混凝土中氯盐-硫酸盐耦合侵蚀的化学-损伤-传输模型研究进展

服役于氯盐和硫酸盐耦合环境的钢筋混凝土结构,很容易因为氯盐和硫酸盐的侵蚀引起性能退化。本文从氯盐和硫酸盐的侵蚀机理出发,系统地分析了硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤前后氯离子和硫酸根离子的扩散-结合过程。基于经典的扩散-反应模型以及化学-损伤-传输理论框架,详细阐述离子活度、环境温湿度、微观结构、钙溶蚀等因素对化学-损伤-传输体系的影响,并从热力学角度介绍了氯离子和硫酸根离子耦合传输的热力学模型。基于上述分析,对目前研究存在的问题进行了展望。     

干湿循环作用下粉煤灰对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一.通过外观、抗压抗蚀系数、抗折抗蚀系数和膨胀率等宏观性能,研究了干湿循环作用下混凝土抗硫酸钠和抗硫酸镁侵蚀性能,并基于侵蚀产物相和孔结构结果分析了粉煤灰对其抗侵蚀性能的影响机制.结果表明:在硫酸盐和干湿循环两者共同耦合作用下,干湿循环的作用是促进硫酸盐的结晶,加速混凝土破坏.粉煤灰掺量为15％时砂浆抗侵蚀的性能最好,随着粉煤灰掺量继续增加,砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能明显降低.与硫酸钠溶液劣化规律相对比,镁离子的存在减缓了砂浆的劣化破坏速度,砂浆的盐结晶损伤减轻,其原因在于侵蚀溶液中的氢氧根离子会与镁离子反应生成氢氧化镁沉淀在砂浆表面,抑制了硫酸根离子的向内扩散.     

复杂环境下粉煤灰水泥石的离子浓度分布与维氏硬度劣化规律

地铁工程混凝土结构处于硫酸盐、氯盐及杂散电流共存的复杂环境。本文针对地铁工程环境下混凝土的耐久性问题,研究了硫酸盐、氯盐及电场共同作用下,粉煤灰掺量对水泥石内硫酸根离子浓度分布、氯离子浓度分布和维氏硬度分布的影响,并基于Logistic函数建立维氏硬度预测模型,最后采用XRD分析了水泥石劣化的机理。结果表明:随侵蚀深度的增加,水泥石内硫酸根离子浓度不断降低,氯离子浓度呈现先增后降的趋势;侵入水泥石的氯离子和硫酸根离子的含量都随粉煤灰掺量的增加而先减后增,当粉煤灰掺量为10%(质量分数)时,侵入水泥石的氯离子与硫酸根离子的含量最低;被侵蚀后的水泥石内维氏硬度分布分为劣化区、增强区和完好区三个区域;预测模型可以准确表征水泥石内维氏硬度分布规律;适量粉煤灰的掺入可以减少受侵蚀后试件内的钙矾石(AFt)和石膏含量。     

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。     

干湿循环与盐湖卤水侵蚀共同作用下喷射混凝土的劣化及其机理

通过对比普通混凝土、普通喷射混凝土和钢纤维喷射混凝土在(干湿循环+盐湖卤水侵蚀)共同作用下的外观形貌、抗压强度、物相组成和微观结构,研究了喷射混凝土的劣化及其机理.结果表明:(干湿循环+盐湖卤水侵蚀)150次时,普通混凝土外观形貌破损严重,喷射混凝土外观形貌较完整;普通混凝土抗压强度＜普通喷射混凝土＜钢纤维喷射混凝土;钢纤维喷射混凝土表层微观结构较为致密且存在CH,侵蚀产物石膏在侵蚀后期发生了二次反应;其劣化侵蚀机理包括NaCl、MgCl2、Na2SO4和MgSO4的物理结晶侵蚀及碳酸盐、硫酸盐和镁盐的化学侵蚀,但未发现氯盐的化学侵蚀产物,而喷射混凝土中还发生碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀.     

