1. 研究目的与意义
| 1.1课题的研究背景及意义 随着经济建设的蓬勃发展，房地产市场的发展，建筑规模不断扩大，在河砂日益紧缺的矛盾无法根本解决的前提下，对海砂的需求量将会进一步增加。将海砂应用到混凝土中，一方面为目前日益紧缺的河砂资源提供替代品，可以拓宽混凝土细骨料使用品种的范围；另一方面将海砂掺入到混凝土中，也会给混凝土带来一系列的问题，会影响到混凝土的部分性能，尤其是海砂中的氯离子会造成钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀问题，从而影响结构使用。 海砂作为建筑用砂具有“双刃剑”的性质：有利的一面—用海砂取代或部分取代河砂，可以很好地缓解河砂的短缺现象；不利的一面—海砂含有的氯离子对混凝土有破坏作用，从而降低建筑物的耐久性及安全性。如果使用的海砂在使用前经过严格的“除氯处理”，使其达到合格标准后，再利用于建筑工程中将是一件利国利民、“变废为宝”的民生大事。因此，对海砂利用问题进行深入研究，从技术对海砂的利用进行规范，具有一定的理论意义和现实意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外的研究现状 日本建筑学会材料施工标准委员会第二分会于1954年以后就混凝土中氯化物与钢筋锈蚀的关系问题进行了钢筋在含氯化物的饱和氢氧化钙溶液中的诱蚀试验以及钢筋在含氯化物的混凝土中的长期观察等两项电化学研究、以海滨砂为主要对象的含盐 量实况调查、除盐方法的研究、防锈剂的研究等。 根据钢筋在含氯化物的饱和氢氧化钙溶液中的锈蚀实验的结果，求出允许的氯化物浓度。依据这个结果，用计算的方法求出海砂允许含盐量为0.01~0.02%，用电化学的方法由精密地进行实验的若于例子中求出海砂允许含盐量为0.03~0.04%。又根据钢筋在含氯化物混凝土中锈蚀的长期观察试验及其他研究成果，加上足够的安全系数，在1957年修改的JASS一5中规定了海砂允许含盐量以NaCl换算为砂干恒重的0.01%。 海产骨料中的贝壳里面，空心及偏平的贝壳有损混凝土的和易性，对混凝土的强度、耐久性、水密性等带来不良的影响，因此必须清除。但是被轧碎而含在砂中的贝壳粒子即使含量达砂重量的30%，一般来说，不致造成不良的影响。 在英国的规格协会制订的《混凝土建筑物设计施工规范(BS一CPl10)》中规定：对于一般的钢筋混凝土来说，海砂中的氯化物的量用CaCl2：换算为水泥量的1.0%以下；对于预应力钢筋混凝土来说则为水泥量的0.10%以下多在使用氯化钙的场合下以CaC12换算氯化物合计为水泥量的1.5%以下。 英国海产骨料的规格：以NaCl计应在海砂干恒重的0.1%以下，用海砂砾则在0.03%以下，另外，氯化物总量不得超过水泥量的0.32%。法国没有对海产骨料作出规定，但对氯化钙的使用作了规定：当保护层为4厘米以上，应在水泥量的1.5%以下，当保护层为2厘米以上则应在0.75%以下。这样即使在了解到由子氯化物而损坏钢筋混凝土的国家，也是以相当高的值规定了允许含盐量。即使是最严格的规定，允许含盐量以CaCl2或NaCl计算为水泥重的0.3%，砂干恒重的0.1%。 1.2.2国内的研究现状 深圳大学的邢峰、董必钦和霍元等人在海砂的机理方面进行了大量的研究。他们先对海砂中氯离子与水泥胶体的结合方式进行了研究，研究结合扫描电镜观察和元素扫描结果，对氯离子在砂子周围的迁移和结合规律进行了描述，结果表明：水泥稳定后与氯离子的结合率在60%左右，海砂型与内掺型氯离子结合、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。在此基础上邢锋等人又研究了海砂混凝土中氯离子结合特性，定义了海砂型内掺氯离子与普通型内掺氯离子，研究了二者在混凝土中的结合规律。并且结合SEM-EDS等微观手段研究了海砂型氯离子在混凝土中的扩散特征，讨论了其传输机理，发现海砂型与氯离子掺入型的混凝土在氯离子结合、传输方式上各不相同，前者存在一个从砂子表面向混凝土内部扩散的过程。并在此基础上提出海砂型氯盐侵蚀的概念。 暨南大学的黄华县模拟海砂混凝土氯离子渗透性试验进行了研究。通过将河砂浸泡在氯化钠溶液中来模拟海砂，制成混凝土砂浆，测定其抗折强度、抗压强度和氯离子扩散系数，得出试验结论：经过氯化钠溶液浸泡的砂子制成的砂浆3、28、90d强度略有降低；抗渗性能基本上都有不同程度的提高。 