为评价磁铁尾矿砂在水泥碱性环境中的化学稳定性,研究了磁铁尾矿砂对饱和Ca(OH)2溶液pH值、砂浆棒膨胀率及钢筋锈蚀率的影响。结果表明,粒径为2.500和1.250 mm的磁铁尾矿砂在早期时对饱和Ca(OH)2溶液pH值降低作用较为明显,随龄期延长,粒径小于1.250 mm的磁铁尾矿砂对溶液pH值的降低作用变得愈加显著。不同粒径的磁铁尾矿砂取代部分天然砂时,引起的砂浆棒膨胀情况有所不同,其中粒径为0.630和0.315 mm的磁铁尾矿砂对砂浆棒体积变形的影响更为显著,而且在较长龄期后,含有0.630 mm磁铁尾矿砂的砂浆棒膨胀率最大。在Ca(OH)2和NaCl混合溶液中,磁铁尾矿砂较钢筋更易发生反应,可减缓钢筋锈蚀。

以氯离子为诱导的钢筋锈蚀是造成混凝土耐久性问题的主要原因, 其本质是氯离子通过材料基体的多孔结构在水泥基材料中扩散, 并逐步迁移到钢筋表面, 发生不利的物理化学反应。水滑石即层状双金属氢氧化物(LDHs)是一种新型延缓钢筋锈蚀的外掺材料, 具有独特的层状结构和离子交换性质, 可在特定的介质溶液中将客体阴离子与层间阳离子进行交换, 达到吸附氯离子、延长混凝土结构服役寿命的目的。本文介绍了水滑石的结构性质、制备方法及氯离子吸附机理, 总结了不同类型水滑石的氯离子吸附能力及相关研究成果。研究结果表明: 水滑石复合水泥基材料的氯离子吸附性能受LDHs材料制备工艺、水泥基材料中孔隙液pH值及氯离子浓度影响, 高温焙烧处理的水滑石对氯离子吸附效果更好; 当LDHs掺量控制在1%~3%(质量分数)时, 有利于改善水泥基材料的抗氯离子渗透性能。

氯离子引发的钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的重要因素之一, 化学固结法是从根本上解决氯离子对钢筋混凝土结构侵蚀作用的主要方法。通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜和化学分析对不同环境下碳铝酸钙的稳定性进行研究。结果表明, 碳铝酸钙呈六方片状, 在低于120 ℃时具有良好的热稳定性, 在氯盐和硫酸盐溶液中很不稳定, 碳铝酸钙中的CO2-3容易被Cl-和SO2-4取代生成Friedel’s盐和钙矾石。碳铝酸钙在酸性环境中不稳定, 会与酸发生化学反应, 在pH≥11的碱性环境中可以稳定存在。

在钢筋混凝土结构服役过程中, 由环境侵蚀因素导致的耐久性问题是制约结构长效服役的重要原因, 其中, 氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土耐久性劣化的主要因素之一。在混凝土内掺加防腐添加剂, 可从促进钢筋表面成膜和改善混凝土自身性能(孔隙结构、水化过程、Friedel’s盐生成)等方面提升阻锈能力, 近年来逐渐成为研究热点。本文将防腐添加剂分为传统阻锈剂、绿色植物提取物阻锈剂、纳米材料以及矿物掺合料等四类, 从材料开发、作用机制、阻锈影响因素等方面对防腐添加剂的研究进行了综述。最后, 探讨了防腐添加剂研究中存在的问题, 并对未来的研究提出了建议, 以期为防腐添加剂能够更好地防治混凝土中的钢筋锈蚀问题提供参考。

目前，学者们围绕氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀及混凝土保护层开裂开展了大量研究，但主要针对整体浇筑钢筋混凝土结构，对新老混凝土结构的耐久性研究较少。通过设计制作8块水灰比分别为0.60与0.53的整体浇筑与二次浇筑混凝土试件，采用半浸泡通电加速锈蚀试验，研究二次浇筑试件在钢筋理论锈蚀率分别为4%、6%、8%时的混凝土表面锈胀裂缝发展规律以及锈后钢筋的力学性能变化，并与整体浇筑试件进行对比。结果表明：整体浇筑混凝土试件只产生纵向顺筋裂缝；二次浇筑混凝土试件先产生界面横向裂缝，后产生顺筋纵向裂缝。整体浇筑试件中钢筋为均匀锈蚀，二次浇筑试件钢筋为非均匀锈蚀，且界面处钢筋锈蚀最严重。由于新老混凝土结合面处钢筋截面损失严重，二次浇筑试件相比整体浇筑试件，钢筋力学性能明显下降。混凝土强度对整体浇筑试件内钢筋力学性能的影响可以忽略，但对二次浇筑试件的影响较大。