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。     

冻融循环与硫酸盐溶液耦合作用下混凝土劣化机理试验研究

基于多尺度研究了浓度为10％和15％硫酸盐溶液与冻融循环耦合作用下混凝土的劣化机理.从混凝土质量,抗压强度,相对动弹性模量时变规律等宏观力学指标探究了混凝土损伤劣化机制;运用CT技术和扫描电镜(SEM)技术从细微观角度研究了冻融循环与硫酸盐溶液耦合作用下混凝土的侵蚀劣化规律.研究结果表明:宏观上混凝土试样的质量损失总体呈现初期增加随后小幅下降后期快速增加的趋势、单轴抗压强度先增大后减小的变化规律;在高浓度溶液中的试样相对动弹性模量下降速率呈现出先快后慢的变化规律,在低浓度溶液中的试样相对动弹性模量下降速率开始比较缓慢随着冻融次数增加慢慢趋近于高浓度溶液中试样.细观上通过CT技术发现试样的孔隙率随着冻融次数的增加呈现先减小后增大的趋势,内部微裂纹逐步扩展直至贯通.微观上运用扫描电镜(SEM)观察到试样裂缝和孔洞内壁处生成了钙矾石和石膏,并由于其膨胀力使得混凝土结构酥松.硫酸盐侵蚀和冻融循环耦合作用下混凝土劣化过程有两个阶段:在前期硫酸盐能降低冻融循环对混凝土的劣化,在后期硫酸盐侵蚀产物膨胀力、结晶盐产生的结晶压力和冻融产生的冻胀力共同作用使混凝土加速劣化.     

硫酸盐-氯盐侵蚀下混凝土的渗透性能研究

随着我国经济的快速发展,海洋混凝土结构长期安全地使用成为工程界关注的重点。在复杂的现实条件下,硫酸盐及氯盐侵蚀已经成为混凝土耐久性失效的主要原因之一,因此研究混凝土在侵蚀作用下的渗透性能是非常有意义的,本文系统研究了硫酸盐-氯盐侵蚀混凝土的渗透性能,主要研究成果如下:在侵蚀不同的时刻,分别对混凝土同一深度下的氯离子及硫酸根离子质量百分比进行测定,得到了混凝土中侵蚀离子的扩散规律,给出了硫酸根离子、氯离子侵蚀规律与腐蚀作用时间的相互关系。     

基于微生物矿化作用的混凝土自愈合性能研究进展

混凝土材料在实际服役阶段常常受到力学和环境因素的耦合作用,因"湿–热–化学–力"复杂应力使其内部较易产生微裂缝,有利于水分及腐蚀性离子的侵入,从而加速了钢筋混凝土结构耐久性劣化过程。为了延缓严酷环境下混凝土力学及耐久性能劣化过程,目前学者们通过微生物矿化技术对混凝土裂缝自愈合机理展开了大量研究。基于混凝土自愈合机理,针对微生物愈合的实现方式及其对耐久性的影响,对矿化作用下水泥基材料微生物自愈合研究进行了总结和讨论,最后综述了不同类型微生物诱导碳酸钙沉淀技术在水泥基材料中的应用。     

不同侵蚀环境下喷射混凝土耐久性提升技术及作用机理

为了揭示不同侵蚀环境下喷射混凝土的钙溶蚀行为,并探究羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰对喷射混凝土抗侵蚀性能的影响,本文通过抗压强度及腐蚀溶液钙离子浓度测试对比了氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下喷射混凝土的强度损失率和钙离子溶出率的时变规律,并采用TG分析改性喷射混凝土侵蚀前的孔结构和可溶固相钙含量,最后采用XRD和SEM测试分析混凝土侵蚀后的物相组成和微观形貌。结果表明,复合盐侵蚀作用下较多钙矾石等腐蚀产物填充孔隙,导致混凝土强度损失和钙离子溶出率均低于氯化铵溶蚀。氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下,喷射混凝土的强度损失率与钙离子溶出率呈线性相关。4%(质量分数)侵蚀抑制剂+2%(质量分数)硅灰复合的作用效果较佳,可使喷射混凝土复合盐侵蚀28 d后的强度损失率和钙离子溶出率分别较空白组降低46.7%和50.9%。羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰均可通过细化混凝土孔结构、降低氢氧化钙和钙矾石含量来提升喷射混凝土的耐久性。     

