硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物自愈合性能研究

研究了30%粉煤灰混凝土在4种预加载损伤程度下,于清水和5.0%硫酸盐环境中的裂缝矿物自愈合性能,并对其自愈合产物进行了微观测试。采用相对动弹模量和抗压强度的相对变化来表征裂缝自愈合程度,探讨了5.0%硫酸盐溶液、30%粉煤灰、4种预加载程度和4个自愈合养护龄期对混凝土裂缝矿物自愈合的影响。试验结果表明,5.0%硫酸盐在设计的自愈合养护龄期内可以促进预加载损伤混凝土相对动弹模量和抗压强度的恢复;无论清水还是硫酸盐养护溶液,只有预加载程度较大时,30%粉煤灰对混凝土相对动弹模量和相对抗压强度的恢复才有显著的促进作用;5.0%硫酸盐溶液养护环境中,混凝土自愈合后的相对动弹模量和相对抗压强度的恢复能力都随着预加载程度的增大而逐渐降低,在28d自愈合养护龄期结束后,其混凝土相对动弹模量趋于稳定;微观测试分析结果表明,5.0%硫酸盐环境中的混凝土裂缝矿物自愈合产物成分主要是碳酸钙和少量钙矾石。     

C-S-H凝胶的制备与性能研究

利用水热合成法制备了C-S-H凝胶,重点研究了不同的制备工艺、原材料与钙硅比对C-S-H凝胶结构的影响。经过详尽的X衍射(XRD)与核磁共振(NMR)分析表明,制备的样品都具备C-S-H凝胶的峰型特征;活性反应法相对于沉淀反应法制备的C-S-H凝胶层间距小、聚合度低;证实了C-S-H凝胶的层状结构,且层间距随钙硅比的增大而减小;Q~2/Q~2值与直链平均长度随钙硅比的增大而减小。     

氯离子环境下钙矾石和水化硅酸钙体系铝配位分布

通过化学合成钙矾石和水化硅酸钙,利用XRD、27 Al核磁共振测试手段,研究了氯离子环境下钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶体系中铝配位分布规律。结果表明,在C-S-H凝胶和氯离子共存环境中,第三类水化铝酸盐(TAH)凝胶中六配位铝(Al[6])首先转化为四配位铝(Al[4])进入C-S-H结构,且Al[4]总量不受C-S-H钙硅比限制;同时氯离子不影响Al[6]-TAH向Al[4]转化,当达到C-S-H凝胶容纳Al[4]的极限时,剩余的Al[6]-TAH才与氯离子反应形成Friedel盐(F盐)。TAH比AFt更容易与氯离子反应形成F盐;低钙硅比C-S-H环境不利于TAH与氯离子结合,但利于钙矾石分解并与氯离子反应生成F盐。     

钢渣矿渣基全固废胶凝材料的水化反应机理

以钢渣、矿渣和脱硫石膏为主要原料制备胶凝材料,使用XRD、IR、TG-DTA和SEM等手段探究胶凝材料的水化反应机理,研究了钢渣掺量对全固废混凝土强度的影响,以及胶凝材料浆体的p H值和代表性离子浓度的变化规律。结果表明,当原料质量比为m(钢渣):m(矿渣):m(石膏)=30:58:12时,全固废混凝土3 d、7 d和28 d可以获得较优的强度。随着反应龄期的增加胶凝材料水化溶液的pH值先减小后增大,Ca2+浓度和硅(铝)溶解物的早期浓度较低,后期浓度有所提高。在脱硫石膏的激发下钢渣和矿渣相互促进水化,水化产物以钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶为主。在反应的后期,水化产物的数量迅速增加。针棒状的AFt晶体穿插在C-S-H凝胶内,使硬化浆体的结构更加致密。     

