隧道衬砌混凝土溶蚀破坏机理及改善方法

围绕隧道衬砌混凝土溶蚀破坏形成机理,分析溶蚀结晶体物相组成,结合混凝土耐腐蚀方法,提出针对性处治措施。结论表明：溶蚀破坏分为软水溶蚀、化学腐蚀和生物侵蚀;溶蚀破坏会引起衬砌渗水,降低结构承载能力,导致粉化劣解,降低使用寿命;为提高抗渗性能,在满足和易性前提下应尽可能降低衬砌混凝土水胶比,提高其本身致密性;还可以适当掺入一定比例硅灰来提高抗腐蚀性能;衬砌混凝土试件在浸泡环氧硅烷渗透剂后,强度增加12.2%,钙离子溶出率下降49.4%,因此可通过在已施工后的混凝土表面喷涂环氧硅烷渗透剂等方法,增强其防水防腐性能。     

混凝土在SO42-和CO32-共同存在下的腐蚀破坏

对西部水工混凝土受地下盐水侵蚀现状进行了现场调查和取样。用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能量色散谱仪和激光Raman光谱等方法研究了实际运行6a龄期混凝土的腐蚀产物。结果发现：在SO4^2-和CO3^2-长期作用下混凝土的腐蚀产物是由硅灰石膏、钙矾石、石膏和方解石组成的一种白色稀泥状混合物,经对该混合物分析证实处于低温、高湿、硫酸盐、碳酸盐条件下,混凝土发生了硅灰石膏型硫酸盐侵蚀破坏。     

碳酸盐和硫酸盐作用下混凝土宏-细观损伤机理

通过对混凝土试件的碳酸盐与硫酸盐盐类侵蚀试验,观察混凝土宏-细观结构破坏特征,总结相对动弹性模量与质量损失变化规律,进而分析混凝土内部结构破坏机理.结果 表明,碳酸盐侵蚀作用下混凝土剥蚀比硫酸盐严重,而且混凝土内部侵蚀产物不同,硫酸钠溶液侵蚀混凝土主要以生成晶体石膏和晶体钙矾石为主,碳酸钠溶液侵蚀混凝土则会在混凝土内部生成大苏打.盐溶液浸泡侵蚀作用下的混凝土质量损失率和相对动弹性模量变化规律都会经历先增大后减小的过程.水灰比对质量损失率的影响大于盐溶液类型,盐溶液对相对动弹性模量的影响大于水灰比.根据实测损伤变化规律,建立了盐类侵蚀条件下混凝土的相对动弹性模量-侵蚀时间方程.     

水泥净浆中氯离子和钙离子耦合传输模型及数值模拟

利用Fick定律及质量守恒定律,并结合钙的固液平衡方程和氯离子吸附结合模型,建立了水泥净浆中氯离子和钙离子的耦合传输模型。通过与已有文献中氯盐-溶蚀耦合腐蚀实验的实测结果进行对比分析,验证了耦合传输模型的合理性,并在此基础上,以氯盐-溶蚀耦合作用下水泥净浆薄板试件为例,利用验证后的模型,计算分析了薄板试件孔溶液中钙离子浓度、自由氯离子含量及孔隙率的时空分布规律。结果表明,试件孔隙率及氯离子传输速率均随着氢氧化钙的溶出而增加,且氯盐-钙溶蚀耦合作用下试件中自由氯离子含量显著高于单一氯盐侵蚀,故钙溶蚀加快了氯离子在水泥净浆内的扩散传输速率。     

低温硫酸盐侵蚀环境中水泥石腐蚀产物

研究了水胶比为0.45,掺35%石灰石粉水泥基材料标准养护28d后在(5±2)℃浸泡于SO2-4质量分数为3.38%的钠盐、镁盐、铝盐3种硫酸盐侵蚀溶液中15周时的破坏状况和强度损失率.采用Fourier红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱以及Raman光谱确定水泥石腐蚀物相和组成.结果表明:镁盐溶液中试件抗压强度损失率最大,其次是钠盐溶液中试件,铝盐溶液中试件抗压强度损失率最小;钠盐溶液和铝盐溶液中水泥石主要腐蚀产物是钙矾石和石膏;镁盐溶液中水泥石主要腐蚀产物是钙矾石、石膏、碳硫硅酸钙和少量水镁石.     

