酸性环境下砂浆、砂岩材料的受酸腐蚀过程及其基本特性劣化规律的试验研究

论文摘要

本文选择了目前环境岩土工程中最基础的科学问题,即酸性环境下砂浆及砂岩材料的基本性质问题开展了室内试验研究,分析了材料受酸腐蚀过程中物理、化学及力学特征,揭示了其性质变化的规律,建立了受酸腐蚀过程中材料的宏、细观模型,提出了以氢离子浓度变化为主要影响因素的岩石及混凝土结构使用寿命预测模型和方法,本文的主要创新性成果如下:1.对砂浆材料,在系统分析不同时段酸液中氢、钙离子浓度变化规律与砂浆受酸腐蚀微细观机理的基础上,采用质量变化率和波速变化率的定量对比,揭示了腐蚀过程所表现出的阶段性特征,建立了受酸腐蚀等效体砂浆试样波速-孔隙率预测模型;在建立腐蚀过程中试样孔隙率增大和承载面积减小概化模型的基础上,推导了腐蚀过程中抗折强度模型与计算公式,初步验证得到了计算值与试验结果间良好的一致性。2.对砂岩材料,剖析了钙质胶结长石砂岩试样在不同浓度盐酸溶液浸泡过程中的强度特性、破坏模式、应力-应变关系和割线模量等力学特征,建立了氢离子扩散的常、变系数扩散模型,借助于无扰动CT扫描技术和化学动力学分析,对受酸腐蚀的细观损伤机理进行了量化分析,建立了试样单轴抗压强度、渗透破坏深度、CT数与岩石密度之间的关系式,实现了宏、细观力学性质的有机结合。3.以快速试验对扩散规律的认识为基础,考虑化学反应造成酸液浓度降低对腐蚀的阻滞作用,建立了在大体积岩石及混凝土材料中考虑化学反应影响时溶质的扩散控制方程,开发了相应的二维有限元分析程序,结合某一水利工程受酸雨影响的使用寿命问题,提出了一种预测大体积岩石及混凝土中酸液浓度扩散范围随时间变化及强度劣化规律的思路与方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 岩石及混凝土工程中的酸性环境
• 1.2 酸性环境下混凝土性质研究
• 1.2.1 混凝土受酸腐蚀性质的试验研究
• 1.2.2 混凝土受酸腐蚀的机理分析
• 1.2.3 混凝土受酸腐蚀的渗透模型
• 1.3 酸性环境下岩石性质的研究
• 1.3.1 岩石受腐蚀性质研究方法
• 1.3.2 腐蚀岩石的微观力学效应
• 1.4 本文的研究思路与内容
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 砂浆在受酸腐蚀过程中物理化学性质的试验研究
• 2.1 试验条件及其测试方法
• 2.1.1 试样制备
• 2.1.2 试验条件
• 2.1.3 试样的测试
• 2.2 砂浆试样受酸腐蚀的物理性质
• 2.2.1 浸泡过程中砂浆试样的质量
• 2.2.2 浸泡过程中砂浆试样的波速特性
• 2.3 砂浆试样受酸腐蚀的化学性质
• +、Ca²⁺浓度变化'>2.3.1 试样浸泡过程中H⁺、Ca²⁺浓度变化
• +、Ca²⁺浓度比较'>2.3.2 不同形状试样浸泡过程中H⁺、Ca²⁺浓度比较
• 2.3.3 砂浆受盐酸腐蚀机理探讨
• 2.4. 小结
• 第3章 砂浆试样在受酸腐蚀过程中力学性质的试验研究
• 3.1 受酸腐蚀砂浆试样的力学性质
• 3.1.1 浸泡不同时段后砂浆试样的力学性质
• 3.1.2 砂浆试样的破坏模式
• 3.2 砂浆试样受酸腐蚀机理
• 3.2.1 盐酸对砂浆的腐蚀过程与机理
• 3.2.2 浸泡过程中砂浆试样的腐蚀深度计算
• 3.3 受酸腐蚀砂浆试样的抗折强度模型
• 3.3.1 浸泡过程中砂浆试样抗折强度的孔隙率概化模型
• 3.3.2 浸泡过程中砂浆试样的腐蚀深度
• 3.4 小结
• 第4章 砂岩在受酸腐蚀过程中物理化学性质的试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 验条件及测试
• 4.2.1 试样的制备
• 4.2.2 试样的测试
• 4.2.3 试验条件
• 4.2.4 测试设备
• 4.3 正方体细粒长石、石英砂岩的物理化学性质
• 4.3.1 细粒长石砂岩的物理化学性质
• 4.3.2 细粒石英砂岩的物理化学性质
• 4.3.3 各类砂岩试样的波速特性
• 4.4 圆柱体长石砂岩的物理化学性质
• 4.4.1 长石砂岩的物理化学性质
• 4.4.2 长石砂岩的波速特性
• 4.5 小结
• 第5章 砂岩在受酸腐蚀过程中力学性质的试验研究
• 5.1 概述
• 5.2 受酸腐蚀圆柱体砂岩的力学特性
• 5.2.1 浸泡过程中砂岩的力学性质
• 5.2.2 浸泡不同时段后砂岩的破坏模式
• 5.2.3 浸泡不同时段砂岩的应力-应变关系
• +的扩散模型'>5.3 受酸腐蚀砂岩中H⁺的扩散模型
• 5.3.1 砂岩的受酸腐蚀过程
• 5.3.2 基本假定
• 5.3.3 砂岩试样的渗透破坏深度计算
• +的扩散模型'>5.3.4 砂岩受酸腐蚀过程中H⁺的扩散模型
• 5.4 受酸腐蚀过程中砂岩的细观性质分析
• 5.4.1 岩样的cT试验
• 5.4.2 渗透岩样细观CT数与密度的关系
• 5.4.3 溶蚀不同时段后盐酸溶液浓度计算
• 5.4.4 分析结果的初步验证
• 5.5 小结
• 第6章 材料受酸腐蚀特性在建筑物使用寿命预测中应用的探讨
• 6.1 概述
• 6.2 水工混凝土结构使用寿命预测方法
• 6.2.1 水工混凝土结构使用寿命的概念
• 6.2.2 水工混凝土结构寿命预测方法
• 6.3 基于材料耐久性劣化数学模型的使用寿命预测
• 6.3.1 预测模型的建立
• 6.3.2 考虑化学反应影响时溶质的扩散模型
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 类砂岩材料砂浆物理化学及力学性质研究
• 7.1.2 砂岩物理化学及力学性质研究
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读博士学位期间完成的科研成果