富铁磷铝酸盐水泥(PAC)是由磷铝酸盐水泥发展而来的一种新型特种水泥,通过提高水泥熟料体系中的Fe_2O_3含量而使其具有煅烧温度低和早强高强等优点。本论文主要研究了富铁PAC的Cl~-固化性能、干湿循环下抗Cl~-传输性能,复掺硅灰与粉煤灰后的抗Cl~-渗透性、抗SO_4~(2-)侵蚀性和抗冻性及抗冲磨性能。利用XRD、SEM、MIP等测试手段对水泥硬化浆体的微观结构和形貌进行分析表征,并阐明水泥性能改善的原因。主要结论如下:(1)普通硅酸盐水泥(OPC)、硫铝酸盐水泥(SAC)和PAC在水化28d后的Cl~-固化率分别为21.92%、19.85%和26.32%,PAC具有更加优异的Cl~-固化性能;富铁PAC的CA、磷铝酸钙、C_4AF等铝酸盐和C_3P矿相均可以化学键合形式对Cl~-进行固化,分别主要形成Friedel盐(3CaO·Al_2O_3·CaCl_2·10H_2O)和氯磷灰石(Ca_5(PO_4)_3Cl),体系中化学键合Cl~-的数量为22.69%,远高于SAC的6.18%和OPC的12.85%,且固化态Cl~-稳定性较高。Cl~-浓度越高,富铁PAC水化硬化浆体对Cl~-的固化能力越大,内掺Cl~-含量为1.0%时富铁PAC的Cl~-固化率最高,为27.94%;不同水化龄期试样Cl~-固化能力不尽相同,内掺Cl~-质量分数越小,不同水化程度所引起的这种差异愈大并随着水化程度增加而增加。富铁PAC可以大量高效化学固化Cl~-,有效屏蔽Cl~-对钢筋的直接侵蚀。(2)干湿循环的环境条件下,Cl~-在水泥混凝土中的传输速率远大于全浸润状态下的离子传输速率;富铁PAC的孔隙率较小,在干湿循环环境下的抗Cl~-传输能力大于SAC和OPC。Cl~-在水泥混凝土内部扩散传输存在着普遍规律性,遵循Fick第二定律;干湿循环环境下,根据扩散定律可得OPC、SAC和富铁PAC的90d有效扩散系数分别为3.08×10~(-6)mm~2/s、2.33×10~(-6)mm~2/s和1.82×10~(-6)mm~2/s,Cl~-在富铁PAC的扩散速率缓慢;通过引用传质模型预测实际工程中结构的服役寿命,可得OPC和SAC混凝土结构中钢筋表面Cl~-含量达到临界浓度的时间t为21.5和27.9年,富铁PAC为原材料的钢筋混凝土结构在复杂的海洋环境中的服役年限较高,为36.7年。(3)富铁PAC-粉煤灰-硅灰三元胶凝材料体系中,硅灰比表面积极高,可以吸附大量自由水,使标准稠度需水量增加;当粉煤灰掺量为固定的9%,硅灰掺量越多相应富铁PAC熟料越少,胶凝材料体系水化程度降低,外在表现为水泥的凝结时间增加;当硅灰的掺量在2%、4%和6%时,富铁PAC硬化浆体的Cl~-电通量依次为315、264和323C,抗SO_4~(2-)侵蚀系数分别为1.20、1.23和1.00,150次冻融循环后其抗压强度分别为41.18、45.12和39.70MPa;当硅灰掺量高于6%时,试件的抗Cl~-渗透性、抗SO_4~(2-)侵蚀性和抗冻性开始大幅下降,当硅灰掺量达到12%时,电通量上升为572C,抗硫SO_4~(2-)侵蚀系数下降到0.362,冻融循环100次后抗压强度仅为31.54MPa;硅灰的颗粒细度较小,可以在水泥硬化浆体中起到物理填充作用,使水泥硬化浆体的孔结构得到改善,提高抗Cl~-渗透能力和抗SO_4~(2-)侵蚀性能,同时降低冻融循环过程的静水压力使得抗冻性提高,同时硅灰与水泥水化产物反应生成水化硅铝酸钙,从而使水泥硬化浆体强度提高;当硅灰掺量过多时,由于熟料相应减少造成水化产物不足,硅灰与粉煤灰活性难以在富铁PAC低碱体系激发,导致硬化水泥浆体致密度降低,硅灰最佳掺量范围在2%~6%,此时含粉煤灰富铁PAC硬化浆体的耐久性较好。(4)富铁PAC、OPC与SAC水化龄期28d的冲击延性指标分别为2.5、1.95和2.13,水化龄期90d的抗冲磨强度分别为44.76 h/(g/cm~2)、36.17 h/(g/cm~2)和38.35h/(g/cm~2),相比OPC与SAC,富铁PAC具有更优异的抗冲磨性能;富铁PAC致密结构会阻碍裂缝的继续发展,体系抗磨损剥落能力强,同时可以承受部分摩擦荷载,使得水泥浆体抗冲磨性能提高;富铁PAC的磨损率随磨损剂含量的增加而增加,基本呈线性关系;适量掺入硅灰可以提高含粉煤灰富铁PAC硬化浆体的抗冲磨性能,硅灰中的无定型二氧化硅,与富铁PAC体系中的铝酸盐水化产物反应生成板状的水化硅铝酸钙,改善了浆体的面结构和水泥受力时的应力分布情况,同时硅灰可以增加结构的密实性,使水化硬化浆体抗冲磨性能提高,当硅灰掺量为4%、粉煤灰掺量为9%时,试件的抗冲击延性指标和抗冲磨强度具有最高值,分别为2.9259和50.63 h/(g/cm~2)。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ172.1
【部分图文】：
HNK-3型混凝土抗含砂水流冲刷试验机
图 4.1 氯离子侵蚀深度示意图分别为富铁PAC在干湿循环与氯盐侵蚀的耦合作用下和Dmax 与平均侵蚀深度 Dave。从图中看出富铁 PAC 侵蚀Dave 一致。15202530Depthmax mmPAC(immersion)PAC(wetting-drying cycle)
养护龄期28d时水化样SEM图
【参考文献】
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2831420
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