盐渍土环境下混凝土耐久性研究进展

盐渍土的有害离子与环境多因素耦合作用下对混凝土材料造成腐蚀或损伤,引起混凝土结构性能的劣化,严重威胁各类建(构)筑物的耐久性及服役期间的安全性.本文介绍了盐渍土环境中混凝土材料被腐蚀或损伤机理;总结了近年来氯离子、硫酸盐、以及多因素耦合作用下混凝土耐久性的研究成果;并且对盐渍土的有害离子与环境多因素耦合作用下对混凝土耐久性的研究进行了展望.     

硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤层与微观研究

混凝土损伤层性能劣化规律对研究硫酸盐侵蚀作用下混凝土耐久性具有重要意义.采用超声波平测法,研究了硫酸盐与干湿交替作用下不同水胶比混凝土的损伤层厚度变化规律,从损伤层角度分析了混凝土的损伤劣化特点与性能退化规律,并采用X衍射方法对混凝土中的主要侵蚀产物进行分析.研究结果表明:随着水胶比增大,混凝土中钙矾石和石膏不断增多,氢氧化钙含量逐步减小,宏观表现为混凝土损伤层中超声波速逐渐减小,损伤层厚度增大.当混凝土损伤层越厚、声速越低时,表明其密实度降低,损伤劣化程度增大.通过测量混凝土损伤层厚度,可以有效判断硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤劣化情况.     

干湿交替对混凝土中氯离子分布影响的多相耦合数值分析

钢筋混凝土结构的耐久性会因为氯盐侵蚀而受到严重影响.为研究环境湿度对混凝土中氯离子分布的影响,建立了多相耦合的氯离子侵蚀模型,利用数值模拟方法探讨了氯离子侵蚀过程随环境湿度变化的规律.结果表明,环境湿度的改变不仅使混凝土中含水率产生变化,而且对混凝土中氯离子的分布产生显著影响,尤其是会引起孔隙中盐分结晶,这是混凝土性能...     

抗硫剂和粉煤灰复掺技术配制C30抗硫酸盐混凝土的应用

在盐渍地区,硫酸盐侵蚀是导致混凝土耐久性变差的一个重要因素,提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能是对混凝土耐久性设计要求的重要组成部分。从混凝土自身角度出发,通过引入粉煤灰和抗硫剂优化混凝土的材料和结构组成,提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。试验结果显示:粉煤灰掺量达到20%时,混凝土的抗蚀系数K最大,质量损失最小;随着抗硫剂掺量增加,混凝土的抗蚀系数K逐渐增大,质量损失逐渐减小。     

防腐阻锈剂对混凝土性能影响试验研究

将防腐阻锈剂按照不同比例等量取代普硅水泥配制混凝土,研究其对混凝土抗压强度、抗硫酸盐侵蚀系数、氯离子渗透系数、腐蚀电量等性能指标的影响,并通过SEM扫描电镜观察混凝土3 d、7 d、28 d的水泥水化产物形貌.研究结果表明:掺入防腐阻锈剂后,混凝土的工作性能、后期力学性能、抗硫酸盐侵蚀性能、氯离子渗透性能、抗氯盐侵蚀性能明显优于基准混凝土;防腐阻锈剂的掺入消耗了水泥中的C3A、水泥水化产生的Ca(OH)2,生成钙矾石和C-S-H凝胶,产生微膨胀效应使混凝土结构更加致密,提高了抗硫酸盐、氯盐侵蚀性能.     

