混凝土硫酸盐侵蚀过程及主要产物研究进展

概述了在硫酸盐环境中混凝土的侵蚀破坏过程，以及硫酸盐类主要侵蚀产物包括石膏、钙矾石（AFt）、硅灰石膏（C3SC^-S^-H15）等生长特性的研究进展。硫酸盐侵蚀是一个比较复杂的过程，不同的环境介质、热湿条件等引起的侵蚀过程和产物也相应不同，尤其是钙矾石的生长特性和物理力学性能仍需要进一步的研究。针对硫酸盐侵蚀机理，实际工程中采用的一些抗硫酸盐侵蚀措施具有良好的效果。     

外源性石灰石粉对水泥基材料抗碳硫硅钙石侵蚀性能的影响

为研究外掺石灰石粉对水泥基材料抗碳硫硅钙石侵蚀性能的影响,本文采用电场加速侵蚀技术,对不同石灰石粉掺量水泥净浆试件进行低温硫酸盐侵蚀试验,并利用形貌变化、XRD及FTIR测试等手段分析其侵蚀过程。结果表明:外掺石灰石粉掺量越大,水泥基材料发生硫酸盐侵蚀的时间越早、侵蚀进程越快且侵蚀等级越高;外掺石灰石粉掺量不大于15%时,低温硫酸盐侵蚀条件下水泥基材料的侵蚀类型以钙矾石型与石膏型为主;当掺量不小于20%时,将同时发生钙矾石型、石膏型及碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀;为避免水泥基材料在低温硫酸盐侵蚀环境下发生TSA侵蚀,建议外掺石灰石粉量控制在5%以内为宜。     

新疆硫酸盐渍土地区沥青路面鼓胀变形机理研究

依托新疆阿克苏地区的两条公路,在进行公路路面鼓胀病害调查的基础上,选择4个典型病害部位开挖试坑,观察了路面结构层中损坏的情况,同时取样测试了基层及路基填料的含盐量、矿物成分、pH值等,分析了两条公路路面鼓胀病害的产生机理。研究结果表明:公路A(省道)路面基层中的离子以SO_4~(2-)、Ca~(2+)为主,因此发生了钙矾石型硫酸盐侵蚀。公路B(国道)路面基层中Ca~(2+)含量较高,同时含有一定量SO_4~(2-)和CO_3~(2-),因此发生了硅灰石膏型硫酸盐侵蚀。此外,夏季高温条件、水泥中碱含量超标等都加剧了两种硫酸盐侵蚀的发生。最后,根据两条公路病害产生机理,提出了硫酸盐渍土地区路面鼓胀病害的预防措施。     

高钙粉煤灰-矿粉-石膏三元胶凝体系应用研究

利用高钙粉煤灰、矿粉和石膏含有多种膨胀源的特性开发出新型膨胀剂,使混凝土零收缩保持时间由UEA及CAS型膨胀剂的28d左右增加到90d,更有效地克服了硅酸盐水泥自身体积稳定性差的缺陷;此类膨胀剂产生长效膨胀的机理是,高钙灰中的f-CaO产生钙矾石和羟钙石膨胀,矿粉中的f-CaO及MgO产生钙矾石和水镁石膨胀,石膏产生自身膨胀,不同膨胀发生的时期不同.     

高钙粉煤灰-矿粉-石膏三元胶凝体系应用研究

利用高钙粉煤灰、矿粉和石膏含有多种膨胀源的特性开发出新型膨胀剂,使混凝土零收缩保持时间由UEA及CAS型膨胀剂的28d左右增加到90d,更有效地克服硅酸盐水泥自身体积稳定性差的缺陷;此类膨胀剂产生长效膨胀的机理是高钙灰中的f-CaO产生钙矾石和羟钙石膨胀,矿粉中的f-CaO及MgO产生钙矾石和水镁石膨胀,石膏产生自身膨胀,不同膨胀发生的时期不同。     

