混凝土在海洋环境下硫酸盐侵蚀机理研究

对不同配合比混凝土试件在不同海洋区域内进行现场暴露试验,通过硫酸根离子含量测定、SEM扫描电镜试验及X荧光试验,研究实际海洋暴露环境下混凝土内部硫酸盐侵蚀机理。试验结果表明,不同暴露环境下硫酸根作用机理不同,混凝土在不同暴露区域硫酸盐侵蚀程度为潮汐区水下区浪溅区;硫酸根离子由混凝土表层向内部传输,在表层范围内硫酸盐腐蚀产物主要是钙矾石,随着硫酸根离子传输深度增加以及内部游离CaO水化成Ca(OH)2,混凝土硫酸盐损伤程度加剧;混凝土表层SO42-和Ca2+含量较高,而混凝土内部Na+含量较高。     

硫酸盐侵蚀混凝土扩散理论模型研究进展

硫酸盐侵蚀混凝土是研究混凝土结构耐久性的主要问题之一。混凝土内部的硫酸根离子与水泥水化产物发生反应形成石膏和钙矾石,这些可能会影响混凝土内部的孔隙结构的变化和造成结构损坏。从硫酸根离子进入混凝土内部的扩散机理来阐述硫酸盐侵蚀混凝土的研究进展,介绍了国内外典型扩散理论模型的提出,分析了现有理论模型所存在的问题,并提出硫酸根离子扩散过程中的随机性。     

硫酸盐侵蚀下轴心受压钢筋混凝土柱应力时变过程的数值分析

针对荷载和硫酸盐耦合作用过程中钢筋混凝土柱的应力分析问题,在已有混凝土内硫酸根离子扩散反应模型的基础上,进一步给出了硫酸盐侵蚀引起的混凝土损伤程度与硫酸根离子浓度及腐蚀时间之间的关系,建立了与损伤程度相关的混凝土腐蚀本构模型及轴压混凝土柱截面应力的计算方法,并通过数值模拟分析了柱截面内硫酸根离子传输、腐蚀损伤程度变化、截面应变和应力分布规律。结果表明:硫酸根离子浓度和混凝土损伤程度在柱截面内呈梯度分布,且受二维交互效应的影响明显;随腐蚀时间的增加,截面损伤区逐渐向内移动且其宽度增加,而混凝土应力在损伤区呈先增加后逐渐降低、在未损伤区基本呈线性增加的趋势。硫酸盐侵蚀过程中,轴压混凝土柱截面应力发生了明显的重分布现象。     

硫酸盐侵蚀下混凝土抗压承载力退化过程的数值分析

针对硫酸盐侵蚀下混凝土结构的承载力退化问题,以混凝土柱为研究对象,利用Fick定律和化学反应动力学原理,给出了硫酸根离子在混凝土截面内的二维扩散反应模型;根据硫酸盐侵蚀混凝土的损伤机理及已有的硫酸盐侵蚀试验结果,获得了混凝土强度损伤程度与硫酸根离子浓度及侵蚀时间之间的关系;通过平截面假定,建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土柱轴向抗压承载力时变模型及其数值计算方法,并将该模型的计算结果与已有硫酸盐侵蚀混凝土的试验结果进行对比分析,验证了该时变模型及数值计算方法的正确性;最后,利用所建立的模型,对一素混凝土柱中硫酸根离子传输、混凝土强度损伤和轴向抗压承载力退化过程进行了数值分析。     

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。     

酸腐蚀下混凝土性能的变化

根据酸雨的特点配制了5种具有不同pH值、不同硫酸根离子浓度的酸性溶液,研究了混凝土在干湿循环、酸性溶液侵蚀30 d到150 d强度的变化、表层混凝土的吸水性以及其孔结构的变化。经过含有硫酸盐溶液的侵蚀后,混凝土强度的变化经过一个先降后升、然后再降低的过程;而经过不含硫酸盐溶液的侵蚀后,混凝土的强度持续下降。受不含硫酸根离子的酸性溶液侵蚀后,表层混凝土的孔隙结构变化较大,孔隙率增加、孔径增大。硫酸盐侵蚀产物的形成过程与混凝土的宏观性能的变化密切相关。     

海洋环境下混凝土的硫酸盐腐蚀机理

海水中存在的硫酸根离子传输至混凝土内部将导致其腐蚀破坏。针对矿粉掺量0～65%的C40引气混凝土进行海洋潮汐区、大气区和水下区腐蚀1～2a,测试其水溶和酸溶硫酸根离子浓度分布;分析水泥净浆中的腐蚀产物类型及含量。试验结果表明:海洋不同腐蚀区带混凝土中硫酸根离子传输量及传输深度排序为:潮汐区水下区大气区。混凝土中反应硫酸根离子与总硫酸根离子的关系服从线性函数分布,反应量占总硫酸根离子量的90%以上,反应的硫酸根离子量随腐蚀龄期增加而增加。海洋潮汐区和水下区生成的腐蚀产物量高于大气区,主要是钙矾石和石膏;海洋大气区暴露混凝土的腐蚀产物为钙矾石。对于P.I.52.5水泥制备的C40混凝土而言,掺加65%的矿粉有助于提升混凝土抗海洋硫酸根离子侵蚀能力。     