冻融循环下受硫酸镁侵蚀混凝土内腐蚀产物热分析研究

进行了冻融条件下硫酸镁侵蚀混凝土腐蚀试验.采用热分析技术,对侵蚀混凝土内腐蚀产物进行了辨别和定量分析.结果表明:冻融循环与硫酸镁侵蚀共同作用下,混凝土腐蚀产物主要是钙矾石和石膏;混凝土中钙矾石和石膏的含量表层比第二层多,在同一深度处,腐蚀产物的含量随着冻融循环次数的增加而增多,但达到一定的冻融循环次数,表层中钙矾石含量有所降低,且第二层中钙矾石含量大于第一层.     

模拟海水对高性能混凝土浆体的侵蚀作用研究

海水对混凝土的侵蚀作用决定了海洋环境中混凝土结构的服役性能.本文研究了模拟海水对高性能混凝土浆体(掺加粉煤灰、矿渣、硅灰以及石灰石粉的低水胶比浆体)的侵蚀作用,结果表明:矿物掺和料能阻碍海水的侵蚀,却导致浆体的早期强度较低.粉煤灰对后期强度贡献较大,而对早期强度影响最严重;掺加石灰石粉的浆体早期强度较高,但后期强度损失较大;掺矿渣的浆体后期强度损失较大,膨胀率较高;掺硅灰的浆体膨胀率低,强度损失较小.评价综合指标,掺硅灰的浆体整体表现出较好的抗海水侵蚀能力.     

初始损伤对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

为揭示有初始损伤的喷射混凝土在硫酸侵蚀作用下的性能劣化规律,根据超声波波速变化定义初始损伤度,利用压力试验机对混凝土试件进行初始损伤预制,使初始损伤出现5个不同梯度:0.10、0.15、0.20、0.25、0.30。通过干湿循环硫酸盐侵蚀试验,以外观形貌、质量变化率、相对动弹模量作为评价指标,并借助微观形貌分析和化学组成分析,系统研究了初始损伤度对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,探讨了影响机理,建立了初始损伤喷射混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的损伤演化模型。结果表明,在整个侵蚀过程中,随着侵蚀时间的延长,喷射混凝土试件质量和相对动弹模量均呈先增大后减小的变化趋势。初始损伤度为0.10时混凝土受硫酸盐侵蚀过程影响较小,基本可以忽略。初始损伤度超过0.10后,试件在硫酸盐侵蚀作用下的劣化速度加快。经历180个干湿循环侵蚀后,初始损伤度为0.15、0.20、0.25、0.30组试件的质量较基准组分别下降了2.9%、3.4%、4.0%和4.7%,相对动弹模量分别降至0.42、0.34、0.28、0.16。预制初始损伤所产生的砂浆微裂缝和骨料位移为硫酸盐的侵入提供了有利条件,损伤度为0.10的试件表面有少量剥蚀,内部微裂纹较基准组略多,但腐蚀劣化并不严重。损伤度为0.30的试件表皮几乎全部脱落,内部出现了大量贯穿裂缝,裂缝较宽且深,反应产物中石膏和钙矾石晶体衍射峰强度最高,侵蚀损伤最为严重。根据相对动弹模量变化定义侵蚀损伤因子,所建立的损伤模型曲线与试验结果吻合较好,拟合相关系数均在0.94以上,可以较好地反映不同初始损伤喷射混凝土的损伤劣化规律。     

