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1、福州大学专业学位研究生论文开题报告论文题目掺海砂硫铝酸盐水泥混凝土氯离子固化及其护筋性能研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等）1.1 课题研究的意义及作用根据中国混凝土网统计，2014年我国商品混凝土产量达15.54亿立方米，若以每立方米用砂80Okg计，则2012年的商品混凝土用砂
2、量约为12.43亿吨。然而，近几年来各地为了保护江堤河坝、维持生态平衡都不同程度做出严禁或限量开采的规定，以河砂为主的天然砂已无法满足建筑市场的需求，因此，寻找新的细骨料资源，使混凝土行业实现从资源依赖型到资源创新型的转变已成为迫切需要的研究课题。我国东、南两向与海洋相连，拥有1800Okm的海岸线，沿岸毗邻海洋拥有丰富的自然资源可以开发利用。统计资料显示，我国浅海砂资源存量约为1.6X102吨，而且海砂分选好、分布集中的特点适合于大规模工业化开采，同时海运费用低廉，可以降低使用成本。所以,走科学开发海砂的道路，不仅可以解决沿海地区标准砂石资源普遍匮乏的难题，而且可以避免远程砂石开采补给和淡水
3、砂石过度开采，有利于节能和环保。因此，对于我国沿海地区，海砂用于建筑工程从先天资源上讲是可行的。英国和日本是世界上开展海砂研究和利用最早的国家，分别已有70年和30年的历史,英国和日本的实践证明，经过适当的处理和搭配使用，海砂混凝土在服役的60多年中，没有发生过严重的耐久性问题,。通过在混凝土中掺加钢筋阻锈剂以及采用对氯离子固化效果较好的特种混凝土，可以有效防止钢筋的锈蚀。所以，海砂用于工程建设从技术上讲是可行的。面对河砂资源日益匮乏和沿海地区海砂资源丰富的现状，以及建筑市场河砂的短缺与海砂混凝土耐久性问题的矛盾，单纯禁止使用海砂是不符合科学发展观的。积极的研究海砂混凝土的腐蚀特点、机理及解决
4、办法，寻求合理有效得海砂利用途径，才是解决问题的关键。河砂与海砂在物理、力学性能方面虽有差异，但不是影响海砂作为混凝土细骨料应用的主要原因。众所周知，海砂中不同程度地含有海盐成分（其中主要是CD,Cr能使混凝土中钢筋失去钝化状态，钢筋腐蚀发展，其锈蚀产物可膨胀2.5倍以上，致使混凝土开裂、剥落,最终导致结构破坏、失效。Cr对钢筋腐蚀破坏是世界范围内关注的问题。国内外研究中通常把氯盐分为内掺和外掺两大类，海砂对混凝土结构使用寿命的主要影响因素是其携带的氯离子，因此其内部的氯盐属于内掺型。内掺性氯离子在拌和过程中就已经进入混凝土内部，其对混凝土的内部孔隙液成分、微观结构等产生一系列影响，并影响混凝
5、土的力学性能，同时随着水泥凝胶体的水化，水泥石内部一系列的化学、物理反应以及物理吸附作用，一部分氯离子被结合，另一部分称为孔隙溶液的自由氯离子，即水溶性氯离子。当自由氯离子在钢筋表面聚集到一定浓度时便会引发钢筋锈蚀。因此，海砂型混凝土中海砂中的氯离子释放混凝土后其被水泥水化产物结合多少在一定程度上反映出水泥石固化氯离子能力的大小。经过近200多年的发展，水泥逐步形成了硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐三大品种系列凡其中硅酸盐水泥时当今使用最为广泛的无机胶凝材料加。但是g,硅酸盐水泥自身的性能和特点决定了它不能满足一些特殊工程的需要和施工新技术的要求。硫铝酸盐水泥的矿物以303A12036s04为主，具有
