新型人工鱼礁混凝土的力学性能及耐久性研究.docx

新型人工鱼礁混凝土的力学性能及耐久性研究新型人工鱼礁混凝土的力学性能及耐久性研究中文摘要普通混凝土人工鱼礁经历了一个大规模的建设时期，推动了海洋经济的发展，带来良好的经济效益、社会效益和生态效益。然而，普通人工鱼礁混凝土在海洋环境中受到海水的长期侵蚀后性能严重劣化，影响人工鱼礁的综合效益。采用硫铝酸盐水泥、海砂、海水等材料制备的新型人工鱼礁混凝土具有取材方便等优点。采用氯离子渗透性试验和吸水率试验研究各个参数（包括水泥、砂、拌合用水和养护条件）对新型人工鱼礁混凝土渗透性的影响，利用钢筋极化电位和失重率等试验方法研究阻锈剂的护筋作用以及不同水泥对钢筋锈蚀的影响；结合ESEM,孔结构和XRD等试验方法对混凝土微观结构和腐蚀产物进行测试和分析,研究各个参数对混凝土性能的影响。研究结果表明：1、在标准养护下，采用硫铝酸盐水泥时海水海砂混凝土的骨料与水泥石界面得到明显改善，裂缝减少，孔结构优化；与普通混凝土相比，其抗压强度和劈拉强度分别增加了15.0%和11.9%,抗渗性也得到提高；而采用混合水泥（硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥按1:1混合）会导致海水海砂混凝土内部的裂缝明显增多，骨料与水泥石界面变差，孔结构明显劣化，导致抗压强度、劈拉强度和抗渗性降低。2、与普通混凝土相比，新型人工鱼礁混凝土表面PH值降低了约20%；在浸泡海水30d后该混凝土表面PH值约为8.5o3、养护条件对新型人工鱼礁混凝土性能的影响较小。与标准养护的混凝土相比，淡水养护和海水养护的混凝土抗压强度分别下降了5.1%和4.4%,其抗渗性也都略有降低。4、在总氯离子含量相同的情况下，采用硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥以及混合水泥的海水海砂混凝土中氯离子固化率均随养护龄期的增加而提高。在养护龄期为28d时，海水海砂混凝土采用三种水泥时的氯离子固化率分别为64.6%、45.1%和30.2%o5、阻锈剂能够显著降低新型人工鱼礁混凝土中的钢筋失重率。与未掺阻锈剂的普通混凝土钢筋失重率相比，新型人工鱼礁混凝土在未掺阻锈剂时的钢筋失重率是它的50倍，在阻锈剂掺量为2%3%时的钢筋失重率降低至它的2倍左右。关键词：人工鱼礁混凝土，硫铝酸盐水泥，海水，海砂，力学性能，抗渗性，钢筋锈蚀，阻锈剂ResearchonmechanicalpropertyanddurabilityofnewartificialreefconcreteAbstractWiththelarge-scaleconstructing,ordinaryconcreteartificialreefshavepromotedthedevelopmentofmarineeconomyandboughtgoodeconomic,socialandecologicalbenefits.However,afterlong-termerosioninthemarineenvironment,theperformancedeteriorationofordinaryartificialreefconcretehasseriouslydecreasedthecomprehensivebenefitsofartificialreefs.Sulphoalummatecement,seasand,seawaterandothermaterialswereproposedtoprepareanewartificialreefconcrete(NARC),becauseofsomeadvantages,forexample,theprimarymaterialscanbeobtainedeasily.Chlorideionpermeabilitytestandwaterabsorptiontestwereusedtostudytheinfluenceofvariousparameters(includingcement,sand,mixingwaterandcuringcondition)onthepermeabilityofNARC.Masslossofsteelbarandlinearpolarizationmeasurementtestswereusedtostudythesteelbarnursingfunctionofrustinhibitorandeffectsofdifferentcementtypesonsteelbarcorrosion.BycombinationofmeasurementssuchasESEM,XRDandporestructure,themicrostructureandcorrosionproductsofconcreteweretestedtostudytheimpactofeachparameterontheperformanceofconcrete.Theresultsshowthat:1. Understandardcuringcondition,whenseawater-seasandconcrete(SSC)usessulphoaluminatecement,itsinterfacialtransitionzone(ITZ)betweenaggregateandhardenedcementpastesignificantlyimproves(lesscrack),anditsporestructureofhardenedcementpasteisoptimized.Comparedwithordinaryconcrete,thecompressivestrengthandsplittingtensilestrengthofSSCwithSulphoaluminatecementincreaseby15.0%and11.9%,respectively;itsimpermeabilityisalsoimproved.Whenmixedcement(sulphoaluminatecementandPortlandcementwasmixed1:1byweight)areusedinSSC,thenumberofinternalcracksincreasessignificantly,anditsITZandporestructuredeterioratesobviously,whichresultinthelowercompressivestrength,splittingtensilestrengthandpoorerimpermeability.2. Comparedwithordinaryconcrete,NARCcansignificantlydecreasepHvalueofitssurfacebyabout20%.Afterimmersedinseawaterfor30d,thepHvalueofNARCsurfaceisabout8.5.3. CuringconditionshasalittleaffectontheperformanceofNARC.Comparedwithstandardcuring,freshwatercuringandseawatercuringdecreasethecompressivestrengthofNARCby5.1%and4.4%,respectively.Anditsimpermeabilityalsodecreasesslightly.4. Keepingthetotalcontentofchlorideionconstant,withtheincreaseofcuringage,thechloridebindingrateofSSCwithsulphoaluminatecement,Portlandcementormixedcementincreases.Atcuringageof28d,thechloridebindingratesofSSCusingthethreetypesofcementare64.6%,45.1%and30.2%,respectively.5. RustinhibitorcansignificantlyreducesteelbarweightlossofNARC.ThesteelbarweightlossofNARCwithoutrustinhibitorisfiftytimesthatofordinaryconcretewithoutrustinhibitor.ThesteelbarweightlossofNARCmixedwiht2%3%rustinhibitorisabouttwotimesthatofordinaryconcretewithoutrustinhibitor.Keyword:artificialreefconcrete,sulphoaluminatecement,seasand,seawater,mechanicalproperty,impermeability,steelbarcorrosion,rustinhibitor目录中文摘要IABSTRACTII目录IV第一章绪论11.1 引言11.2 人工鱼礁材料的发展应用与研究现状21.3 混凝土人工鱼礁在海洋环境中的腐蚀机制51.4 硫铝酸盐水泥混凝土的性能研究61.4.1 硫铝酸盐水泥混凝土的力学性能及耐久性61.4.2 硫铝酸盐水泥与海洋生物的相容性81.5 海砂、海水对混凝土耐久性的影响81.6 本文研究的意义及创新点91.7 本文研究的主要内容及技术路线10第二章试验材料基本性能及人工鱼礁混凝土配合比132.1 引言132.2 试验材料基本性能132.2.1 水泥132.2.2 拌合用水132.2.3 粗骨料142.2.4 细骨料152.2.5 外加剂162.3 人工鱼礁混凝土试验配合比17第三章人工鱼礁混凝土的力学性能及表面PH值变化规律研究183.1 引言183.2 人工鱼礁混凝土工作性183.2.1 试验方法183.2.2 试验结果193.2.3 试验结果分析203.2.4 硫铝酸盐水泥专用缓凝剂的缓凝机理213.3 人工鱼礁混凝土力学性能试验213.3.1 试验方法213.3.2 试验结果213.3.3 人工鱼礁混凝土力学性能的因素分析233.4 人工鱼礁混凝土表面PH值变化规律研究273.4.1 试验方法273.4.2 试验结果及分析283.5 本章小结29第四章人工鱼礁混凝土渗透性能试验研究304.1 引言304.2 混凝土渗透性试验方案设计304.2.1 混凝土氯离子渗透性试验方法304.2.2 混凝土表面吸水率试验方法与吸水动力学基本原理314.3 混凝土氯离子渗透性的试验分析324.3.1 试验结果324.3.2 各因素对电通量的影响334.4 混凝土表面吸水率的试验分析354.4.1 试验结果354.4.2 各因素对表面吸水率的影响374.5 本章小结39第五章人工鱼礁混凝土钢筋锈蚀试验研究405.1 引言405.2 混凝土试验方案415.2.1 氯离子测试方法415.2.2 钢筋极化电位和锈蚀试验方法425.3 试验结果与分析445.3.1 内掺型氯离子的固化率随养护龄期的发展规律445.3.2 阻锈剂对钢筋极化电位的影响455.3.3 阻锈剂对钢筋失重率的影响485.4 钢筋锈蚀与阻锈剂的阻锈机理505.5 本章小结50第六章人工鱼礁混凝土微观试验526.1 引言526.2 测试方法526.3ESEM分析566.4孔结构分析646.4.1 孔结构试验结果646.4.2 孔结构因素分析676.5XRD分析686.6本章小结787.1 引言797.2 混凝土力学性能及抗渗性的机理分析797.2.1 海水海砂的影响797.2.2 水泥类型的影响807.2.3 养护条件的影响817.3 氯离子固化率对钢筋锈蚀的影响817.4 阻锈剂对钢筋锈蚀的影响837.5 本章小结83结论与展望84结论84展望85参考文献86致谢错误!未定义书签。个人简历错误!未定义书签。第一章绪论1.1 引言从20世纪末期开始，随着世界各国的经济社会发展日益严重依赖于海洋，人们越来越重视海洋在国家发展的特殊地位，不断地加强对海洋的资源开发和利用，竞相谋求从海洋中获取资源来发展本国的国民经济。在21世纪初期，我国也加强了对海洋经济发展的重视，提出海洋发展战略，积极倡导沿海省市发展海洋经济。因此，近年来沿海各省市以开展旅游和渔业为项目，积极在附近相关海域建设人工鱼礁发展海洋经济。然而近年来在海洋经济不断快速发展的同时，由于人们对海洋资源缺乏应有的保护意识，过度地开采和掠夺海洋生物资源，导致了沿岸海域的海洋生态环境的严重破坏和海洋生物多样性的严重失衡，渔业资源也出现了衰退的现象，制约着海洋经济的进一步发展。