多重响应性P(AAEA-co-DMAA)水凝胶的合成及其性能研究

以具有多重响应性的新型单体4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)和N,N′-二甲基丙烯酰胺(DMAA)为原料,采用溶液自由基聚合法合成了具有多重响应性的水凝胶,研究了凝胶的溶胀行为以及在不同离子强度、温度、pH值条件下共聚水凝胶的响应性能。结果表明,随凝胶中AAEA含量的增加,凝胶的溶胀方式由Fick型转变为非Fick型;凝胶对外界离子强度、温度、pH值的变化产生响应,当NaCl浓度约为0.1mol/L时,凝胶的离子响应性出现较大的突变;随温度的升高,凝胶疏水性增大,85℃时凝胶的保水率只有60%;低pH值时,凝胶收缩,随pH值的增大,凝胶内P-AAEA部分解离加剧,静电斥力使凝胶溶胀。     

电沉积溶液浓度及温度对修复混凝土裂缝的影响

研究了电沉积法修复混凝土裂缝中溶液浓度及温度的影响,测定了电沉积过程中的试件质量增加率、表面覆盖率、裂缝愈合率及裂缝填充深度.结果表明,表面覆盖率、裂缝愈合率随电沉积溶液浓度的增加而降低,而裂缝填充深度随浓度的增加而增大,质量增加率随浓度的变化无明显规律;表面覆盖率随电沉积溶液温度的升高而减小,裂缝愈合率随温度的升高而增大,质量增加率随温度变化的规律不明显,温度对裂缝填充深度的影响较小.     

盐湖卤水侵蚀喷射混凝土衬砌损伤演化

我国西部地区盐湖分布广泛,土壤及地下水中含有高浓度硫酸盐、镁盐及氯盐,其会与衬砌喷射混凝土发生一系列物理化学反应,导致混凝土表面损伤并不断演化,继而造成衬砌结构可靠度下降。为系统研究盐湖卤水侵蚀喷射混凝土损伤形成及演化规律,以5%Na_2SO_4+5%MgSO_4+3. 5%NaCl复合盐溶液为侵蚀介质,采用干湿交替法,分别模拟盐湖卤水及衬砌结构侵蚀方式,开展喷射混凝土损伤演化试验。通过对喷射混凝土侵蚀产物的组成及含量、微观形貌和离子含量进行综合分析,系统研究了卤水侵蚀混凝土的损伤演化机理。结果表明:喷射混凝土中的SO_4~(2-)含量随侵蚀时间的延长而快速增大,Cl~-和Na~+含量缓慢增大,而Ca~(2+)含量和混凝土pH值降低。喷射混凝土卤水侵蚀过程包含水镁石、石膏及钙矾石层形成阶段,C-S-H分解及碳硫硅钙石形成阶段以及水化硅酸镁凝胶形成等三个阶段。期间,结晶盐在毛细孔及微裂缝中不断累积,加速了混凝土的损伤演化。最终,在碳硫硅钙石、水镁石、石膏、钙矾石以及结晶盐所形成的膨胀应力和结晶压力共同作用下,喷射混凝土内部及表面形成网状裂纹,骨料剥落,损伤厚度快速增大。     

喷射混凝土的硝酸侵蚀:孔溶液H+与NO3-的扩散规律及侵蚀机理

一般大气环境下长大公路隧道中,喷射混凝土单层衬砌往往会遭受硝酸侵蚀,导致耐久性恶化及使用寿命降低。本研究以硝酸溶液为侵蚀介质,针对制备的普通喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土和模筑混凝土开展浸泡试验。通过测试混凝土不同深度处孔溶液pH值和NO_3~-含量,分析喷射混凝土硝酸侵蚀过程。对硝酸侵蚀后试件的矿物组成和微观结构进行表征,以研究孔溶液中H~+和NO_3~-的扩散机理。实验结果表明,喷射混凝土孔溶液H~+和NO_3~-含量均小于模筑混凝土,即喷射混凝土抗硝酸侵蚀耐久性更优。侵蚀溶液pH值不大于2时,钢纤维喷射混凝土孔溶液中H~+和NO_3~-含量与普通喷射混凝土差异较小,说明钢纤维对较高浓度硝酸侵蚀环境下喷射混凝土耐久性能的提升作用不明显。针对喷射混凝土硝酸侵蚀机理的分析表明,硝酸侵蚀喷射混凝土的过程可分为水化产物反应、水化硅酸钙凝胶分解和钙矾石及骨料侵蚀等三个阶段。因此,孔溶液H~+在侵蚀早期增长速度快于侵蚀后期;NO_3~-含量则随侵蚀过程的推移而快速增大。     