采用中心拉拔法对普通混凝土(PC)、水泥基渗透结晶防水混凝土(CCCW)、聚丙烯纤维混凝土(PFRC)与热轧带肋钢筋进行粘结-滑移试验。通过电化学锈蚀方法对钢筋进行加速锈蚀, 研究锈蚀后钢筋与混凝土粘结性能。结果表明: 在混凝土中引入适量聚丙烯纤维及水泥基渗透结晶防水材料能够显著提升其对钢筋的极限粘结强度, 分别提高了20.8%、6.8%; 无论是否添加掺合料, 钢筋-混凝土拉拔试件的极限粘结力均随着锈蚀率的增大呈线性下降趋势。基于锈蚀构件拉拔试验结果, 拟合出不同混凝土的极限粘结强度与锈蚀率计算公式, 发现随着锈蚀率的增大, 聚丙烯纤维及水泥基渗透结晶防水材料能减缓钢筋-混凝土极限粘结强度下降速度。

为探明氧浓度对海水海砂砂浆中钢筋锈蚀的影响, 采用丝束电极技术, 研究不同氧浓度(5%、21%、85%, 体积分数)和水胶比(0.48、0.18)的海水海砂砂浆中电极表面腐蚀电位分布与电化学阻抗谱的时变规律。结果表明, 丝束电极的极化电阻随腐蚀龄期的增加而降低, 腐蚀电流密度随腐蚀龄期的增加而增加, 且水胶比越大、氧浓度越高, 两者的变化幅度越大。根据测试结果可判断, 钢筋腐蚀的概率随氧浓度的增加而增大: 较低的氧浓度(5%)可大大延缓钢筋由氯离子引发的脱钝行为, 从而有效抑制钢筋腐蚀; 而在高氧环境下, 砂浆中钢筋的锈蚀是一个由局部到全面逐步氧化的非均匀锈蚀过程。减小水胶比可有效提高海水海砂水泥基体系中钢筋的耐腐蚀能力。

为了延长混凝土的使用寿命, 发展了一种2,6-二［N-(羧乙基羰基)氨基］吡啶(DAP)超分子水凝胶驱动自修复水泥基材料和诱导羟基磷灰石自修复技术。DAP超分子水凝胶通过负载NH4H2PO4, 在碱性条件下实现修复剂的智能化响应释放。将负载修复剂的DAP超分子水凝胶和中空玻璃管复合制备自修复构件, 并开展了裂缝修复和护筋性能试验。结果表明: 经过28 d的修复, 0.592 mm宽的裂缝表面被修复, 修复产物为羟基磷灰石; 加入修复构件后, 能够减缓钢筋锈蚀。在裂缝处, 自修复成分释放后生成的修复产物使得裂缝的底部被填堵, 阻隔了有害离子和气体的入侵通道。

在研究长周期光纤光栅（LPFG）谐振透射光谱对横向负载变化的敏感特性的基础上，提出了将锈蚀过程中钢筋体积膨胀状态与LPFG光谱特性相结合的传感理论，设计了一种基于LPFG横向负载测量的钢筋锈蚀监测传感器。利用LPFG透射光谱检测技术，对钢筋锈蚀过程中不同锈蚀状态所对应的LPFG透射光谱曲线族进行分析，得到LPFG透射光谱随钢筋锈蚀量的变化关系，进而获得LPFG谐振峰幅值变化量与钢筋锈蚀程度之间的对应关系。该方法通过对钢筋锈蚀状态进行直接监测，可实现对钢筋结构的全体积精确监测。

研究了长周期光纤光栅（LPFG）谐振透射光谱对外界环境折射率变化的敏感特性，在此基础上提出了将混凝土内部钢筋周围环境折射率与LPFG光谱特性相结合的理论，设计了一种基于折射率测量的LPFG钢筋锈蚀监测传感器。采用LPFG透射光谱检测技术，获取钢筋锈蚀过程中混凝土内部不同折射率环境所对应的LPFG透射光谱曲线族，进而得到LPFG谐振峰波长与混凝土内部钢筋锈蚀程度之间的对应关系，其谐振峰波长随钢筋锈蚀量的增加而先向短波后向长波方向偏移。该方法对混凝土内部钢筋锈蚀状态进行直接监测，测量及传导光路实现全光纤化，无需化学试剂标记，可实现对钢筋锈蚀过程的在线、精确及远距离遥测。