南海环境多种侵蚀性介质与水泥基材料的交互作用研究

发布时间：2020-09-11 16:44

　　 南海环境中存在许多破坏混凝土结构的侵蚀性介质,随着对海洋资源的开发利用,解决海工混凝土的耐久性问题尤为迫切。南海岛礁淡水资源紧缺,工程建设时希望对海水进行简单处理或直接用海水拌合制备混凝土。目前针对海洋环境下混凝土耐久性研究,多集中于考察单一环境因素下由外界扩散进入的侵蚀性离子(外渗侵蚀性离子)对混凝土性能的影响。因此,模拟南海不同环境条件,探究外渗及内掺Cl~-和SO_4~(2-)两种侵蚀性离子与水泥基材料的复杂交互作用,探明其作用机理,可以为海工建筑和海水制备混凝土提供理论指导与数据支持,具有重要的理论意义和工程应用价值。首先,采用物相分析、离子滴定和热分析等方法,以水泥基材料的氯离子结合量为评价指标,探究常温条件下侵蚀性离子即Cl~-和SO_4~(2-)外渗入水泥基材料后对水化产物的影响,揭示两种侵蚀性离子之间的交互作用机制。研究发现:水泥基材料对Cl~-的等温吸附曲线遵循线性变化规律,此规律不因标养龄期、是否存在骨料和SO_4~(2-)而改变;当Cl~-与SO_4~(2-)同时存在时,两种离子在扩散迁移与化学结合过程中均存在复杂竞争关系。其次,采用立式半浸的方法将试件放入模拟南海海水浓度和不同温湿度的环境箱中,通过对试件饱和区与非饱和区不同深度处的氯离子分布变化、物理性能变化及微观组成与形貌变化的分析,探明了多重因素复合作用下侵蚀性介质与水泥基材料的影响规律和作用机理,结果表明:当侵蚀溶液中Cl~-与SO_4~(2-)同时存在时,SO_4~(2-)对试件饱和区内Cl~-扩散迁移过程存在先促进后抑制作用,且环境温度对其影响显著,环境温度增加,促进作用提前且作用时间缩短,抑制作用随之提前而作用时间延长,此规律同样存在于非饱和区;由于毛细吸附能力随相对湿度降低而增强,试件非饱和区不同高度的自由氯离子和结合氯离子含量均随环境湿度降低而增加。当侵蚀溶液中Cl~-与SO_4~(2-)同时存在时,SO_4~(2-)占据Cl~-传输通道,从而抑制Cl~-传输。最后,模拟南海海水离子浓度,采用不同方式(内掺、内掺与外渗复合)引入侵蚀性离子,通过物相分析、水化热测试及微观形貌分析,探究内掺侵蚀性离子对水泥水化进程的影响及其腐蚀产物的稳定性。研究发现,内掺Cl~-和SO_4~(2-)均可以加速水泥水化,Cl~-的加速作用更明显。当含有Cl~-的盐溶液作为拌合水时,水泥水化10 h,内掺Cl~-主要通过加速C_3A溶解产生钙矾石以加速水泥水化;水泥水化1 d,产生Friedel盐,随着水泥水化的进行,钙矾石逐渐转变成Friedel盐,这主要由于钙矾石与铝相生成AFm,Cl~-置换AFm中的阴离子生成Friedel盐;水泥水化28d,Friedel盐已基本稳定存在;水泥水化90 d,部分Friedel盐转变为Kuzel盐。为了研究Friedel盐的稳定性,选取水化28d的海水拌合水泥基材料,将其浸泡在含有Cl~-的侵蚀溶液中,发现海水拌合的水泥基材料仍具有氯离子结合能力,但明显小于淡水拌合水泥基材料;侵蚀溶液中Cl~-促进Friedel盐生成,而SO_4~(2-)促进F盐分解。本文取得如下创新成果:模拟南海不同环境条件,采用立式半浸试验制度,探明了外渗Cl~-和SO_4~(2-)与不同温湿度复合作用对水泥基材料腐蚀作用的影响,揭示了南海环境多种侵蚀性介质外渗时与水泥基材料的交互作用机理;采用不同方式引入Cl~-和SO_4~(2-),研究了Friedel盐和钙矾石在水化过程中的稳定性及转换关系,探明了Cl~-和SO_4~(2-)对水化进程的影响,揭示了不同方式引入侵蚀性离子对水泥基材料的交互作用机制,对研究南海环境海工建筑以及海水拌合混凝土具有重要意义。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

水环境和喷洒的除冰盐[24]。研究表明[25]，氯离子不论以何种现部分氯离子与某些水泥相发生化学反应，部分被吸附在水学结合氯离子，后者称为物理吸附氯离子，统称为结合氯离有部分氯离子游离在孔溶液中，称为自由氯离子。混凝土内示[26]。其中，导致钢筋锈蚀的只有自由氯离子，但结合氯离相关[13; 27-29]。原因如下：一方面结合氯离子可以消耗部分自分氯离子，延缓了氯离子渗透到钢筋表面的时间，降低了钢化学结合形成 Friedel 盐（以下简称 F 盐），降低了水泥基材料的抗氯离子渗透能力。因此工程上希望控制引入混凝土中工建筑的耐久性。而硫酸盐对混凝土材料进行侵蚀多表现为矾石，从而导致混凝土材料中微损伤发展，引起材料宏观力学性降低形成破坏。

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图 1-3 C-S-H 凝胶的二次电子图像[37]Fig.1-3 Secondary electron image of C-S-H gel以外渗方式引入氯离子时，水泥基材料水化产物中的 AFm 相和 C-S-H 凝胶是氯离子结力主要因素；以内掺方式引入氯离子时，水泥基材料的氯离子结合能力由哪种物质控制，的文献比较少，还需要进一步研究。若希望用海水拌合混凝土解决南海环境淡水资源紧问题，还需要探究以不同方式复合引入氯离子时水泥基材料的氯离子结合能力以及硫酸子复合引入时对氯离子结合能力的交互作用。3 氯离子与硫酸根离子间交互作用研究现状硫酸根离子和氯离子对混凝土结构耐久性的侵蚀机理不同，而这两种离子共存时会相互产生交互作用[40-42]。当交互作用存在时，若所有试验考虑均只有一个影响因素，则无法两个或多个自变量之间的交互作用，因此单纯研究一种离子的侵蚀作用对于探究氯离子酸根离子共存时的交互作用没有意义，此时必须分别探讨氯盐存在下硫酸盐侵蚀规律和

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本文编号：2816916