超长侧链型聚羧酸梳形共聚物对水泥早期水化的影响

选用了一组超长侧链型聚羧酸梳形共聚物作为水泥体系的分散剂,通过水化热测定、强度试验和扫描电镜等表征手段,研究了超长侧链型聚羧酸梳形共聚物分散剂对水泥早期水化的影响.研究发现,超长侧链型聚羧酸梳形共聚物比普通聚羧酸梳形共聚物具有加速水泥水化、提高水泥基材料强度的作用.扫描电镜得到的形貌结果发现,超长侧链型聚羧酸梳形共聚物的掺入改变了水化产物的形貌,并且侧链越长,呈絮状的C-S-H凝胶和呈针状的钙矾石晶体明显增加.这说明超长侧链型聚羧酸加速了C-S-H凝胶和钙矾石晶体的形成,促进了水泥混凝土体系早期强度的形成.     

黄原胶/聚乙烯醇互穿网络水凝胶的电刺激响应行为

以戊二醛为交联剂,制备了黄原胶/聚乙烯醇(XG/PVA)互穿聚合物网络水凝胶,并研究了其吸水率、力学性能和电刺激响应行为。结果表明,在NaCl溶液中,该水凝胶的平衡溶胀比随NaCl溶液离子强度增大而减小,随pH值的增大而增大,当pH≥7时基本保持不变;经离子强度为0.01 mol/L NaCl溶液充分溶胀的XG/PVA互穿聚合物网络水凝胶其弹性模量为0.9844 MPa,拉伸强度为1.5691 MPa,断裂伸长率为1.60;在非接触的直流电场作用下,于NaCl溶液中,该水凝胶发生弯曲,凝胶的弯曲速度和弯曲偏转程度随外加电场的增加而增大;NaCl溶液离子强度对凝胶弯曲行为产生影响,当溶液离子强度I≤0.05时,凝胶向电场负极弯曲,当溶液离子强度I≥0.05时凝胶向电场正极弯曲;在循环电场作用下,其弯曲响应行为具有良好的可逆性。     

黄原胶/聚乙烯醇互穿网络水凝胶的电刺激响应行为EI北大核心CSCD

以戊二醛为交联剂,制备了黄原胶/聚乙烯醇(XG/PVA)互穿聚合物网络水凝胶,并研究了其吸水率、力学性能和电刺激响应行为。结果表明,在NaCl溶液中,该水凝胶的平衡溶胀比随NaCl溶液离子强度增大而减小,随pH值的增大而增大,当pH≥7时基本保持不变;经离子强度为0.01 mol/L NaCl溶液充分溶胀的XG/PVA互穿聚合物网络水凝胶其弹性模量为0.9844 MPa,拉伸强度为1.5691 MPa,断裂伸长率为1.60;在非接触的直流电场作用下,于NaCl溶液中,该水凝胶发生弯曲,凝胶的弯曲速度和弯曲偏转程度随外加电场的增加而增大;NaCl溶液离子强度对凝胶弯曲行为产生影响,当溶液离子强度I≤0.05时,凝胶向电场负极弯曲,当溶液离子强度I≥0.05时凝胶向电场正极弯曲;在循环电场作用下,其弯曲响应行为具有良好的可逆性。     