硫酸钠侵蚀下掺粉煤灰砂浆的体积膨胀规律及其机理研究

体积膨胀是水泥基材料硫酸盐侵蚀的主要劣化模式之一，一般认为体积膨胀的机理是由于外部硫酸根离子与水泥基材料内部水化铝酸钙、单硫型硫铝酸三钙、来水化的铝酸三钙和氢氧化钙等易受侵蚀化合物反应，形成膨胀性的石膏或钙矾石——侵蚀生成物所致。本文采用室温下5％硫酸钠溶液浸泡试验，研究浸泡后砂浆试件的线长度变化，探讨掺粉煤灰水泥砂浆受硫酸盐侵蚀后的体积膨胀规律；采用XRD微观分析和化学分析，揭示其侵蚀机理。试验结果表明，未掺粉煤灰的水泥砂浆在硫酸盐溶液侵蚀下，出现其线长度不断增长的现象．砂浆试件内部膨胀性产物一钙矾石和石膏形成量不断增加，且水胶比越大，其膨胀现象越严重；但掺粉煤灰的砂浆的线长度在9个月内变化很微小，粉爆欢掺量越大膨胀越小。其试件内部膨胀性产物的量很少。且渗入试件内的硫酸根离子SO4^2-的量很少是粉煤灰抑制砂浆膨胀的主要原因。     

外加剂与混凝土耐久性（下）

二、硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀主要是在混凝土硬化后,由水泥中的C_3A与周围环境中的硫酸盐离子反应引起的。C_3A与硫酸盐反应生成钙矾石,而钙矾石生长需要空间,在固体材料内封闭的环境中,钙矾石晶体生长可产生高达240MPa的压力,足以引起周围材料的破坏。根据硫酸盐离子的来源,硫酸盐侵蚀可分为外部侵蚀和内部侵蚀两种。混凝土中含有富硫酸盐成分的材料引起的膨胀、开裂、破坏称为内部硫酸盐侵蚀;混凝土暴露在硫酸盐环境中(如含硫酸盐的污水、地下水或土壤等)产生的侵蚀叫做外部硫酸盐侵蚀。     

温度对掺石粉水泥基材料硫酸盐侵蚀的影响

将水泥-石灰石粉样品置于不同温度质量分数为5%的MgSO4溶液中,研究温度对掺石灰石粉水泥基材料硫酸盐侵蚀的影响.结果表明:温度对掺石灰石粉水泥基材料硫酸盐侵蚀机理及性能退化影响显著.室温(20±1)℃下,样品发生钙矾石/石膏型硫酸盐侵蚀.低温(5±2)℃下,样品发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀,腐蚀产物以碳硫硅钙石、石膏为主,材料性能劣化也更为严重.     

矿物外加剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究和评价

为考察不同矿物外加剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，本文采用ASTMC1202-95A5％Na2SO4溶液浸泡的方法，对掺不同铝含量的耕煤灰及硅灰浸凝土的一年龄期膨胀率进行了研究。试验结果显示，掺入耕煤灰、硅灰等矿物外加剂使混凝土膨胀串大幅度降低，25％耕煤灰和10％硅灰双掺浸凝土其膨胀率仅为对比组的54．5％；试验结果还显示，掺不同铝含量的耕煤灰混凝土膨胀率基本相近，这表明耕煤灰铝含量不一定是影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的主要因素。本文还利用Frearson的评价标准对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行了分析，结果表明掺矿物外加剂浸凝土抗硫酸盐侵蚀性能与用抗硫酸盐水泥配制的混凝土性能相当。     

复合盐侵蚀衬砌喷射混凝土耐久性退化研究

我国西部地区土壤及地下水中含有高浓度、及Cl,与隧道衬砌喷射混凝土发生一系列物理化学反应,造成其结构耐久性能退化。为系统研究复合盐侵蚀喷射混凝土耐久性能退化规律及机理,分别以10%Na2SO4溶液和5%Na2SO45%MgSO43.5%NaCl混合溶液为侵蚀介质,采用干湿交替法,开展喷射混凝土耐久性试验。、及Cl与氢氧化钙和铝相反应生成水镁石、石膏和Friedel盐,延缓钙矾石形成。复合盐侵蚀喷射混凝土物理力学性能退化速度明显小于硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀喷射混凝土以表面水泥砂浆和骨料的剥落为主,复合盐侵蚀主要以表面龟裂最终断裂为主,且裂缝中充满白色结晶盐。分析侵蚀喷射混凝土矿物组成和微观结构,硫酸盐侵蚀喷射混凝土产物主要为钙矾石和石膏,而复合盐侵蚀喷射混凝土产物组成复杂,包括碳硫硅钙石、水镁石、石膏、钙矾石、水化硅酸镁和结晶盐。硫酸盐侵蚀喷射混凝土中含量高于复合盐侵蚀,而混凝土pH值低。     

