的化学性质，从而制约了氯化物的进入；
（4）进一步定量分析了隧道模型的碳化率和码头构件的氯化物侵蚀情况。对于碳化，不同混凝土的碳化速率回归结果表明，OPC/HPC碳化速率符合暴露年龄的平方根规律，而FHPC和EHPC的碳化速率则明显偏离暴露年龄，但符合最近技术文件（如2020年模型代码）中提出的幂律；氯离子进入时，表面对流较强的OPC和硅烷浸渍的HPC表观氯离子扩散率均未表现出明显的老化行为，表观氯离子含量也未稳定。这些来自20年观察的第一手经验将有助于改进已建立的结构混凝土暴露于碳化或氯化物侵蚀的使用寿命预测模型。
本期编者简介
翻译：
何 闯 博士后 深圳大学
审核：
余 阳 硕士生 深圳大学
排版：
汤高翔 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
/10.1016/j.cemconres.2022.107064
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