钢渣粉性能优化及制备无熟料混凝土的试验研究

为提高固体废弃物综合利用率,通过钢渣分段除铁优化试验和钢渣粉对无熟料混凝土抗压强度影响试验,研究以钢渣-矿渣-脱硫石膏作为胶凝材料制备无熟料全固废混凝土。结果表明,经分段磁选可获得金属铁含量低于0.5%的高性能钢渣粉;当钢渣粉比表面积为640m~2/kg,m(钢渣)∶m(矿渣)=1∶2.5时,无熟料混凝土同时获得较优的3d和28d强度。XRD、TG-DSC、IR和FE-SEM分析表明,在脱硫石膏的激发作用下钢渣和矿渣可以相互促进水化,水化产物以AFt(钙矾石)和C-S-H(水化硅酸钙)凝胶为主。早期钢渣水化促进矿渣的解聚并结合脱硫石膏生成AFt网状结构,随着水化反应的进行胶凝体系生成的C-S-H凝胶充填于AFt网络中使硬化浆体结构致密从而保证强度的增长。     

硫酸盐侵蚀下掺稻壳灰混凝土的劣化性能及损伤模型

为证实稻壳灰(RHA)对混凝土硫酸盐侵蚀性能的改善作用,优选出掺RHA混凝土配比,并与普通混凝土(NC)对比,研究质量分数5wt%的Na2SO4溶液侵蚀270天内,表观现象、抗压、抗拉强度、有效孔隙率、动弹性模量等性能指标劣化规律,利用SEM观察硫酸盐侵蚀前后试件微观结构变化。结果表明：随侵蚀时间增加,混凝土试件逐渐局部剥落、体积膨胀;抗压、抗拉强度先提高后急剧下降,有效孔隙率先降低后提高,相对动弹性模量先提高后下降;微观分析表明混凝土水化产物与侵蚀介质反应生成钙矾石和石膏,填充内部孔隙,而随侵蚀进行膨胀性钙矾石与石膏超过内部抗拉强度产生裂隙,引起结构膨胀破坏、力学性能劣化。而RHA掺入混凝土生成水化硅酸钙凝胶,提高材料强度和耐腐蚀性,各阶段掺RHA混凝土劣化程度均优于NC。最终建立损伤本构模型,并与实测值对比,准确性较高。     

用粉煤灰和铁尾矿制备高强混凝土

以粉煤灰和铁尾矿为主要原料制备高强混凝土,用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析材料的水化产物和微观形貌,研究了铁尾矿掺量、水胶比、高效减水剂用量对高强混凝土力学性能的影响。结果表明,混凝土的抗压强度为100.1 MPa,抗折强度为20.6 MPa,固体废弃物掺量达86.4%;在水化过程中大量C-S-H凝胶和钙矾石的生成为细骨料混凝土提供了早期强度,火山灰活性反应对Ca（OH）₂的消耗是混凝土后期强度持续提高的主要原因。     

磺化β-环糊精水凝胶的电刺激响应行为

将β-环糊精用环氧氯丙烷交联制成水凝胶,然后用浓硫酸改性引入-SO3H基团,制备了一种电响应性β-环糊精水凝胶,研究了该凝胶的溶胀性能和电刺激响应行为。结果表明,该凝胶在Na2SO4溶液中其平衡溶胀率随Na2SO4离子强度的增大而减小。在Na2SO4溶液中于非接触直流电场作用下,该凝胶向电场负极弯曲,弯曲速度和应变随外加电压的增大而增大,并随Na2SO4离子强度的增大于0.05处出现最大值。但该水凝胶的电响应行为不受外界溶液pH的影响。在循环电场作用下,其电刺激响应行为具有良好的可逆性。     