为了解决海洋经济发展的这一关键问题，遏制渔业资源不断恶化的衰退趋势，世界沿海国家如火如荼地发展以恢复海洋生态环境和保护渔业资源为目的、以海洋牧场为项目的人工鱼礁建设S。人工鱼礁的概念有着悠久的历史。在海洋中，无论是人工的构筑物或是自然的礁石，都有一种吸引和集中鱼群的潜在能力，可以作为一个潜在的增强渔业资源的工具或者手段。人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是改善海域生态环境,营造海洋生物栖息的良好环境，为鱼类等提供繁殖、生长和避敌的场所，达到保护、增殖和提高渔获量的目的。因此，它是各沿海国家为保护沿海海域的生态环境和海洋生物资源所采取的最重要、最有效的措施之一。目前国内外许多国家业已进行了长期的探索、研究和建设，并广泛开展人工鱼礁建设，进行近海海洋生物栖息地和渔场的修复，而且取得了良好的经济效益、社会效益和生态效益”。在沿岸海区投放人工鱼礁的这些国家中，有亚洲的中国、新加坡、韩国、日本、等，欧洲的法国、德国、英国、意大利等，以及美洲的加拿大、美国等。现今，这些渔业高度发达的沿海国家以及大多数的沿海国家和地区正在进行从掠夺海洋渔业资源到合理利用海洋资源、保护海洋生态环境和生物多样性的观念转变，开始利用现代的科学技术对现代的高效型人工鱼礁积极地展开深入的研究和探索，进行大量的相关试验性实践。在这些国家和地区当中，日本是渔业经济非常发达的国家之一，也是其中最早进行人工鱼礁研究、开发和利用的国家，对人工鱼礁的投入资金最多，研究也是最为深入，处于世界领先地位S。日本的人工鱼礁建设大体经历了三个主要发展阶段，分别为普通型鱼礁建设阶段、大型鱼礁建设阶段和人工礁渔场建设阶段。截至目前，在日本适宜建造人工鱼礁的沿岸海域内，遍布着7000多处人工鱼礁渔场，按平均计算面积来算，几乎每平方公里海区就有150立方米人工鱼礁。这些由人工鱼礁形成的渔场，既改善了附近海区的生态环境，也推动了渔业经济的快速良性地发展。人工鱼礁建设，特别是在日本的成功，使之成为澳洲、新加坡、加勒比海地区、太平洋岛国、欧洲等世界海洋国家研究的焦点。人工鱼礁建设也正成为21世纪各国发展海洋经济的重要手段和有效途径。1.2 人工鱼礁材料的发展应用与研究现状目前，国内外对人工鱼礁的研究内容较为广泛，其中包括了人工鱼礁所使用的材料以及不同材料人工鱼礁的集鱼效果等方面的内容。在人工鱼礁中使用的材料种类非常多，主要有天然材料、废弃物材料、钢筋混凝土等。天然材料包括木竹、贝壳、岩石等。木竹是最早应用于人工鱼礁的材料之一，早在十八世纪末期，日本的一些渔民在沉船附近的捕鱼经验中获得启发，制造了一些竹木质结构作为礁体沉入海底，在一段时间后捕获大量的鱼类用。1991年葡萄牙为了研究木质鱼礁的集鱼效果和对环境的影响，在沿海投放了由大木板组成的礁体，且对其展开了多年的调查研究，结果显示这些鱼礁既丰富了附近海洋生物的种群和数量，同时又促进了当地的渔业经济的发展兀。在国内，2002年黄梓荣等M比较研究了几种试验材料的生物附着效果，发现木板的附着效果较好，有大量的生物附着，从而产生了一定的生态效益。贝壳和岩石作为人工鱼礁材料也有相当好的效果。美国于1947年至1989年共建有44个贝壳礁，这种贝壳礁只有经过34年的时间后建立牡蛎群落，才能像天然鱼礁一样带来效益。岩石由于材质坚硬、稳定、抗腐蚀性、成本低廉等特点，在人工鱼礁中有一定的应用。中国于1980年在广西投放了100立方米的石块，同一时期，美国对岩石礁进行了研究，发现岩石礁有较好的集鱼效果毋。在人工鱼礁材料的发展过程中，废弃物在一定时期也得到了相当广泛的使用。轮胎、旧汽车、建筑瓦砾和破坏的自由船只等废旧结构和材料常被利用于人工鱼礁的发展回。在20世纪初，美国许多人工鱼礁建设的早期尝试，其实就是一个随意倾倒垃圾材料的过程。20世纪50年代美国在使用建筑物的瓦砾和混凝土填充啤酒瓶案件中获得过一些成功，但同样也有很多的失败，很大程度上是由于缺乏鱼礁建设的科学技术知识、适宜的材料和鱼礁投放位置，以及结构组成的完整性和有效的鱼礁配置。从那时起便有更多的专用鱼礁结构用于一些实验研究，获得了人工鱼礁结构设计和材料应用方面的多项技术和专利"。同时，美国成功地把人工鱼礁建设同旅游业结合在一起，并达到了保护资源、处置工业废弃物等目的。Fitzsimous对人工鱼礁和天然岩礁进行了比较研究加，其研究结果揭示了人工鱼礁更能提高湖红点鞋繁殖能力。