国内部分学者对海砂资源及资源化过程中应注意点问题进行了探索：王圣洁，刘锡清等人对中国大陆的海砂资源分布及找矿方向进行了研究和分析，对中国的海砂存储总量进行了估算，中国近海的海砂资源总量约为67.96×1010~68.49×1010m3。并且根据我国海砂资源的赋存特点和海砂开采对环境的影响，确定了近岸浅海海砂应是今后寻找和开采的主要目标；汪卫国、赖志坤等人主要针对厦门东南海域的海砂资源与开采可行性进行了分析；郑荣跃，袁丽莉等人调查了宁波地区的建设领域使用海砂的现状，分析了大量使用海砂的原因，指出了滥用海砂的危害，提出了处理办法和管理措施。李学文对建筑用淡化海砂的生产和应用进行了研究并提出了建议：有关部门应尽快制定淡化海砂的相关政策和规程，规范淡化海砂的生产和应用。针对海砂使用过程中的各种隐患，加强监管力度，防患于未然。许纪华，赵仕树等人针对目前随着建设规模的扩张，沿海一些城市河砂资源日渐匾乏，部分城市已开始大规模使用海砂的情况，通过对沿海地区海砂的采掘技术、淡化工艺、淡化技术等的论述，指出了加强海砂淡化质量的控制对于海砂在建筑工程应用中的重要性。 在海砂混凝土的研究方面，近年来国内的研究主要集中在海砂高性能混凝土及海砂混凝土的耐久性方面：如史美鹏、卢福海分析了淡化海砂在普通混凝土和高性能混凝土中的研究现状，通过工程实例介绍，得出淡化海砂在高性能混凝土中的适用性结论，认为淡化海砂能满足高性能混凝土对原材料的要求；蒋真，赵铁军等人针对海砂混凝土的碳化性能进行了专门研究：在碳化性能方面，淡化海砂混凝土、海砂混凝土与河砂混凝土的耐久性无明显差异；在海砂对混凝土中钢筋的腐蚀方面，也有许多学者作了大量研究，取得了海砂及淡化海砂对钢筋腐蚀的大量数据。在海砂对混凝土结构耐久性的影响方面，国内学者也进行了大量的研究，张璐、施养杭等人通过对钢筋的锈蚀机理分析，揭示海砂对混凝土结构耐久性的影响。根据现行规范对混凝土结构耐久性设计的要求，指出混凝土所用海砂的氯盐限量；并针对海砂对混凝土结构耐久性的影响提出防治措施；赵文成、潭进财、杨景鼎等人研究了海砂及河砂混凝土在抗压强度、弹性模量、混凝土中钢筋锈蚀情况、混凝土中氯离子含量、混凝土碳化等性能进行了测试和对比，并且对海砂用于混凝土结构物时的材料选择、配合比设计和施工搅拌工艺等都提出了参考建议；吴桂芹阐述了海砂用于抹面砂浆对建筑工程质量及其耐久性的影响，并通过实例验证了海砂的危害性。通过以上学者们对海砂混凝土的耐久性试验研究，为海砂在混凝土中的应用及推广奠定了基础。此外，黄华县还对钢筋阻锈剂的阻锈机理进行了分析：钢筋阻锈剂的作用机理在于使钢筋表面形成完整致密的钝化膜，当钝化膜受到局部破坏时（如氯离子等侵蚀钝化膜），阻锈剂可使钝化膜及时、自动修复，从而有效地阻止有害离子对钢筋的侵蚀。即使是在钢筋表面已经形成腐蚀微电池的情况下，阻锈剂也能降低阴阳极效率，提高极间阻抗，使钢筋锈蚀的速度大幅度降低。 以上是现在对海砂混凝土机理研究，海砂资源化利用研究，海砂高性能混凝土和海砂混凝土的耐久性研究的现状。 1.3研究的目的及意义 随着我国建筑业的大力发展，建筑用砂日益短缺，尤其是我国大陆沿海出现了河砂短缺现象，过度的开采河砂已给各地造成严重的生态破坏和环境污染。合理地使用海砂资源可以有效解决建筑用砂日益短缺的问题。海砂中的氯离子虽然会对混凝土的耐久性产生危害，但是只要使用合理的方法对海砂进行处理，就可以减小甚至消除这种危害。沿海各地区可以根据自身情况和特点，选择合理的海砂处理方式：淡化和掺加阻锈剂等方法，在保证海砂质量的前提下，将海砂大量应用于建筑工程中，缓解建筑用砂短缺的压力。
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2. 研究内容和预期目标
本课题的主要研究对象是海砂混凝土，研究钢筋在海砂混凝土中的锈蚀情况，设计合理的混凝土配合比成型混凝土试件以模拟实际环境，主要研究内容如下：
（1）对原材料的基本物性进行分析，包括骨料表观密度、堆积密度、含泥量等物理性能，以及筛分等技术性能，水泥物理力学性能等
（2）设计混凝土体系，11种。
3. 研究的方法与步骤
3.1原材料基本物性分析
（1）河砂，石物理性能及筛分技术性能检测按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006中的标准方法检测。