硫-氯耦合侵蚀和钙溶蚀作用下混凝土中物质传输与反应机理的数值研究

混凝土易受硫酸盐和氯盐的耦合侵蚀,且常伴随钙溶蚀作用,会产生严重的耐久性问题。为探明耦合侵蚀工况下混凝土的劣化机理,建立了一套基于化学反应的多离子耦合侵蚀模型,并通过第三方试验验证了模型的可靠性。本模型能够基于不同的初始材料参数和外界离子浓度预测出物质传输和产物分布情况,通过离子渗透深度、时变扩散系数和产物含量等指标研判混凝土劣化进程。同时,模型通过综合考虑钙溶蚀、硫酸盐侵蚀和氯盐侵蚀三者之间的耦合作用揭示了复杂环境因素对混凝土劣化过程的影响。研究发现短期内硫-氯间的耦合作用会抑制2种盐类的侵蚀,而忽略钙溶蚀作用会导致混凝土内部生成的钙矾石量减少但分布更广。基于该模型进一步探讨了环境/材料变量对硫–氯耦合侵蚀的影响,为预防硫–氯耦合侵蚀下混凝土耐久性问题提供理论参考。     

钙矾石对不同价态Cr离子的固化稳定性

通过溶液法合成钙矾石,并借助XRD、SEM、IR等分析测试术,分析比较了钙矾石对不同价态、不同存在方式铬离子(Cr6+和Cr3+)固化机制,及其在冻融、碳化、氯盐侵蚀等不同环境条件下的稳定性.研究结果表明,钙矾石对Cr6+和Cr3+固化机制及其稳定性并不相同.钙矾石对Cr3+有较强固化能力,固化率大于90％;但对Cr6+固化能力较弱,固化率不足50％,且随养护龄期延长,钙矾石对Cr6+固化能力有所减弱.在冻融、碳化、氯盐侵蚀及复合环境条件作用下,钙矾石对Cr3+固化作用影响相对较小,固化率大于80％;对Cr6+固化能力却显著降低,且碳化、冻融、氯盐侵蚀多因素复合对其固化稳定性有极大影响.在冻融循环作用下,钙矾石对Cr6+固化率为l2％;但在碳化作用下,Cr6+固化率仅2.4％.     

粉煤灰与矿渣、硅灰复掺混凝土干湿循环下抗硫酸盐侵蚀性能研究

为探索粉煤灰与矿渣、硅灰复掺混凝土干湿循环作用下的抗硫酸盐侵蚀性能,在室内开展了三组掺合料混凝土在3种不同浓度硫酸根溶液侵蚀以及4种硫酸盐溶液侵蚀下的干湿循环和抗压试验。结果表明:掺合料种类对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响较大,掺入硅灰能明显提升混凝土抗硫酸盐侵蚀能力,复掺15%粉煤灰+30%矿渣+5%硅灰试验组的抗硫酸盐侵蚀能力最强;硫酸根离子浓度越高,生成的钙矾石和石膏量越多,混凝土的抗侵蚀能力越弱;MgSO_4对混凝土的侵蚀能力强于Na_2SO_4,掺入NaCl能减弱硫酸盐的侵蚀能力,混凝土对四种硫酸盐的抗侵蚀能力大小依次为:5% Na_2SO_4+3.5%NaCl>5% Na_2SO_4>5%MgSO_4+3.5%NaCl>5%MgSO_4。     

Mg2+-SO42——Cl-侵蚀衬砌喷射混凝土耐久性能退化机理

盐渍土广泛分布于我国西北地区,其中含有高浓度的Mg~(2+),SO_4~(2–)及Cl~–,导致隧道衬砌结构耐久性能劣化。采用干湿交替法,以10%Na_2SO_4和5%Na_2SO_4+5%Mg SO_4+3.5%NaCl溶液为侵蚀介质,进行了喷射混凝土耐久性试验,以动弹性模量、质量及抗压强度为指标,分析了喷射混凝土耐久性退化规律。采用离子含量分析实验及X射线衍射、红外光谱、热分析、扫描电子显微镜等表征方法,研究了喷射混凝土耐久性退化机理及过程。结果表明:Mg SO_4–Na_2SO_4–NaCl侵蚀喷射混凝土耐久性能优于Na2SO4侵蚀。Mg SO_4-Na_2SO_4-NaCl侵蚀喷射混凝土pH值及Ca~(2+)含量高于Na_2SO_4侵蚀,而SO_4~(2–)含量低于硫酸盐侵蚀。Na_2SO_4侵蚀喷射混凝土耐久性退化过程分为钙矾石侵蚀、钙矾石/石膏共同侵蚀及石膏侵蚀3个阶段;Mg SO4–Na_2SO_4–NaCl侵蚀喷射混凝土耐久性退化过程分为水镁石/石膏/钙矾石侵蚀、水化硅酸钙分解及碳硫硅钙石形成、水化硅酸镁形成3个阶段。结晶盐形成并填充在喷射混凝土孔隙及微裂缝中,加速混凝土耐久性能退化。     

