电场加速水泥基材料TSA侵蚀行为和机理

发布时间：2020-09-23 08:25

　　水泥基材料碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(Thaumasite form of sulfate attack:TSA)是一种和硫酸盐、碳酸盐都密切相关的硫酸盐侵蚀,其直接侵蚀破坏水泥水化产物中的C-S-H凝胶,将C-S-H凝胶转变为失去粘结能力的泥状物质。近年来,各种石灰石质的材料在水泥混凝土中广泛应用,特别是石灰石粉作为水泥基材料的矿物掺合料及水泥混合材的应用,其掺量最多可达40%,这对于水泥混凝土结构的安全性无疑是一个巨大的潜在威胁。目前无论是在实验室还是在工程领域,尚没有合适的水泥基材料TSA侵蚀的快速试验方法。在实验室目前常用的是低温硫酸盐全浸泡试验方法,全浸泡试验方法中碳硫硅钙石的生成通常需要至少一年的时间,发生TSA侵蚀到试件破坏则通常需要两年以上的时间,无法实现快速检测和试验。电场用于加速水泥基材料离子迁移和化学反应等已有较为广泛的研究,因此,本文利用电场来加速水泥基材料的TSA侵蚀,主要研究了电场加速水泥基材料TSA侵蚀行为及侵蚀机理,为后续电场作为加速方法的应用奠定理论基础。主要研究内容及结果如下所示:(1)通过试件外观破坏等级、红外吸收光谱、拉曼散射光谱和XRD物相分析对比研究了电场阴极Na_2SO_4溶液-阳极MgSO_4溶液、Na_2SO_4溶液全浸泡和MgSO_4溶液全浸泡三组水泥基材料试件的TSA侵蚀行为,结果表明电场能够在不改变侵蚀行为的前提下明显加速水泥基材料TSA侵蚀,其加速效果是全浸泡环境下的4~6倍。(2)通过设置电场阴阳极清水通电、饱和Ca(OH)_2溶液通电以及阴阳极饱和Ca(OH)_2Na_2SO_4溶液通电研究了电场对于水泥基材料内部稳定性的影响,结果表明在没有侵蚀介质存在的条件下,电场对于水泥基材料试件的水化无明显影响,当无离子迁出时试件内碱度以及试件内的钙含量几乎没有变化;当有侵蚀介质存在时,试件则会快速劣化。电场的主要作用是通过加速侵蚀介质迁移进入试件内部来加快试件的侵蚀劣化。(3)通过测试侵蚀龄期内试件的微观组成结构、试件内部的碱度变化以及离子浓度分布对比研究了电场环境和全浸泡环境下水泥基材料试件的TSA侵蚀机理,两种环境下试件具有类似的侵蚀机理,先生成钙矾石和石膏,然后以间接转换机理为主由钙矾石转换生成碳硫硅钙石,在TSA侵蚀明显发生以后则是以直接反应机理为主由硫酸盐、碳酸盐与C-S-H凝胶直接反应生成碳硫硅钙石。(4)比较两种环境下水泥基材料TSA侵蚀行为和侵蚀机理的研究,确定了水泥基材料发生TSA侵蚀的重要影响因素以及所需的边界条件,即,pH值和Ca/S比满足以下范围时:10.60pH11.75,4.00Ca/S6.35,水泥基材料试件开始生成泥状物质,发生明显的TSA侵蚀。同时也提出了水泥基材料侵蚀劣化的模型,将侵蚀劣化分为三个阶段,并定性和定量的给出了每个侵蚀劣化阶段对应的破坏特点和边界条件。(5)通过试件外观破坏等级、红外吸收光谱、拉曼散射光谱以及XRD物相分析研究了电场环境下水泥基材料TSA侵蚀的影响因素并确定了加速侵蚀破坏适宜的试验组合:电场采用电压30V、周期20s的脉冲电场,电场侵蚀溶液为阴极Na_2SO_4溶液-阳极MgSO_4溶液,试验温度为5℃。论文结果表明,电场能够明显加速水泥基材料的TSA侵蚀。电场的加速并未改变水泥基材料的TSA侵蚀过程和机理,侵蚀过程和机理与全浸泡环境下类似,电场的主要作用在于加速更多的侵蚀介质进入试件内部。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

外观形貌,试块,外观,搅拌站

400 600 800 1000 1200Raman shift/cm-1T12图 1.2 某工程硫酸盐侵蚀产物鉴定Fig. 1.2 The identification of the degradation products in an engineering project四川西充某搅拌站标准养护室内留置一年半的 C30 混凝土试块，该混凝土合比中使用了 25%掺量的粉煤灰，根据搅拌站总工描述该粉煤灰中含有大量的灰石粉和硫化厂锅炉渣，试件存放在标准养护室内有充足的水分，在一年半的间内试块被完全破坏，其破坏后外观形貌见图 1.3。对侵蚀产物进行取样微观鉴分析，结果如图 1.4 所示。

碳硫硅钙石,钙矾石,反应机理

1 绪论钙石的形成与 C3A 之间的关联性将在下文中讨论。大部分的实际案列凝土遭受破坏后，其微观结构中往往是共存钙矾石和碳硫硅钙石。碳硫硅钙石的形成过程如图 1.5 所示[53, 54]，碳硫硅钙石的间接形成过程在于钙矾石的八面体晶体结构为碳硫硅钙石的形成搭建了骨架[58]。此钙石的形成是一个连续过程，即便当钙矾石消耗殆尽时，碳硫硅钙石形成[58]。碳硫硅钙石的形成过程中依赖于碳酸盐的存在，甚至是大气中在，通过直接反应机理提供足够的碳酸盐参与反应。内部或者外部的硫酸盐，以及钙离子的浸出直接反应机理与 C-S-H 凝胶直接反应碳酸盐或者碳消耗氢氧化钙

示意图,稳态,示意图,非稳态

图 1.6 稳态电迁移法示意图Fig. 1.6 The sketch of steady state electric migration method，非稳态电迁移方法也被广泛研究和应用。非稳态电离子非稳态电迁移的一种方法，用试验期间测得的氯的扩散性。该方法采用 50 mm 厚的圆柱体试件，试密封好的试件放置在浸没于氯源溶液(含有 NaCl 的饱上。支撑设计成倾斜的，以便排出试验期间负极板上试件 2 端加上 30～40V 的直流电压，一直加到规定的的温度和电流.试验之后，圆柱体试件沿轴方向劈成深度，另一半用于测定不同深度处的总氯离子含量。方程可计算氯离子的扩散性。

【参考文献】