水泥基材料低温抗硫酸盐侵蚀性能研究

论文摘要

硫酸盐侵蚀是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。钙矾石型、石膏型等传统的硫酸盐侵蚀破坏形式已经得到了广泛的认可和研究,有关传统水泥基材料在低温条件下的硫酸盐侵蚀——碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的研究时间较短,许多问题和现象尚没有统一认识和解释,有待进一步研究探索。碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀（the thaumasite form of sulfate attack,简称TSA）是指低温条件下水泥混凝土在硫酸盐、碳酸盐及低温环境的共同作用下生成一种无胶结作用的碳硫硅钙石晶体（CaCO3·CaSiO3·CaSO4·15H2O）,直接导致C-S-H凝胶解体,水泥石逐渐丧失强度,最终导致混凝土结构失效的化学腐蚀形式,是一种破坏性和隐蔽性较传统硫酸盐侵蚀更强的特殊形式的硫酸盐腐蚀。本文试验研究了水胶比、石灰石粉掺量、矿物掺合料、环境条件等因素对碳硫硅钙石形成的影响,探讨了碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀过程和作用机理,提出了早期侵蚀模型。研究结果表明:①掺石灰石粉的水泥净浆在5～10℃的低温条件下,于质量浓度5%MgSO4溶液中浸泡240天后,腐蚀反应除形成石膏、钙矾石外,还形成了碳硫硅钙石。该产物的形成可直接导致水泥水化产物C-S-H凝胶分解,使水泥石完全变成一种无强度的泥状物,表现出比传统硫酸盐侵蚀更强的破坏性。②在温度为6℃、质量浓度为5%的MgSO4溶液中,水泥石遭受硫酸盐侵蚀的程度随水胶比的降低而减轻,水胶比降低至0.25的水泥石试件在腐蚀介质中浸泡240天,试样没有出现明显硫酸盐侵蚀迹象;同等腐蚀环境下,石灰石粉含量越高,水泥石遭受碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀破坏的程度越严重。③矿物掺合料对水泥净浆低温硫酸盐侵蚀的影响比较复杂。本研究条件下,粉煤灰和矿渣能在一定程度上抑制水泥石硫酸盐侵蚀过程,粉煤灰掺量超过20%能有效抑制碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的发生。④侵蚀介质的种类和浓度对水泥石硫酸盐腐蚀的作用程度不尽相同。同等温度和湿度环境下,MgSO4溶液对水泥石的侵蚀作用大于相同浓度的Na2SO4溶液,且水泥石侵蚀破坏程度随MgSO4溶液浓度的提高而加重。⑤温度对水泥石碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的影响非常明显。在6℃、6～15℃温度条件下,掺石灰石粉的水泥石于5%MgSO4溶液中浸泡240天后都生成了碳硫硅钙石晶体,说明环境温度在该范围时混凝土结构更容易发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀破坏。⑥初始养护龄期对水泥石低温硫酸盐侵蚀过程有明显影响。初始养护龄期越长,水泥石结构越致密,遭受碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀破坏的程度越轻。因此,延长初始养护龄期能够在一定程度上延缓水泥石低温硫酸盐侵蚀破坏程度。⑦水泥基材料低温硫酸盐侵蚀是一个由表及里、缓慢发展的腐蚀破坏过程,早期存在大量的离子迁移、交换。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 水泥混凝土硫酸盐侵蚀概述
• 1.2.1 传统硫酸盐侵蚀
• 1.2.2 碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀
• 1.3 碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀国内外研究现状
• 1.3.1 国外碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀研究现状
• 1.3.2 国内碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀研究现状
• 1.4 存在问题
• 1.5 本课题的提出
• 1.5.1 研究目的及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 2 原材料与试验方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 水泥和石灰石粉
• 2.1.2 矿物掺合料
• 2.1.3 细集料
• 2.1.4 侵蚀介质
• 2.1.5 水
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 配合比设计
• 2.2.2 侵蚀试验环境
• 2.3 主要测试方法
• 2.3.1 宏观性能测试方法
• 2.3.2 微观测试方法
• 2.3.3 微观试样制备方法
• 3 原料组成对水泥基材料低温硫酸盐侵蚀的影响
• 3.1 石灰石粉掺量对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 3.1.1 石灰石粉掺量对水泥石外观质量的影响
• 3.1.2 石灰石粉掺量对水泥石强度的影响
• 3.1.3 微观测试结果分析
• 3.2 矿物掺合料对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 3.2.1 矿物掺合料对水泥石外观质量的影响
• 3.2.2 矿物掺合料对水泥石强度的影响
• 3.2.3 微观测试结果分析
• 3.2.4 矿物掺合料作用机理分析
• 3.3 水胶比对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 3.3.1 低温硫酸盐侵蚀对水泥石外观质量的影响
• 3.3.2 低温硫酸盐侵蚀对水泥石强度的影响
• 3.3.3 低温硫酸盐侵蚀对水泥石微观结构的影响
• 3.4 本章小结
• 4 侵蚀环境对水泥基材料低温硫酸盐侵蚀的影响
• 4.1 侵蚀介质类型及浓度对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 4.1.1 侵蚀介质类型对水泥石外观质量的影响
• 4.1.2 侵蚀介质类型对水泥石强度的影响
• 4.1.3 侵蚀介质浓度对水泥石外观质量的影响
• 4.1.4 侵蚀介质浓度对水泥石强度的影响
• 4.1.5 微观测试结果分析
• 4.2 温度效应对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 4.2.1 恒温环境对水泥石外观质量的影响
• 4.2.2 恒温环境对水泥石强度的影响
• 4.2.3 温度循环对水泥石外观质量的影响
• 4.2.4 温度循环对水泥石强度的影响
• 4.2.5 微观测试结果分析
• 4.3 初始养护龄期对水泥石低温硫酸盐侵蚀的影响
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 初始养护龄期对水泥石外观质量的影响
• 4.3.3 初始养护龄期对水泥石强度的影响
• 4.3.4 微观测试结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 水泥基材料低温硫酸盐侵蚀模拟试验研究
• 5.1 水泥基材料低温硫酸盐侵蚀模拟试验
• 5.1.1 模拟试验方法
• 5.1.2 土壤制备
• 5.1.3 外观质量分析
• 5.2 水泥基材料低温硫酸盐侵蚀过程研究
• 5.2.1 碳化对低温硫酸盐侵蚀的影响
• 5.2.2 低温硫酸盐侵蚀过程模拟
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录