硫酸盐侵蚀下钙矾石的形成和膨胀机理研究现状

钙矾石是水泥混凝土硫酸盐侵蚀过程中的重要产物之一,钙矾石的形成可能会引起混凝土膨胀、开裂,本文在讨论水泥混凝土中钙矾石的形成和形貌的基础上,从钙矾石的形成环境-反应机理-形貌-膨胀机理出发综述了不同反应机制下形成的钙矾石对应的膨胀性能及钙矾石型硫酸盐侵蚀的膨胀机理,最后对钙矾石型硫酸盐侵蚀现状进行了总结.     

超细矿渣粉与硅灰对水泥基注浆材料性能影响机理分析

为提高工业废渣的综合利用率,研制出一种绿色环保高性能的注浆材料。选用超细矿渣粉(UFS)和硅灰(SF)替代一定量的水泥,通过正交试验和极差分析法系统地研究了在不同水灰比下掺入不同含量的超细矿渣粉、硅灰以及聚羧酸减水剂(PCE)对注浆材料性能的影响,并对优化后的浆液和纯水泥浆液进行了性能对比及微观试验。结果表明:当超细矿渣粉质量分数从18%增大到20%时,可以增强浆液流动性能,硅灰可以提高结石体抗压强度并减小浆液泌水率,聚羧酸减水剂对降低浆液黏度具有显著效果;以28 d抗压强度和黏度为主要指标,得到浆液的较优配比为水灰比0.70、超细矿渣粉掺量20%(质量分数)、硅灰掺量12%(质量分数)、聚羧酸减水剂掺量0.16%(质量分数)。优化后的浆液泌水率、抗压强度及抗折强度均优于纯水泥浆液。掺入超细矿渣粉和硅灰后,浆液内部生成了钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)等凝胶,填充了颗粒间的孔隙,使优化后的浆液结石体强度增大。     

青海察尔汗盐湖条件下水泥混凝土侵蚀的试验研究

中国西部察尔汗盐湖是个氯盐为主,同时含硫酸盐的干涸盐湖,对水泥混凝土有严重的侵蚀作用.通过混凝土长期浸泡试验、浸烘循环快速试验等证实,其侵蚀性质分不同部位而异:在卤水中发生石膏型强硫酸盐化学结晶侵蚀;在地面以上30cm以内混凝土内部由于卤水通过毛细管作用上升发生复合侵蚀,混凝土表面氯盐结晶产生物理膨胀侵蚀,混凝土内部发生石膏型强硫酸盐化学结晶侵蚀.通过浸烘循环快速试验发现:含10%微硅粉外加剂、水泥用量大于400kg/m3的高强度、高致密度混凝土,具有很高抗强硫酸盐化学侵蚀和氯盐结晶物理侵蚀的能力.     

在不同溶液中混凝土对氯离子的固化程度

研究了不同粉煤灰、矿粉、硅灰掺量的混凝土在单一氯盐、复合溶液以及青海盐湖卤水溶液中的氯离子结合规律.结果表明:混凝土在氯盐溶液中结合氯离子的产物为Fricdel's盐,其在NaCl腐蚀溶液中的氯离子结合能力最大,复合溶液和青海盐湖卤水溶液中由于硫酸根离子的存在降低了混凝土的氧离子结合能力,且随腐蚀溶液中的硫酸盐浓度增加而降低.普通混凝土在青海盐湖溶液中腐蚀,其氯离子结合能力在0.15左右:粉煤灰、矿渣和硅灰混凝土的氯离子结合能力分别为0.13～0.24,0.25～0.40和0.20～0.34.混凝土中掺加20%粉煤灰,或35%矿渣以及8%硅灰对氯离子具有最大的结合效果.此外,还使用热分析和X射线衍射技术研究了上述规律产生的微观机理.     