6、凝结快、强度高、微膨胀和低收缩性等特性，其配置的混凝土抗渗性和抗裂性好，并且对氯离子具有较强的固化能力。叶益龙研究发现，与普通硅酸盐水泥相比，在总氯离子含量相同的情况下，硫铝酸盐水泥的氯离子固化率最大，在28d时达到64.6%；在龄期Id时,硅酸盐水泥的氯离子固化率要稍微低于混合水泥的氯离子固化率,但在28d时,硅酸盐水泥的氯离子固化率达到45.1%,而混合水泥的氯离子固化率仅为30.2%o在氯离子侵入普通混凝土时，C3A与SO：反应生成硫铝酸盐后，C可与其反应置换出SO；,生成F盐，Cr也可直接与C3A生成F盐1。蔡高创等I研究表明，硫铝酸盐水泥水化反应发生后除了生成水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙
7、外，还生成数量远大于普通硅酸盐水泥的钙矶石,这是其与普通硅酸盐水泥最主要的区别。硫铝酸盐水泥产物中的钙矶石可为固化氯离子提供大量的“原材料”，因此，硫铝酸盐水泥固化氯离子的能力比普通混凝土要大。随着水灰比的减小，水化产物中钙矶石数量增多，水泥固化氯离子的能力增强。本课题主要研究硫铝酸盐水泥混凝土对海砂中氯离子固化的机理及其对钢筋锈蚀的影响。海砂型与外掺型氯离子结合、传播方式有所不同，海砂型引入的氯离子存在一个从海砂表面到水泥凝胶内部的渗透过程，在此基础上提出了海砂型氯盐侵蚀的概念，结合宏观和微观实验研究其结合、传播机理以及其对钢筋锈蚀的影响。1.2 硫铝酸盐水泥混凝土对氯离子固化的研究现状硫铝
8、酸盐水泥具有优异的早期强度，其最大的优势就是早期强度增长迅速。在标准养护下，硫铝酸盐水泥混凝土Id的抗压强度可达28d的60%,3d的抗压强度就能达到28d的86%o这是因为硫铝酸盐水泥的水化速度快，早期强度较高。硫铝酸盐水泥同时具有良好的耐久性。硫铝酸盐水泥石的孔结构与硅酸盐水泥的孔结构有明显差别，其特点是：(1)总孔隙率低(V15%)；(2)平均孔径小，绝大多数孔径小于30nm,最可几孔径(1:1砂浆)小于2.5nm,且18nm左右的孔占很大的比例，孔的形状多为墨水瓶孔,这样的孔是形成硫铝酸盐水泥抗渗、抗腐蚀等优良性能的关键网。赵军等M在研究结果中表明，在相同水灰比和氯离子总量下，硫铝酸盐
9、水泥混凝土的氯离子结合能力大于普通硅酸盐混凝土。叶益龙皿在研究中也指出28d时，硫铝酸盐水泥混凝土的氯离子固化率比硅酸盐水泥混凝土高出了19.5%o然而，蔡高创研究发现，硫铝酸盐水泥混凝土固化氯离子能力随着龄期增长不断增加，但增加趋势放缓，28d时其固化率与普通硅酸盐水泥相似。耿健，丁庆军的研究了三种不同类型水泥，其固化氯离子能力有强到弱为：硅酸盐水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥。分析其原因一是实验量不足导致结果存在偶然性误差；二是氯离子在混凝土中的结合理论较多：(1) C3A和C1A的水化产物C3A%结合氯离子形成Friedes盐皿间；(2)吸收沉淀假说；(3)水化硫铝酸钙的硫酸根氯离子结合生成
10、FriedeVs盐网；(4)离子交换假说(；(5)水化产物Ca(OH)2反应形成含有CaCL的络合物。现在对于混凝土中氯离子固化的研究已经非常多，但是还没有形成较为统一的认识，并且硫铝酸盐水泥混凝土的氯离子固化机理是否与普通硅酸盐水泥以致还有待于研究。另外，混凝土固化氯离子的能力对钢筋锈蚀的影响很大，因此对于混凝土固化氯离子机理的研究应重视。在混凝土内掺或者由外界渗透氯离子时，硫铝酸盐水泥会对氯离子有一定的固化能力，会降低混凝土内部的自由氯离子含量。其原因在于硫铝酸盐水泥中含有大量的无水硫铝酸钙,还有一定量的铁相，都会在水化后形成大量的AFm。AFln相会以化学结合的方式对孔隙液中的自由氯离子