钢渣激发脱硫石膏水硬性胶凝材料的研究

研究旨在开发一种以钢渣为碱性激发剂,以烟气脱硫石膏、矿渣粉为主要为原料的脱硫石膏水硬性胶凝材料。该胶凝体系3天抗折强度和抗压强度可达4.4 MPa和15.8 MPa;28天抗折强度和抗压强度可达9.4 MPa和50.7 MPa。其试样的强度随钢渣掺量的增加而增加,而钢渣含量一旦超过8%后,增长幅度变缓,甚至开始降低。XRD和SEM分析表明,脱硫石膏-矿渣-激发剂体系的水化产物主要是钙矾石和C-S-H凝胶。脱硫石膏在水化过程中一部分参与水化形成水化产物钙矾石,其余部分被水化产物所包裹起集料骨架作用。     

利用优化的水渗透试验研究SAPs的裂缝愈合机理

混凝土开裂不利于结构的耐久性,自愈合混凝土是提高混凝土结构裂缝自修复能力的理想材料。本实验借助水渗透装置首次研究了非等宽裂缝中的水流分布和水流速;分析了非等宽裂缝对水渗透试验准确性的影响;利用优化的水渗透试验探究了高吸水性树脂(SAPs)的粒径、裂缝宽度与SAPs愈合效率(Ψ')的关系;基于裂缝中SAPs的形貌分析了SAPs的裂缝愈合机理。结果表明:当水头高度(I)较小时,非等宽模拟裂缝内水流处于不饱和状态,这造成SAPs的Ψ'值被低估;增大I值可提高非等宽裂缝中水流的饱和程度,进而增加所测试Ψ'值的准确性。拌合过程中SAPs的吸水能力(α)和裂缝宽度是影响Ψ'值的关键因素。L型和M型SAPs的α值较大,其膨胀后可部分或完全填充初始孔洞处的裂缝;而S型SAPs的α值和初始粒径较小,其膨胀后难以有效堵塞裂缝。     

钢渣激发脱硫石膏水硬性胶凝材料的研究

研究旨在开发一种以钢渣为碱性激发剂,以烟气脱硫石膏、矿渣粉为主要为原料的脱硫石膏水硬性胶凝材料。该胶凝体系3天抗折强度和抗压强度可达4.4 MPa和15.8 MPa;28天抗折强度和抗压强度可达9.4 MPa和50.7 MPa。其试样的强度随钢渣掺量的增加而增加,而钢渣含量一旦超过8%后,增长幅度变缓,甚至开始降低。XRD和SEM分析表明,脱硫石膏-矿渣-激发剂体系的水化产物主要是钙矾石和C-S-H凝胶。脱硫石膏在水化过程中一部分参与水化形成水化产物钙矾石,其余部分被水化产物所包裹起集料骨架作用。     

矿渣-石膏净浆硬化体碱度降低方法探讨

研究了添加无水硫铝酸钙(HCSA)和标准养护、碳化养护对矿渣-石膏胶凝材料净浆硬化体试样碱度的影响,比较了标准养护、碳化养护后试样经人工海水浸泡后的碱度及其周围海水pH值的变化.研究表明,碳化养护能明显降低试样整体碱度和净浆试样周围海水的pH值;适量添加无水硫铝酸钙能促进钙矾石生成,进而降低试样碱度.根据XRD结果探讨了试样碱度变化的机理.     

硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体C-(A)-S-H凝胶结构的影响

C-（A）-S-H凝胶的结构不仅受水泥基材料自身组成的影响,更受其所处环境的影响。本文利用固体核磁共振（NMR）并结合去卷积技术,探究硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体中C-（A）-S-H凝胶结构的影响。结果表明:硫酸盐侵蚀过程中,前期进入凝胶中的Al3+后期又会脱出,使凝胶中四配位铝（Al[4]）/Si比值降低。侵蚀溶液pH值的降低促进了凝胶中Al[4]的脱出,使Al[4]的峰位向负值移动;同时也促进了[SiO₄]（[AlO₄]）四面体间的聚合,使C-（A）-S-H凝胶平均分子链长（MCL）增加。此外,侵蚀溶液pH值的降低,促进了浆体的水化,但抑制了浆体中钙矾石（AFt）的生成。