美国和日本的一些研究人员对各种废弃物进行组合，再利用混凝土浇筑制造成具有一定的空间和形状的人工鱼礁。东南亚的一些国家投入的资金相对较少，人工鱼礁数量也较少，主要投放废弃船只和轮胎。欧洲的大多数国家也类似地把废旧船只和废弃轮胎等投放海区直接作为鱼礁，只有意大利比较重视利用混凝土等材料进行人工鱼礁的建设。在人工鱼礁项目中使用的材料差异很大,采用的废旧结构和可利用的材料仍然在全世界的鱼礁应用中占有最高的比例。然而，专用的鱼礁结构数量正在不断地增长设计鱼礁时使用单一材料或者由几种材料结合起来使用，鱼礁结构形状设计也从简单的块结构向复杂的模型和混合形状变化。目前，美国已经拥有了很多的人工鱼礁项目，这些项目完全依赖于过剩的或者废弃的材料来建造人工鱼礁，这种依赖成为了许多美国沿海各州多年来这些鱼礁项目管理的低效率和失败的根源：这限制了鱼礁的设计选项和鱼礁系统的长期规划。“盛宴的饥荒”场景并不少见。在美国，对鱼礁项目不断提高的资金支持已经使得人们的注意力从废弃的材料转移到使用预制专用鱼礁单元体的可行性，通过水泥稳定技术扩大了在人工鱼礁建设中使用散装废料的可能性。虽然刚开始废材料的价格低于专用预制结构，但是“经过适当的准备、处理和运输,加上材料价格的稳定性和有限的灵活性,其建造总成本可使这些预制单元体的价格整体上更加便宜合算”。这种观点同时被美国和日本政府所接受，并且在利用汽车轮胎和车体建造人工鱼礁的实践经验中所证实。轮胎的特征在于较慢的海洋植物定植和较差的结构整体性，除非设计满足特定的密度和压载要求吐吗废旧汽车用作鱼礁一般只有3到5年的使用年限，其更换和维修的费用非常高昂，且生态效益仍值得怀疑网。天然材料和废弃物在人工鱼礁中的应用上能够带来一定的效益，同时也存在许多缺陷。竹制和木质材料在海洋生物的附着效果方面最好，但是天然的竹木材料会在海洋环境中和海洋微生物的作用下变得更易腐烂，使用寿命不长。用作人工鱼礁材料的废弃物中，轮胎很容易因为在海底的不当压载和分布而被冲上沙滩；废旧汽车和船只由于不适合盐水环境，很快就会在海水中腐蚀掉，同时会带来不同程度的重金属污染；而其他材料的鱼礁则会很快消失在松软的海底。废弃物材料也很容易造成环境的污染。根据调查发现一些其他的主要材料诸如玻璃纤维、增强塑料和PVC等存在稳定性问题，很容易在风暴中受到破坏或者被渔具拖翻。玻璃钢在人工鱼礁上应用时其成本高于混凝土，表面不利于饵料生物的附着生长如。由于天然竹木和废弃物等材料在人工鱼礁应用上存在问题，因而，人们积极寻求新的材料应用在鱼礁的建设中，并把目光逐渐转移到建筑材料上。近年来，混凝土被世界各国广泛应用在人工鱼礁建设当中，目前已逐渐成为建设人工鱼礁的主要材料加，其原因在于混凝土有许多优点：（1）混凝土材料价格相对较低，取材较广、加工简单、运输方便，且易于制作各种模型的人工鱼礁；（2）制作成鱼礁后其结构稳定性和耐久性较好，在海洋中不易倾覆，使用年限较长；（3）海洋生物在鱼礁表面上的附着效果好、生长较快，对鱼类的诱集、增殖和保护的效果明显；（4）对海区不会造成重金属等二次污染。根据目前的科学研究成果表明区川，混凝土是特别有利于人工鱼礁的建设，这显然是因为在化学机理上寻找到了正确的线索。在一些人工鱼礁试验中应用混凝土已经收到了明显的效果，而且混凝土人工鱼礁在海水中的耐久性比其他材料相对较好，在不同条件下可以浇筑成任何形状模型；在热带水域，混凝土人工鱼礁的海洋生态群落的发展也类似于自然珊瑚礁。黄梓荣等在比较研究各种材料对生物附着效果的影响时，发现混凝土的附着效果较好。刘金霞等在不同材料的增殖效益的对比试验中也得到相同的结果加。Santos等加对投放的混凝土人工鱼礁进行定期的调查，发现其集鱼效果较好。一些研究也同样表明吐"I在鱼类增殖和生态功能修复方面，混凝土人工鱼礁的效果比其他材料的人工鱼礁更为显著。与此相反，其他的主要材料诸如玻璃纤维、增强塑料和PVC等存在稳定性问题，很容易在风暴中受到破坏或者被渔具拖翻。玻璃钢在人工鱼礁上应用时其成本高于混凝土，表面不利于饵料生物的附着生长加。钢制鱼礁的生物附着效果好，能够给浮游植物提供必需的铁元素，但是在海水的侵蚀下使用年限非常短。这些问题部分是因为人工鱼礁设计方面，但材料的质量也是鱼礁设计有效性的重要影响因素。