水泥矿物及其水化产物对氯离子的固化机理

发布时间：2020-09-21 13:42

　　钢筋混凝土在服役过程中,常常发生因氯离子侵蚀而导致钢筋锈蚀的现象,进而造成钢筋混凝土结构的失效,尤其是在海洋工程中。因此,提高钢筋混凝土抗氯离子侵蚀能力对钢筋混凝土的服役寿命至关重要。混凝土中的氯离子一方面是由原材料本身引入,如砂、拌合水等;另一方面是混凝土在服役时,外部环境中的氯离子通过渗透等方式进入混凝土结构中。降低混凝土材料中的氯离子含量将从根本上提高钢筋混凝土的抗氯离子侵蚀能力,有效规避钢筋锈蚀的风险。本论文依托“十三五”国家重点研究计划子课题-海砂混凝土中氯离子固化与新型阻迁技术的研究与应用(2016YFC0701003-05),从混凝土中的水泥组分出发,研究了几种典型的水泥矿物及其水化产物对盐溶液中氯离子的固化行为和固化机理,主要包括铝酸三钙(C_3A)、单硫型水化硫铝酸钙(AFm)和硅酸三钙(C_3S),同时还研究了细度对C_3A氯离子固化能力的影响、Ba~(2+)离子对AFm氯离子固化能力的影响以及改性粉煤灰(M-FA)掺加后对C_3S氯离子固化能力的影响等,并借助多种现代测试方法来阐明其中的固化机理,为混凝土自身的氯离子固化作用提供了理论支撑,以及为寻找新型的氯离子固化材料做铺垫。本论文的研究结果表明:(1)同一龄期下,随着溶液中氯离子浓度的增大,C_3A的氯离子固化能力整体上随之增大;同一氯离子浓度下,随着龄期的延长,C_3A的氯离子固化能力先增大后趋于稳定。在设定的试验条件下,C_3A的氯离子固化能力极限值为0.16g/g-C_3A。C_3A结合氯离子生成的产物为Friedel’s盐和Friedel’s盐固溶体,结构式分别为[Ca_2Al(OH)_6]_2·(2Cl)·(4H_2O)和Ca_2Al(OH)_6·(Cl)·(2H_2O),形成机理包括化学吸附和离子交换这两种相互独立的机理,且以化学吸附机理为主。(2)同一龄期下,随着C_3A细度的减小,其氯离子的固化能力整体上随之增大;同一细度下,随着龄期的延长,C_3A的氯离子固化能力整体上随之增大。C_3A细度越小,生成的Friedel’s盐及其固溶体含量更多,未水化的C_3A含量越少。(3)同一龄期下,随着溶液中氯离子浓度的增大,AFm的氯离子固化能力整体上随之增大;同一氯离子浓度下,随着龄期的延长,AFm的氯离子固化能力也随之增大。在设定的试验条件下,AFm的氯离子固化能力极限值为41.16mg/g-AFm。AFm在氯盐溶液中反应生成的产物主要包括Friedel’s盐及其固溶体、Kuzel’s盐以及AFt,也可能存在部分未反应完的AFm。AFm层间的SO_4~(2-)离子能够与溶液中的Cl~-离子发生离子交换反应,从而形成Friedel’s盐及其固溶体或Kuzel’s盐。Kuzel’s盐的化学式为C_3A·0.5CaCl_2·0.5CaSO_4·11H_2O,其层间结构可表示为[Cl_(0.5)·(SO_4)_(0.25)·2.5H_2O]~-。(4)溶液中引入Ba~(2+)离子后,在同一氯离子浓度下,随着Ba/S摩尔比的增大,AFm的氯离子固化能力整体上随之增大;同一Ba/S摩尔比下,随着龄期的延长,AFm的氯离子固化能力也随之增大(28 d龄期除外)。在设定的试验条件下,AFm的氯离子固化能力极限值为57.57 mg/g-AFm,高于没有Ba~(2+)作用下的极限值41.16 mg/g-AFm,说明Ba~(2+)在一定条件下有利于增大AFm对氯离子的固化效果。AFm在引入Ba~(2+)离子的氯盐溶液中反应生成的产物主要包括Friedel’s盐及其固溶体、Kuzel’s盐、AFt和BaSO_4。(5)同一氯离子浓度下,随着龄期的延长,C_3S的氯离子固化率随之增大。C_3S对氯离子的固化作用主要归因于C_3S的水化产物C-S-H凝胶对氯离子的物理吸附作用。同一M-FA掺量下,随着龄期的延长,C_3S的氯离子固化率整体上随之增大;同一龄期下,随着M-FA掺量的增大,在3 d和7 d龄期时氯离子固化率整体上随之增大,而在28 d和60 d龄期时,氯离子固化率先增大后减小。掺加M-FA后,C_3S的氯离子固化率高于不掺M-FA时的氯离子固化率。(6)M-FA掺量为60%时,C_3S的水化产物包括C-S-H凝胶、CH、未水化的C_3S、CaCO_3以及Friedel’s盐及其固溶体等。M-FA中的活性Al_2O_3与CH发生火山灰反应生成水化铝酸钙,结合氯离子转化为Friedel’s盐及其固溶体。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P75;TU375
【部分图文】：

技术路线图,活性氧化硅,路线图,氯离子

技术路线图

分析图,后熟,三次,试片

程备采用固相烧结法[45]。原料选择氢氧化钙结晶性粉末。按 Ca(OH)2:Al2O3=3:1 的摩尔合 1 小时，然后加压成型，控制试片厚度 5，保压时间 30 s，加载速率 4 KN/s。将成型升温速率 5 ℃/ min，在 450 ℃时保温 2 h，束后在空气中急冷。将得到的试片破碎、粉过程两次后，可获得高纯度的 C3A 矿物。3A 粉末先后通过 80 μm、45 μm 和 30.8 μm3A 粉末。征得的熟料的 X 射线衍射分析图（XRD）和 2-2 所示。

粒径分布,细度,粒径分布,矿物

图 2-2 煅烧三次后熟料的 SEM 图中可以看出，固相烧结获得的 C3A 矿物结构致密，-乙醇法测定制备的 C3A 矿物中游离氧化钙（f-CaO 矿物中 wf-CaO=0.45%，表明固相反应的程度高。结合制备的 C3A 满足实验要求。 80 μm、45 μm 和 30.8 μm 的标准筛得到的 C3A 粉末，从图中可以看出，三种 C3A 粉末在细度上区别明的顺序分别为 d(0.5)=19.313 μm，37.587 μm 和 56.3

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