海洋浪花飞溅区混凝土硫酸盐侵蚀试验研究

对混凝土试件进行海边暴露试验,研究海边浪花飞溅区域混凝土硫酸盐侵蚀试验,利用分光光度计法测定硫酸根离子的含量。试验结果表明,混凝土中总硫酸根离子浓度随着腐蚀龄期的增加而升高,但后期增加幅度逐渐降低;混凝土中总硫酸根离子浓度因水胶比、水泥用量不同而不同;掺加矿物掺合料可以明显改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。     

氯盐、杂散电流共同作用下水泥基材料中硫酸根离子迁移行为的研究

通过加载杂散电流,以硫酸钠、硫酸钠-氯化钠作为腐蚀溶液,模拟地铁主体结构(钢筋混凝土)所处腐蚀环境。采用3%NaCl+5%Na_2SO_4复合腐蚀溶液,研究电场作用下水灰比对硫酸根离子迁移行为的影响,通过在5%Na_2SO_4腐蚀溶液中掺加不同量的氯化钠,探究氯盐掺量对硫酸盐侵蚀过程的影响。采用硫酸钡质量法测定硫酸根离子的含量,并运用XRD、DTG微观测试技术分析硫酸根离子的侵蚀机理。结果表明:杂散电流作用下,随着水灰比的增大,侵入净浆试件中的硫酸根离子含量增加;腐蚀溶液中氯盐掺量的增加,使试件内部的硫酸根离子含量降低,并且氯盐、杂散电流共同作用下硫酸盐对试件的侵蚀破坏是钙矾石和石膏共同作用的结果。     

氯离子对硫酸根离子在混凝土中扩散的影响

研究了不同氯离子浓度对硫酸根在混凝土中扩散的影响,以单一硫酸根离子浓度溶液、不同氯离子浓度与硫酸根离子为复合溶液作为侵蚀溶液对混凝土试块进行连续浸泡,采用比浊法对一定龄期的混凝土中的硫酸根离子含量进行测定,结果表明:氯离子的存在并不改变硫酸根在混凝土中的扩散规律,即硫酸根随着侵蚀深度的增加含量逐渐减少;氯盐浓度变化对硫酸根在混凝土中的扩散速度有较大的影响,硫酸根在混凝土中扩散速度随着氯盐浓度的增加而下降。     

干湿循环作用下再生混凝土中硫酸盐传输性能研究

研究了在干湿循环作用下,硫酸根离子在再生混凝土中的传输规律。采用分光光度计法定量表征不同深度处的水溶硫酸根离子浓度,研究再生粗骨料取代率(0,30%,50%,70%,100%)、矿物掺合料、水胶比、腐蚀龄期及干湿循环制度对其传输规律的影响。结果表明,再生粗骨料的掺入对硫酸盐传输有较为明显的影响。试验还表明,硫酸盐-干湿循环耦合作用下,粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可阻碍硫酸根离子在再生混凝土中的传输,再生混凝土水胶比越小其水溶硫酸根离子浓度越小。随着腐蚀龄期增长,再生混凝土水溶硫酸根离子浓度大幅增加。与单一盐溶液侵蚀相比,干湿循环加剧了硫酸根离子在再生混凝土中的传输,其水溶硫酸根离子浓度随着循环次数的增加而增大。     

基于改进的Tixier模型的受硫酸盐侵蚀混凝土排污管道耐久性分析

为研究混凝土排污管道在硫酸盐侵蚀下的腐蚀破坏情况,基于化学反应原理考虑侵蚀前沿侵蚀产物对毛细孔隙率的填充影响,在现有数值模型基础上提出一种计算侵蚀过程中毛细孔隙率的时变函数,以获得不同侵蚀阶段混凝土内部毛细孔隙率的变化情况。通过数值算例,分析不同时刻排污管道管壁内的毛细孔隙率、离子浓度分布以及膨胀应力发展情况。数值结果表明:(1)孔隙率时变模型可很好的反应侵蚀过程中各阶段毛细孔隙率的变化情况;(2)对于同一侵蚀时间,管壁内侵蚀离子浓度分布在考虑填充作用对孔隙率的影响与不考虑其影响两种情况下有着明显差别,填充作用使得侵蚀前沿混凝土密实度提高、孔隙率减小,一定程度上阻止了硫酸根离子向混凝土内部的扩散;(3)管壁内膨胀应力的发展也由于填充作用的存在得到减缓。     