无论使用何种材料，人工鱼礁都需要解决与海洋环境的适宜程度、耐久性和稳定性等问题，并寻找出其中正确的化学原理，以此来解决人工鱼礁材料的生态环境兼容性问题，并且发展目标物种及其所处生态系统下的其他物种，同时人工鱼礁也需要有合适的物理性质。性质相异的许多材料经常被引入到海洋环境中，却没有充分考虑它们的环境兼容性问题,这导致了例如鱼礁的集鱼效应不明显，或者使得鱼礁附近渔业资源枯竭，以及阻碍和破坏鱼礁的成岩过程。混凝土人工鱼礁被广泛采用时取得了良好的经济效益、社会效益和生态效益，但也存在着不少问题。目前，混凝土人工鱼礁主要采用的是普通混凝土（采用普通硅酸盐水泥、河砂和淡水配制），由于普通混凝土使用的是普通硅酸盐水泥，因而普通混凝土的碱性强，其PH值一般高于13,而海水的碱度较低，pH值为8.3左右。在海水中，普通混凝土的碱性物质Ca（OH）2很容易溶解在周围的水体中，造成鱼礁礁体的表面和周围的水体的PH值大大超过了海水的PH值，这种强碱条件破坏了海洋生物生长所需的适宜环境，短时间内藻类和微生物难以在人工鱼礁表面和附近水体中附着和生长。当混凝土人工鱼礁在海水中长时间浸泡后，礁体表面和周围水体的PH值在不断地下降，渐渐地适宜于海洋的微生物的附着和藻类的生长，而这一过程通常需要混凝土人工鱼礁浸泡相当长的一段时间。在混凝土材料的研究领域方面，也有研究人员采用粉煤灰、矿渣等材料制作低碱度的混凝土，并研究了该混凝土的力学性能、耐久性，以及对人工鱼礁和海洋生态环境的影响电.of。但是，粉煤灰和矿渣等材料在人工鱼礁上的应用较少，主要是其抗渗性能力并不理想。普通混凝土人工鱼礁的耐久性也是至关重要，关系到人工鱼礁的使用寿命田3。°在海洋中，海水渗透到普通混凝土中，其中的有害离子侵蚀着混凝土，引起内部的钢筋发生锈蚀，混凝土的性能（包括力学性能和抗渗性能）持续劣化，同时，人工鱼礁表层的混凝土在受到海洋的波浪、潮汐力等作用不断被剥落，又加快了海水的渗透。如此循环导致了混凝土人工鱼礁的破坏，最终减少了人工鱼礁的使用寿命，影响其经济效益、社会效益和生态效益等。因此，在人工鱼礁混凝土材料的研究，需要开发出适应海洋生物生长的低碱性、经济性的混凝土。1.3 混凝土人工鱼礁在海洋环境中的腐蚀机制海洋环境中存在着对混凝土有害的多种离子，由于人工鱼礁长年浸没在海水中，海水会不断渗透进混凝土内部，会引起混凝土性能的劣化和钢筋严重锈蚀，从而导致混凝土人工鱼礁的破坏。海水中对混凝土的主要含有大量着氯盐和硫酸盐，氯盐含量最高，硫酸盐含量次之。氯离子的扩散性以及耐硫酸根侵蚀是混凝土耐久性的两个重要方面。但这两类盐对混凝土的侵蚀机理是不同的。硫酸根主要通过物理化学作用对混凝土破坏，而氯离子通过渗透到混凝土内部并达到临界浓度腐蚀钢筋对混凝土进行破坏加。（1）硫酸盐侵蚀机理硫酸盐侵蚀是是一个复杂的物理化学过程，其侵蚀劣化涉及到侵蚀离子在混凝土孔隙系统中的传输、侵蚀离子与水化产物的化学反应或侵蚀物质的结晶析出、膨胀性侵蚀产物对混凝土造成破坏（主要表现在膨胀、开裂、剥落和强度损失）三个相互联系的过程。对混凝土的侵蚀属于结晶膨胀型侵蚀，硫酸盐和氢氧化钙发生反应，生成具有膨胀性的侵蚀产物，这些产物由于吸收了大量的水分子会产生体积膨胀从而产生膨胀应力，当应力超过混凝土的抗拉强度，造成混凝土的破坏。水泥当中的CsA矿物也是最容易遭受硫酸盐腐蚀的，生成钙矶石（C6A«3H32）。(2)氯离子对钢筋锈蚀的侵蚀机理氯离子引起钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性的一项重要因素，氯离子广泛存在于海洋环境、道路化冰盐、盐湖和盐碱地、工业环境等各种环境，因此氯离子引起钢筋锈蚀是导致混凝土结构劣化的重要原因阿。通常认为，混凝土内部的钢筋锈蚀与孔隙液的碱度和氯离子浓度有关。在PH值5时，钢筋锈蚀十分严重；在PH值=510时，钢筋锈蚀的程度比较稳定；在PH值10时，钢筋的锈蚀程度非常低，甚至在更高的PH值环境中不发生锈蚀。硅酸盐水泥的水化使混凝土孔隙液的PH值高于12.5,钢筋的表面在这种强碱条件下会形成一层非常致密的氧化物薄膜(FeQ3),阻碍钢筋的继续锈蚀。但是，钢筋表面的氧化物钝化膜只能在强碱条件下保持稳定的状态。当孔隙液的PH值降低时，钢筋很容易遭受氯离子的侵蚀。这是因为氯离子在混凝土中的渗透能力很高，当氯离子进入混凝土，钢筋表面周围的孔隙液中的自由氯离子浓度逐渐增加，氯离子吸附在钢筋的表面时可使该局部表面的PH值迅速下降，达到临界浓度，钢筋钝化膜受到破坏。