低活性铝硅质尾矿基矿物聚合材料的抗化学侵蚀性能研究

以某低活性铝硅质尾矿作为硅铝原料(基质),分别与四种不同的铝校正料复合,在碱硅酸盐溶液激发作用下制备矿物聚合材料;同时将该尾矿与硅灰以及钙质原料(包括矿渣和钢渣)复合制备“免配碱激发剂溶液型”矿物聚合材料.对各试样的抗化学侵蚀性能进行测试,并与普通硅酸盐水泥砂浆试样进行对比;在微观上借助SEM和FTIR对代表性试样进行表征.结果表明,以铝酸盐水泥为铝校正料制备的矿物聚合材料试样经H2 SO4溶液侵蚀后有较多沸石相生成,其抗化学侵蚀性能较为良好;普通硅酸盐水泥砂浆试样经硫酸盐侵蚀后其初期强度有所提高,但后期强度可能会因钙矾石的增多而降低.     

复合盐-干湿循环对高强水泥基材料的侵蚀作用研究

采用XRD和SEM等测试手段研究了高强水泥基材料经过复合盐-干湿循环侵蚀后的抗压强度、氯离子渗透性、物相组成和微观结构等组成、结构与性能特征.结果表明:高强水泥基材料经过80次复合盐-干湿循环侵蚀后抗压强度损失率5.4％、抗氯离子渗透深度7.76 mm,材料抗压强度高达92.8 MPa,高强水泥基材料是一种抗复合盐-干湿循环侵蚀性能良好的海工混凝土材料.高强水泥基材料具有良好抗复合盐-干湿循环侵蚀性能的主要原因是材料具有水灰比小、水泥石致密、抗渗性好、初始强度高、能够形成复合盐侵蚀的水化产物少、可供形成干湿循环侵蚀的结构空间小、抵抗侵蚀产物生长的力强等材料组成、结构与性能特征.高强水泥基材料原料中水泥和硅灰用量分别仅有353 kg/m3和44 kg/m3,应用这一材料可以获得显著的技术经济效益.     

海水侵蚀作用下粉煤灰混凝土抗冻特性研究

通过室内试验方法开展了海水侵蚀作用下粉煤灰混凝土抗冻特性研究,分析了海水侵蚀下抗压强度、质量损失率和相对弹性模量随冻融循环次数和粉煤灰掺量的变化规律。试验结果表明:(1)海水侵蚀作用下粉煤灰混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加呈现出"指数衰减式减小"趋势;(2)混凝土试件的质量损失在冻融循环作用下呈现出了指数增长趋势;(3)海水侵蚀作用下粉煤灰混凝土的弹性模量会随着冻融循环次数的增大而减小;(4)当粉煤灰掺量约为15%,粉煤灰混凝土的抗海水腐蚀与抗冻性能最佳。     

冻融循环作用下锂渣混凝土抗硫酸盐侵蚀研究

基于锂渣的微集料效应和活性效应研究了冻融循环作用下锂渣不同掺量对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能,同时利用扫描电镜和压汞法探究分析了冻融循环作用下锂渣混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的形貌变化和孔结构变化.结果表明:锂渣能有效增加混凝土在冻融循环作用下的抗硫酸盐侵蚀,且随着锂渣掺量的增加,混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越优;冻融循环作用下混凝土在硫酸盐溶液中生成的腐蚀产物是钙矾石,;掺加锂渣能有效改善混凝土的孔结构,掺加30％锂渣混凝土在硫酸盐溶液中冻融循环420次之后的孔隙率为17.9％,而不掺加锂渣混凝土的孔隙率为29.1％.