氯盐硫酸盐对水泥基材料的复合侵蚀破坏

研究了氯盐和硫酸盐对水泥基材料的复合侵蚀破坏.结果表明:侵蚀过程中试件的质量变化率与膨胀率之间呈指数关系,氯盐降低了硫酸盐侵蚀过程中试件发生膨胀破坏的风险,这是因为氯盐抑制了硫酸根离子向试件内部的传输,同时削弱了硫酸根离子与水泥矿物的化学结合能力,减少了膨胀性侵蚀产物的生成量;另外氯离子能优先与C3A反应,生成的Friedel’s盐会填充试件孔隙,使孔径细化,进一步限制硫酸根离子参与反应的能力.     

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。     

复合因素作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理

通过微观和宏观观测,综合揭示了单独硫酸钠溶液侵蚀、亚高温水淬循环和硫酸钠溶液侵蚀交替进行、碳化和硫酸钠溶液侵蚀交替进行3种工况下混凝土受侵蚀劣化规律.研究结果表明:3种工况的主要侵蚀产物均为钙矾石,没有明显检测到石膏和碳硫硅钙石;与单独硫酸钠溶液侵蚀相比,亚高温水淬循环作用加剧了硫酸根离子向混凝土内部的扩散传输,从而造成其强度的显著劣化;碳化层的存在在一定程度上减轻了硫酸根离子的扩散传输,但碳化和硫酸钠溶液侵蚀的交替作用仍导致了混凝土抗压强度下降.     

钡盐对混凝土抗硫酸盐侵蚀的有效性研究

通过一年的浸泡试验,系统研究了钡盐对混凝土抗硫酸盐侵蚀作用的有效性.结果表明,钡盐对混凝土硫酸盐侵蚀破坏的改善作用与其种类和掺量有关.其中,掺量小于1.0%的氢氧化钡能改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能.氢氧化钡改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的机理是通过生成适量的BaSO4来降低SO42-离子浓度并细化毛细孔的孔径,达到降低石膏和钙矾石晶体的生成速度,进而起到延缓混凝土硫酸盐侵蚀破坏的速度.     

混凝土中钙矾石的形成

钙矾石不仅是水泥重要的水化产物之一，也是混凝土遭受外界硫酸盐侵蚀的主要产物。经过高温养护的混凝土在后期也会重新形成大量的钙矾石，而且早期生成的钙矾石并不稳定，容易发生重结晶。对混凝土而言，从加水搅拌到以后的养护、使用过程中可能始终伴随着钙矾石的形成。本文对混凝土中钙矾石的形成方式进行了归纳，阐述了钙矾石的不同形成机理，并探讨了钙矾石的形成条件及影响因素。     

混凝土硫酸盐侵蚀影响因素及预防措施

概述了混凝土硫酸盐侵蚀的种类,包括钙矾石型、石膏型及硫镁型等,研究了混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素,包括侵蚀溶液种类、浓度、PH值,环境条件及混凝土组成,并提出了相应的预防措施,从而为混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀提供指导和依据。     

带初始损伤混凝土受硫酸盐侵蚀劣化的机理分析

通过测量混凝土的质量变化量和相对动弹性模量,研究了带初始损伤混凝土在干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀的劣化规律,同时利用压汞法(MIP)、扫描电镜(SEM)和电子能谱技术(EDS),探究分析了含初始损伤混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的孔结构和腐蚀产物组分的变化.结果表明:随着初始损伤度的增加和水灰比的增大,混凝土受硫酸盐腐蚀劣化加剧;损伤度为20%的混凝土受硫酸盐侵蚀150d后的相对动弹性模量降低至12.3%,试件部分表面剥落;大掺量矿渣混凝土抗硫酸盐侵蚀能力提高;随着腐蚀时间的增加,混凝土孔隙率增大,大孔数量增多;高水灰比混凝土内部腐蚀产物主要是石膏,低水灰比混凝土内部腐蚀产物主要是钙矾石.     

混凝土中氯离子-硫酸根离子耦合传输模型研究

海水中同时具有丰富的氯离子和硫酸根离子,处于海洋环境下的混凝土实际上遭受氯离子和硫酸根离子的复合侵蚀。通过同时考虑硫酸根离子化学反应的填充效应对氯离子在混凝土中传输过程的影响,以及氯离子与水化产物的化学结合对硫酸根离子在混凝土中传输过程的影响,建立了混凝土中氯离子-硫酸根离子耦合传输模型,并基于试验数据对模型进行了验证。分析表明,与不考虑离子间相互影响的单一离子传输模型相比,建立的氯离子-硫酸根离子耦合传输模型的计算结果与试验结果更为接近,能更好地表征混凝土中遭受氯离子和硫酸根离子复合侵蚀的过程。