钢筋因表面局部钝化膜遭到氯离子的破坏而去极化，表面的电位差形成腐蚀电池，从而产生蚀坑和锈蚀现象，而氯离子在此过程并没有被消耗。1.4 硫铝酸盐水泥混凝土的性能研究1.4.1 硫铝酸盐水泥混凝土的力学性能及耐久性硫铝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1d的抗压强度可达28d的60%,3d的抗压强度就能达到28d的86%。这是因为硫铝酸盐水泥的水化速度快，早期强度较高。硫铝酸盐水泥的主要水化反应如下枷：3CaO3Al2O3.CaSO4+2CaSO4+38H2O23442(1-1)3CaOAl2O33CaSO432H2O+2(Al2O33H2O)-C2S+2H2OC-S-H+Ca(OH)2(1-2)3Ca(OH),+3CaSO4+A19O3.3H,O+26H7OxzZ4ZZ/1QA3CaOAl2O33CaSO432H2O'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(15%)；(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M。在混凝土中，钢筋的锈蚀也是耐久性的重要内容。一般认为，在其他环境条件相同时，混凝土钢筋的锈蚀程度与PH值有关，PH值越高，钢筋的锈蚀程度越低。尽管硅酸盐水泥水化介质的PH值12.5,若其混凝土结构不密实，钢筋也会产生锈蚀。硫铝酸盐水泥由于水化液相碱度较低，在早期拌合的混凝土中由于含有较多的水分和空气可能使混凝土中的钢筋有轻微的腐蚀。但是随着龄期的增长，混凝土的结构变得非常密实，因此后期的钢筋锈蚀情况不会发展。氯离子的临界值对混凝土钢筋的锈蚀也有非常重要的影响。当混凝土中的自由氯离子含量达到或超过临界值时，会引起钢筋发生锈蚀。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。AFm相会以化学结合的方式对孔隙液中的自由氯离子进行固化，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。Yildirinrl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3匈，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。张云飞等的研究了在硫铝酸盐水泥混凝土中掺入矿渣和粉煤灰对混凝土的强度和抗渗性的影响，结果表明：在硫铝酸盐水泥混凝土中，掺合料的加入都明显降低了混凝土的早期和后期强度，同时也稍微降低了混凝土的抗渗性，强度、抗渗性随掺合料含量的增加而明显降低。另有研究表明加，矿物掺合料虽然含有较多的铝相，有助于提高胶凝材料对氯离子的化学结合能力，但也使混凝土在早期产生较多的收缩裂缝，不利于混凝土的抗渗性。英国何伯丁大学的Glasser和张量向研究计算了硫铝酸盐水泥完全水化时所需的用水量。其结果表明，普通硅酸盐水泥混凝土在内部的孔隙中通常都含有较多的水分，而硫铝酸盐水泥混凝土则与之相反，水泥水化后能够达到一定程度的“内干”状态，即不含多余的自由孔隙水，流动性又没有受到很大的影响。这种状态可使混凝土的一些性能得到改善，且硫铝酸盐水泥持续的水化可使表面层更加致密化，提高了混凝土的抗渗性。赵军等的采用非稳态氯离子迁移试验方法对硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥混凝土的扩散系数进行测定，其试验数据显示，硫铝酸盐水泥显著增强了混凝土的抗氯离子侵蚀性能。蔡高创等"，剧比较了硫铝酸盐水泥混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土的抗氯离子渗透性，试验研究结果表明：硫铝酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数仅为普通混凝土的1/6至1/4,硫铝酸盐水泥的抗氯离子渗透性能明显好于普通硅酸盐水泥；并且，随着水灰比的减小,硫铝酸盐水泥的抗氯离子渗透性能明显得到提高。