（2）海砂，淡化海砂物理性能及筛分技术性能检测按照《海砂混凝土应用技术规范》JGJ206-2010规定得用于混凝土的海砂的质量标准检测。
（3）水泥的物理力学性能按照《GB175-2007通用硅酸盐水泥标准》测定
3.2设计混凝土体系。
表1组成
| P·O42.5水泥 | 自来水 | 河砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 自来水 | 海砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 自来水 | 淡化海砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 海水 | 海砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 海水 | 淡化海砂 | 石子 |
| 矿渣 | 自来水，n=2 | 海砂 | 石子 |
| 矿渣 | 自来水，n=2 | 淡化海砂 | 石子 |
| 矿渣 | 自来水，n=1.5 | 海砂 | 石子 |
| 矿渣 | 自来水，n=1.5 | 淡化海砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 自来水,Na2CO3 | 海砂 | 石子 |
| P·O42.5水泥 | 自来水,Na2CO3 | 淡化海砂 | 石子 |
表2各组分用量Kg/m3
| 胶凝材料 | 水 | 砂 | 石 |
| 357 | 180 | 743 | 1070 |
表3其他掺量Kg/m3
| 模数 | 水玻璃 | NaOH |
| n=2 | 167.8 | 12.33 |
| n=1.5 | 125.0 | 16.04 |
3.3.按照设计好的成型混凝土试件同时埋入露头2cm的钢筋，每个埋入2根，一个正中，一个居一角2cm处。进而养护14天后取出浸泡盐水5天后开始做通电腐蚀试验45天。每种方案成型3组，用作两种钢筋的插入，剩余的一组留作28天强度测试。
腐蚀试验设计：在320*240*110（mm）规格下的周转箱内放入300*200（mm）的镀锌板，每块镀锌板角落打好一个4.2mm的洞穿铜线，串联10个周转箱，将每组6块试件放入的周转箱内，倒入盐水，用铜线串联所有钢筋头，最后链接底部和钢筋露头的线路形成回路。
3.4.腐蚀实验结束后取出钢筋，观察钢筋的宏观表面形貌，同时计算其失重情况
3.5.运用AFM从纳米尺度上考察分析钢筋钝化膜的结构情况
钢筋钝化膜的取法：先取一根钢筋，用刀片刮表面，将刮下的物质制成样品分析，如果分析出预计的钝化膜组成，则后面的试验均以此方式，如果没有得到预计的结果，则再对钢筋进行切片处理，然后制成样品分析。
3.6.运用XPS方法等从材料表面层次上分析各种条件下钢筋钝化膜的组成与结构，以及Cl-/OH-对钢筋钝化膜及其锈蚀的影响。
3.7.运用现代表面电化学方法探讨各体系的钢筋钝化膜的电子性质和膜的组成结构等。
电化学方法：1.半电池电位法，直接用半电池电位检测仪。测量方法：将待测钢筋连接电位计一端，另一端连接探头，在混凝土表面移动，观测不同区域的电池电动势的变化，产生的电池电动势大小与混凝土电阻，阴阳极极化电阻及表面电位分布有关，在混凝土表面可以测出电位分布，从而可以给出等电位线，确定等电位区，其醉=最负处为腐蚀区。优点：找出腐蚀区，评价腐蚀程度，预测结构寿命。缺点：不能得到腐蚀速度，湿度小时结果不准确
2.线性极化法：主要基于Stern-Geray公式，当外界对混凝土内的钢筋施加一微小电压，钢筋平衡电位就会发生偏移，极化引起的过电位与极化电流在微极化区呈线性关系。优点：可以测腐蚀速度缺点：环境对测量的影响较大
我准备结合这两种电化学方法，因为可以优缺点互补，对钢筋锈蚀的速度，腐蚀程度，腐蚀区域，试件寿命做出全面的分析。
4. 参考文献
[1]李伟峰,管娟,马素花,沈晓冬.海砂、珊瑚礁在海拌海养混凝土生产中的应用[j].混凝土,2016(05):148-152.
[2]黄祖匡.硫铝酸盐水泥海砂混凝土中钢筋的锈蚀机理分析[j].福建建设科技,2016(04):34-37.
[3]卞立波,宋少民,李飞.海砂混凝土耐久性能研究[j].混凝土与水泥制品,2012(02):11-14.
5. 计划与进度安排
第一阶段（第1-4周）：3月5日-4月1日
收集课题相关文献资料，撰写文献综述；
拟定研究方案，准备各种原材料和实验试剂；