阿拉尔市区道路盐胀-冻胀变形破坏机理研究

阿拉尔市地处季节性冻土灾害区和严重盐胀灾害区。城市道路在建成后就遭受了严重的盐胀-冻胀变形破坏。本文通过对严重变形破坏路段的路基土与道路两侧绿化带土体的含盐量进行对比检测试验,试验分析认为阿拉尔市区道路的变形类型属于盐胀-冻胀变形。对其盐胀-冻胀变形破坏的原因与机理进行分析研究,提出要解决阿拉尔市道路盐胀-冻胀变形问题,需要在控制路基盐分、含盐量的基础上,必须要考虑地表水及地下水对路基盐胀-冻胀的影响。     

粗粒盐渍土区既有高铁路基变形特性试验研究

为了探究某既有高速铁路路基变形特性,对路基填料进行了基础物理化学试验,得到了颗粒级配、最大干密度、最佳含水率和易溶盐含量等基本工程性质,然后选取典型标段路基填料,分别开展室内单次降温盐胀试验、溶陷试验、冻融循环试验和现场大型溶陷试验。结果表明:该段路基土体在单次降温试验中的最大盐胀率为0.96%,最大盐胀变形量与土样不均匀系数之间存在线性关系,土样最终盐胀量在很大程度上取决于土样级配和硫酸根离子含量; 在最不利工况下土样的最大溶陷系数为0.012,K87+950标段土样最终溶陷量最大,为5.67 mm,最大变形率为4.7%; K87+950标段路基变形量随温度变化呈现V形下降趋势,在第5次冻融循环周期相对融沉量达到最大,7次冻融循环后硫酸根离子沿土样高度呈现M形分布; 土样顶部接近制冷头部位的含水率明显增加,底部含水率减少,20～40 cm高度范围内土样含水率无明显变化,距土样顶部15～30 cm层位范围盐胀变形量最大; 由现场溶陷试验可知,注水量达到30 mm时,K31+000试验点路基溶陷量可达到最终溶陷量的80%,极端降雨不会引起该既有路基发生较大溶陷变形。     

水泥掺量和颗粒级配对碎石基床冻融特性影响的试验研究

基于水泥稳定碎石在寒区高速铁路路基基床中应用的工程背景,借鉴公路行业水泥稳定碎石工程性能评估方法并结合寒区高速铁路路基基床的特点,通过一系列室内试验,深入研究和分析了水泥掺量、颗粒级配对碎石基床压实效果、冻胀性能、渗透性能、冻融耐久性能和温干缩指标的影响规律。研究结果表明:试验配比条件下,水泥稳定碎石基床各项压实指标均满足或超过高铁路基基床压实标准。较大粒径土颗粒的缺失,削弱了水泥稳定碎石试样的冻胀敏感性,提高了渗透性,降低了强度和水稳定性;水泥的掺加有效地弥补了粒径缺失导致的强度降低现象,但却增大了温缩、干缩变形;抗压强度随冻融次数的增加呈现整体衰减的趋势,并在经历10次冻融后趋于稳定。工程实践中,建议选用细粒土含量3%、水泥掺量3%的级配碎石作为非渗水性基床填料,去除0.5 mm以下颗粒、水泥掺量3%的级配碎石作为渗水性基床填料。     

碳硫硅钙石的化学定量分析

基于混凝土中含硫水化产物化学特性的差异,采用氯化钡和氯化钙溶液处理水泥水化浆体样品,将碳硫硅钙石（TSA）与其他含硫水化产物进行分离,进而测得TSA含量.结果表明：采用该方法测定的硫酸钠硫化钙单硫型水化硫铝酸钙（AFm）石膏钙矾石（AFt）TSA混合物中的TSA含量,平均准确率可达92%以上;用该法定量测试了浸泡于硫酸盐溶液中水泥净浆试件的TSA含量,其含量顺序为硫酸镁＞硫酸铝＞硫酸钠.由此可见,用该化学定量法定量碳硫硅钙石可行而且可靠.     