11、进行固化，固化后形成的Friedel盐较稳定，大大降低了混凝土中自由氯离子的含量。Yildirimg研究了不同类型的水泥在混凝土氯离子渗透性能方面的差异性，表明了水泥类型对混凝土的抗渗性有不同的影响。并且，认为电通量法测出的氯离子渗透性能是受到两个因素的共同影响：一个是取决于混凝土孔结构，另一个是混凝土孔隙液的离子。另外有研究表明口小&，硫铝酸盐水泥在改善混凝土的氯离子渗透性能方面有明显的效果。硫铝酸盐不仅能够提高混凝土的密实度，降低孔隙率，而且通过化学结合和物理吸附等固化由内掺或者外界引入的大量的自由态氯离子，有效地降低了自由态氯离子的含量。关于内掺型氯离子会降低混凝土抗渗性的影响主要有两个
12、方面：(1)内掺型氯离子会降低混凝土抗渗性肖建庄的等配置混凝土分别采用海砂、淡化海砂、河砂，三种细骨料混凝土对氯离子扩系数的排序：海砂混凝土淡化海砂混凝土河砂混凝土。周俊龙等认为海砂造成普通硅酸盐水泥混凝土内部孔隙多且孔隙率大，对混凝土的抗渗性能非常。(2)内掺型氯离子会提高混凝土抗渗性1.imeira的等用海砂取代部分河砂进行研究，结果表明掺海砂混凝土能够减少连通孔以及表面吸水率系数。黄华县网利用氯化钠溶液浸泡河砂模拟海砂，分别对海砂混凝土氯离子渗透性和胶凝材料对氯离子的固化能力进行研究，发现氯盐的存在，其抗氯离子渗透性却略有提高。王立成认为内掺型氯离子大部分被水化产物吸附以结合氯离子形式存
13、在对混凝土的影响不大。以上的研究都是针对氯离子对混凝土的影响，抗渗性时混您土耐久性的一个重要指标，目前对海砂混凝土抗渗性的意见还存在着明显的分歧。苏幕珍等人间对硫铝酸盐水泥混凝土的耐久性进行了试验研究，试验结果表明：硫铝酸盐水泥混凝土具有很好的耐久性能，3天的抗渗能力接近于硅酸盐水泥混凝土28天的抗渗能力；在7天龄期时，掺有外加剂的SAC高强混凝土的透水深度仅为ICnb这一试验数据说明了SAC的抗渗性能非常好。在相同条件下，硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土在经过三年的腐蚀后，其抗压强度分别下降了10%和70%左右，这些数据充分表明了SAC具有很好的抗硫酸盐侵蚀的能力。齐冬有等的从水化机理方
14、面解释了硫铝酸盐水泥具有很好的抗侵蚀性能的原因。有研究表明氯离子可以从水泥石与骨料见的界面缓慢渗入混凝土内部，也可以从混凝土内部结构中的孔隙网络渗入混凝土内部。硫铝酸盐水泥水化612h就生成了钙矶石，在水泥石网络结构形成后，钙矶石首先填充内部较大孔隙。如果硫铝酸盐水化过程中受到约束，外部约束迫使钙矶石向混凝土中的小孔隙和水泥石与骨料之间的界面填充，一方面减小了混凝土内部孔隙率；另一方面生长在界面之间的钙矶石使界面层变薄并提高了界面间的机械咬合力，从而使混凝土的孔结构和界面结构得到显著改善。硫铝酸盐膨胀性能越高，约束作用越强，对混凝土密实度的改善程度越好。1.2内掺氯离子对钢筋锈蚀影响的研究现状
15、混凝土中钢筋的锈蚀问题在高速公路、跨江海大型桥梁和海港码头等基础设施建设中己引起混凝土科学和工程界专家和政府部门的高度重视。无数事实证明：赶紧修饰引起混凝土结构耐久性的降低，已经成为日益突出的一大灾害。美国在1975年各种锈蚀损失为700亿美元，一种混凝土中钢筋锈蚀损失占40%,到1989年时光有待修补的混凝土桥梁的维修费都要1550亿美元，目前，整个混凝土工程的价值约6万亿美元，而今后每年英语维修或重建的费用预计将高达3000亿美元。英国每年用于修复纲吉混凝土结构的费用达200亿英镑，而日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达400亿日元以上。我国现有建筑物的老化现象也很严重，据统计，我国现