硫铝酸盐水泥混凝土在大水灰比和小水灰比的两种情况下，抗氯离子渗透作用机制明显不同，当水灰比较小时，硫铝酸盐水泥混凝土的密实性起主导作用，较高的密实度阻碍了氯离子向混凝土内部渗透；当水灰比较大时，硫铝酸盐水泥自身固化氯离子的能力在抵抗氯离子侵入过程中起主导作用。苏幕珍等人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1cm,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So广腐蚀后，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1从水化机理方面解释了硫铝酸盐水泥具有很好的抗侵蚀性能的原因。1.4.2硫铝酸盐水泥与海洋生物的相容性海洋生物需要在与海水碱度相近的水体环境中生长，且人工鱼礁混凝土中的胶凝材料对人工鱼礁与海洋生物的相容性影响很大，因而需要采用与普通硅酸盐水泥不同的低碱度胶凝材料一一硫铝酸盐水泥碎。硫铝酸盐水泥水化液相碱度低，液相的PH值为11.5-12.0,而且能够提高混凝土的密实度，延缓碱性液相的外渗，少量外渗出的液相也不会提高水体的PH值太多，对于海洋生物的生长十分有利。但是，硅酸盐水泥水化时产生大量的Ca(OH)2产物，液相的PH值达到13左右,高碱性的液相向外流出造成周围的水体碱度升高，不利于海洋藻类的附着和鱼类的生存。利用钢渣和矿渣制备的人工鱼礁混凝土复合胶凝材料也可用于制备低碱度的人工鱼礁混凝土，钢渣的掺入对混凝土的强度有较大的影响，强度会随着钢渣掺量的增加而迅速下降四,K1.5 海砂、海水对混凝土耐久性的影响近几年来，很大程度上由于主要原材料的费用问题，建设人工鱼礁所需的河砂资源在沿海地区极度匮乏，淡水供应也较为紧张，造成人工鱼礁的建设成本逐渐攀升的。高成本使得混凝土人工鱼礁的经济性受到考验，促使人们不得不寻求低成本的原材料。海砂是一种天然的资源，在沿海地带的储量非常巨大，近年来已有许多针对海砂的研究所眼。海砂的成本远小于河砂，海洋中的海水也取之不竭。因此，利用海砂和海水制备人工鱼礁混凝土是可供探索的一个研究方向。利用沿海地区的海水、海砂等制备人工鱼礁混凝土，能够提高混凝土人工鱼礁的经济效益，大大降低人工鱼礁的成本。但海水海砂中的盐分会对混凝土的强度和耐久性等产生负面影响，尤其对于钢筋混凝土结构，海水海砂中的氯离子会严重腐蚀钢筋，从而导致钢筋混凝土结构的劣化所5"5”但是，在采用硫铝酸盐水泥后，海水海砂对硫铝酸盐水泥混凝土的耐久性影响还不明确，因而需要深入研究海水海砂对混凝土耐久性能的影响。有关研究表明由山，掺入海水或海砂对混凝土的渗透性会产生重要的影响，决定了混凝土的耐久性。CaijUnM指出，混凝土的渗透性是由混凝土的孔隙结构决定。周俊龙等阿认为海水海砂造成普通硅酸盐水泥混凝土内部孔隙多且孔隙率大，对混凝土的抗渗透性能非常不利，通过对海水海砂胶砂的试验，研究发现掺入阻锈剂后钢筋的极化电位正移，失重率明显下降，这表明了阻锈剂明显改善了海水海砂混凝土的钢筋锈蚀。肖建庄等研究发现，不管是掺加何种外掺料，海砂混凝土的氯离子渗透性比普通混凝土的大。黄华县等的认为混凝土的抗渗性与混凝土是否含有氯离子及氯离子含量并没有直接的关系，只取决于混凝土的孔结构。研究结果表明，混凝土中氯盐的存在降低了混凝土的渗透性，提高了氯离子抗渗性能，是因为混凝土经过干湿循环后引入的氯离子在内部孔隙中结晶并堵住了孔隙之间的通道，使得电通量降低。1.6 本文研究的意义及创新点（一）新型人工鱼礁混凝土的提出在海洋环境下，目前使用的普通混凝土人工鱼礁相对于其他材料的人工鱼礁有很大的优势，但是仍然存在寿命较短、易崩解、成本高、影响海底环境等缺点。普通混凝土人工鱼礁投放到沿岸海区后，通过多年的调查发现，这些混凝土人工鱼礁出现了许多问题，诸如混凝土强度劣化、内部钢筋锈蚀等耐久性问题，导致了人工鱼礁结构破坏，使用寿命严重缩短，其经济效益、社会效益和生态效益也最终降低,不能够达到人们的预期目标。这是由于人工鱼礁不可避免地受到了海水的长期渗透和侵蚀作用所产生的结果。普通混凝土人工鱼礁还有另一个缺点就是与海洋生态的相容性问题。普通混凝土使用的水泥是普通硅酸盐水泥，该水泥在水化完全后会形成大量的水化产物（Ca（OH）2）,使得混凝土孔隙液的PH值高达12以上，呈强碱性。钢筋混凝土内部的这种强碱条件有利于钢筋钝化