再生微粉混凝土抗冻性及抗硫酸盐侵蚀性能研究

以28 d活性指数为85%的再生微粉按胶凝材料10%、20%、30%加入混凝土中,进行了再生微粉混凝土冻融循环试验及抗硫酸盐侵蚀性能研究。试验结果表明,再生微粉掺量低于20%时,掺量越高,混凝土的抗冻性能越好;通过SEM结果发现,混凝土冻融损坏是因水分子受冻膨胀导致钙矾石结晶裂缝和骨料与晶体间裂缝;再生微粉掺量越高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能越低,且随着侵蚀时间的增加,该效果更加显著;EDS结果表明,干湿循环破坏的混凝土内部S元素急剧增加,形成的碳硫硅钙石膨胀导致混凝土内部产生结构裂缝是混凝土损伤的主要原因。     

冻融循环作用下含盐量对Na_2SO_4土体变形特性影响的试验研究

冻融循环作用下,土体孔隙溶液中的盐分不断结晶与溶解,水分不断冻结与融化,使得含盐土体的变形不断变化。以青藏高原粉质黏土为研究对象,对洗盐后的素土分别加入质量分数为0%,1%,2%,3%的Na_2SO_4盐,研究了封闭系统下Na_2SO_4盐渍土在冻融循环作用下的变形规律。结果表明,在冻融循环过程中,不含盐土体和较低含盐量的土体表现出明显的冻胀融沉现象,且土体的融沉大于其的冻胀。而较高含盐量的土体在冻结过程中,土体的冻—盐胀作用显著,融沉现象却不再明显,甚至消失。利用多孔介质力学的方法,探讨了Na_2SO_4盐渍土在冻融循环作用下土体的变形规律,得出土体的变形由冰水/盐分相变、热胀冷缩、相变过程中的密度变化等引起的变形综合而成。结合Na_2SO_4溶液的性质,还分析了Na_2SO_4的结晶机理,从而为进一步研究盐渍化冻土中的变形机理提供一些参考。     

硫酸钠溶液在降温结晶过程中的盐胀与冻胀

在降温过程中,硫酸钠溶液溶解度降低,硫酸钠结晶析出。当温度降低到一定温度时,除硫酸钠结晶外,溶液中的水也结晶析出。溶液在孔隙中的结晶是导致孔隙介质变形与破坏的主要原因。为探明孔隙介质中溶液结晶导致孔隙介质变形与破坏机理,构建了Na_2SO_4+H_2O二元体系在降温结晶过程中的体积变化率计算方法。该方法依据Na_2SO_4+H_2O二元体系中各相态的平衡浓度计算各相态在不同温度下的含量,进而根据该温度条件下溶液及晶体体积计算体系的体积变化。计算结果与前人试验结果比较发现,计算方法能很好地预测Na_2SO_4+H_2O二元体系在平衡态转化过程中盐胀与冻胀量。此外,在降温冻结过程中,盐胀率远远小于冻胀率;当晶体为Na_2SO_4·7H_2O时,盐胀阶段的体积增长率较小,而冻胀阶段体积急剧增长。     

Experimental research on employed expanded polystyrene (EPS) for lightened sulfate heave of subgrade by thermal insulation properties

In sulfate-rich soils with high sodium sulfate contents, sulfate heave can occur and then generate severe damages to engineering facilities such as pavement, airplane runway due to the hydration of thenardite or crystallization of mirabilite when the temperature is below 32.4 °C. Based on the significant effect of expanded polystyrene (EPS) geofoam in reducing the temperature variations, a comparative experimental investigation on the sulfate heave of subgrade generated by the artificial coarse-grained saline soil with and without EPS material is conducted. Parameters of swell displacement and temperature fluctuation obtained from this comparative experiment are further validated and analyzed. The X-Ray Diffraction (XRD) measurement result is used to demonstrate the performance of EPS in microstructure. Test results indicate that: (1) The presence of crystallized mirabilite is proved within subgrade with saline soil when the temperature drops below 32.4 °C; (2) sulfate heave of subgrade is dependent on temperature fluctuation, but more specifically, on the temperature drop that occurs below 32.4 °C; and (3) EPS thermal insulation can reduce sulfate heave in pavement subgrade by effectively reducing the temperature fluctuation within the subgrade.Ce database subject headingsHeave; Hydration; Salinity; Subgrades; Sulfates; Temperature effects.