16、有约23亿平方米建筑需分期分批进行鉴定加固，近10立方米急需维修加固才能使用。1989年，建设部科技发展司混凝土结构耐久性综合调查组对北京、西宇、贵阳和杭州的一些建筑物进行了调查，结果表明，建国初期的建筑均已达到必须大修的状态；现有大多数工业建筑不能满足安全、经济使用50年的要求，一般使用2530年即徐大修加固，而钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构耐久性失效的最主要因素。美国早在20世纪90年代初的SHRP项目中就重点研究了钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性及服役寿命的影响。上世纪末至本世纪欧洲的DUraCrete项目和COST项目系统研究了钢筋锈蚀对混凝土结构的影响。迄今为止，钢筋钝化膜破坏的机理尚无定论
17、，现今公认的理论主要由三种：氧化膜理论、吸附理论和瞬时合成理论。通常情况下，氯离子引起钢筋发生局部锈蚀，主要是点蚀，其破坏程度比碳化引起的均匀锈蚀更严重，破坏发生时间也短。海洋环境中氯离子通过扩散、渗透和毛细管吸附等作用进入并透过混凝土保护层，到达钢筋表面，随后与钢筋钝化膜发生一系列化学反应，最终导致钝化膜局部破坏引起钢筋锈蚀。BOHNIH.研究发现氯盐的吸湿性和离子电导也会增加混凝土的湿度，降低混凝土的电阻率，此外，氯离子的侵入还会降低Ca(OH)2溶解度，继而降低孔溶液的PH值，从而间接加速混凝土钢筋锈蚀的发生。PoUrSeee等雨研究证实：钢筋在模拟混凝土孔溶液中至少需要3d才能形成钝化
18、膜，在水泥基材料中至少需要7d才能形成致密的钝化膜。早期研究证实，钢筋的腐蚀速率和混凝土保护层的电阻率成反比，这说明电阻率在钢筋锈蚀的过程中起了非常重要的作用。Page等将氧气作用与氯离子和碳化作用并列作为钢筋钝化膜破坏的三大主因。陈彩艺网研究发现,在混凝土中掺加了三乙醇胺阻锈剂，阻锈剂抵消的电流是在单独生物硫酸作用下不掺加阻锈剂的钢筋腐蚀腐蚀电流的96.7%,所以掺阻锈剂的海砂海水硫铝酸盐水泥混凝土的腐蚀电流和锈蚀率分别比不掺阻锈剂的河砂河水普通硅酸盐水泥混凝土小。叶益龙同样掺加三乙醵胺阻锈剂，硫铝酸盐水泥混凝土钢筋失重率为普通硅酸盐水泥的2倍。周俊龙等的研究不同的三乙醇胺阻锈剂掺量对钢筋缓
19、蚀效果的影响，发现不同的三乙醇胺阻锈剂掺量，钢筋缓蚀效果不一样，阻锈剂所产生的腐蚀电位值与阻锈剂掺量有关。阻锈剂对钢筋保护作用的机理目前尚未有公认的见解，一般可以概括为两种：一是电化学机理另一种是化学机理。其评价方法有一下几种：失重法、电化学噪声法、恒电量法、线性极化法和交流阻抗谱法。采用高效阻锈剂、多种技术措施协同作用是解决海水海砂混凝土这种严酷腐蚀环境中钢筋锈蚀问题的重要技术途径之一。张航研究表明，单组份阻锈剂掺入海砂海水砂浆中，可以有效延缓氯离自对钢筋的破坏作用，提高钢筋钝化膜的稳定性，两种阻锈剂复掺可以产生协同效应，取得比单组份阻锈剂更好的阻锈效果，阻锈剂的阻锈效果随掺量的增加不是线性
20、增加。目前关于内掺海砂海水以及阻锈剂作用下的硫铝酸盐水泥混凝土对钢筋锈蚀研究的文献相对较少，因此这方面的机理还有待于研究。二、论文的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题（包括具体研究与开发的主要内容、目标和要重点解决的关键技术问题）2.1 论文的研究内容、研究目标研究目标：1 .研究掺海砂硫铝酸盐水泥混凝土的C渗透性。2 .环境对硫铝酸盐水泥混凝土中海砂氯离子结合率和钢筋锈蚀的影响规律。3 .研究阻锈剂种类和掺量对钢筋锈蚀的影响程度。4 .对海砂硫铝酸盐水泥混凝土进行微观分析，研究固化氯离子和钢筋锈蚀的机理。研究内容：1.采用河砂浸泡NaCI溶液的方式模拟海砂制作砂浆，消除海砂与河砂颗粒的