盐蚀条件下沥青混合料路用性能研究

盐蚀环境对沥青路面耐久性的劣化作用具有普遍性和直接性.采用车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验研究了不同浓度盐溶液短期浸泡条件下沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性;采用干湿循环加速试验,进一步探究了沥青混合料在不同浓度硫酸盐与氯盐溶液介质中的耐久性能变化规律,并构建了相应的Logistic模型;借助扫描电镜(SEM)微观分析手段,探讨盐蚀条件下沥青混合料性能劣化机理.结果表明:随盐溶液浓度增大,沥青混合料路用性能损伤程度亦随之增大;相较于盐水浸泡环境,干湿循环条件下沥青混合料的强度损失大大增加,尤以硫酸盐劣化效果较为显著;盐溶液渗入沥青混合料空隙和裂缝中发生的结晶型侵蚀是导致沥青混合料性能劣化的主要诱因;Logistic模型能较好反映出沥青混合料耐久性变化规律.研究成果可为富盐地区沥青混合料材料组成设计提供有益参考.     

干湿交替作用下碱激发混凝土氯盐侵蚀性能

“零”水泥制备的碱激发混凝土(AAC)因其具有快硬高强、耐久性好等优异性能,已被认为是一种具有广泛应用潜力的新型绿色胶凝材料。氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀从而导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要原因之一,尤其是在海洋干湿循环区域。因此,开展干湿交替作用下AAC的氯盐侵蚀性能分析对其耐久性理论的发展具有重要意义。将AAC与C50混凝土进行对比,通过自设计的干湿循环全自动实验装置,研究了干湿循环时间比(3.0:1.0、11.0:1.0、85.4:1.0)和暴露时间(30、90、180 d)对AAC氯盐侵蚀性能的影响;基于此,建立了干湿循环作用下氯盐侵蚀理论模型,并进行数值计算与模型验证。结果表明：AAC氯离子含量明显少于C50混凝土,这是由于AAC具有较小的孔隙率和致密的孔隙结构,内部的孔径明显小于C50混凝土,从而表现出更好的抗氯盐侵蚀性能;随着干湿循环时间比的增加,混凝土表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数都呈现先增大后减小趋势;经验证,利用所建立的干湿循环作用下非饱和混凝土氯离子传输模型的数值计算结果与试验结果吻合较好。     

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.     

氢氧化钡对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一。本文通过砂浆质量、超声波传播速度、抗压强度等宏观性能研究了不同氢氧化钡掺量对砂浆试件抗硫酸盐侵蚀性能的影响,并基于差示量热分析(DSC-TG)和X-射线衍射分析(XRD)对侵蚀产物相进行分析,探究氢氧化钡掺量对其抗侵蚀性能的影响机制。研究结果表明：在硫酸钠侵蚀环境下,早期形成的石膏类侵蚀产物会填充在水泥基材料的孔隙中,导致质量、超声波传播速率和抗压强度呈现早期增长,后期大量石膏的形成会导致其宏观性能快速降低;氢氧化钡掺量在1%以内时能够提高砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能,当氢氧化钡掺量为1.5%时,砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能急剧下降;掺入一定量的氢氧化钡能够与侵入的硫酸根离子发生反应形成BaSO₄,可降低侵蚀产物石膏的形成,使其抗侵蚀性能得到了提升。     

双掺矿渣-粉煤灰对轻骨料混凝土耐久性影响试验研究

为缓解沿海地区混凝土结构受冻融循环及硫酸盐侵蚀复合作用而发生耐久性破坏的情况,本文通过改变矿渣及粉煤灰的相对掺量,对不同掺量比例的粉煤灰-矿渣型混凝土进行冻融循环与硫酸盐侵蚀试验研究,探究混凝土的质量损失率及抗压强度损伤劣化规律.结果 表明:掺加一定量的粉煤灰对混凝土抗冻性能具有良好促进作用,但比例较高会降低其抗冻性,...