21、影响以及粗骨料的影响，利用NEL法测定内掺模拟海砂硫铝酸盐水泥砂浆的Cr渗透性。2 .采用模拟孔隙液,用NaHCQs改变调整孔隙液PH值,添加NaCl改变模拟液中的Cl含量,改变孔隙液的温度、Ca（OH）2含量测定钢筋在模拟液中的腐蚀速率，并得到钢筋在腐蚀时Cl的浓度临界值。3 .采用不同的侵蚀液（不同浓度NaCl溶液）侵蚀混凝土试块，模拟中硫铝酸盐水泥混凝土在外渗及内掺海砂共同作用下对氯离子固化和钢筋锈蚀的影响。4 .在保持混凝土内分别单掺和复掺三乙醇胺、偏高岭土、氨基醇三种阻锈剂，用电化学工作站测定钢筋的腐蚀电流和腐蚀电位，找到阻锈剂的最佳种类和掺量。5 .采用微观分析（SEMEDS）分析
22、海砂颗粒中氯离子在混凝土内部的扩散规律以及孔结构分析仪对混凝土的孔径分布进行分析。2.2拟解决的关键问题1 .采用模拟孔隙液时，消除温度变化孔隙液的对钢筋腐蚀速率的影响。2 .不同种类阻锈剂在单掺和复掺时对硫铝酸盐水泥混凝土钢筋锈蚀的影响规律。3 .外界不同侵蚀液浓度与内掺海砂共同作用对混凝土内氯离子分布及钢筋锈蚀的影响。4 .微观实验的确定及结果的分析。三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究的基本思路，研究过程拟采用的方法和手段，现有研究条件和基础，研究开发方案和技术路线等）1.1 拟采取的研究方案1 .硫铝酸盐水泥混凝土在海砂单一变量作用下对氯离子固化、渗透率及钢筋锈蚀的影响。2 .通
23、过模拟孔隙液，改变其pH值得到混凝土中钢筋锈蚀时氯离子浓度临界值。3 .在混凝土中变化阻锈剂种类及掺量，根据实验结果确定混凝土中效果最好的配方。4 .用阻锈效果最好的配方制备硫铝酸盐水泥混凝土并将其与普通硅酸盐水泥内氯离子固化及钢筋锈蚀程度相比较。5 .通过微观实验研究海砂氯离子在混凝土内部的分布及海砂混凝土的水化产物以及阻锈剂对水化产物的影响具体。6 .于孔隙液中加入阻锈剂，对比阻锈剂对钢筋锈蚀时氯离子浓度阈值的影响。7 .变化混凝土水灰比，得到水灰比对钢筋锈蚀的影响结果。技术路线图如图1：砂的种类环境宏观力学性能Cr掺入方 式“水化产物 水泥水化YI微观结构J外界环境影响脖今(R阙油型添贤
24、一:) 1IZKS君洪，苣瀚送舞 ZK若ZMZ飞菩耳昼。种类及 掺量图1技术路线图3.2可行性分析(1)已经熟练掌握正交试验方法并能对试验结果进行正确分析；(2)试验所用仪器：电化学工作站、氯离子含量快速检测仪、电磁振动台、烘箱以及必要的化学药品和材料课题组内均已基本购买完毕。(3)在预实验中已经做过阻锈剂单掺对硫铝酸盐水泥混凝土钢筋锈蚀的影响，并且已经做了一部分掺海砂硫铝酸盐水泥混凝土，养护后即可在NaCl溶液中浸泡。四、本课题的特色与创新之处(1)在不同外界环境和内部环境作用下，对内掺海砂硫铝酸盐水泥混凝土对氯离子的固化及钢筋锈蚀的影响。(2)考虑了内掺海砂硫铝酸盐水泥混凝土在不同阻锈剂种
25、类和掺量以及单掺复掺条件下对钢筋锈蚀的影响。五、参考文献页面、页数不足请自行加页1郑捷，卞成辉.日本开发利用混凝土细骨料的现状综述J.2014,(3):27-29.2中国砂石协会.砂石工业“十二五”发展规划J.砂石，2012(3)：12-13.3洪定海.沿海地区钢筋混凝土用海砂问题及对策J.混凝土，2003(2)：17&63.4马红岩，海砂对水泥基材料水化行为及护筋性能的影响研究D.深圳大学，2008.5傅建彬.海砂建筑材料资源化几个关键技术的研究D.武汉大学，2005.6W.Gutt,R.J.Collins.SeadredgedaggregatesinConcreteJnformationP
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