碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(Thaumasite form of sulfate attack,TSA)是水泥混凝土在低温硫酸盐环境下的一种严重的侵蚀破坏,影响混凝土工程的耐久性。加强碳硫硅钙石形成机理和影响因素的研究可为碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀的抑制提供理论依据。本文依托国家自然科学基金项目(51278497),针对水泥基材料TSA破坏的条件和环境,研究了碳硫硅钙石形成的机理、影响因素,水泥基材料在不同侵蚀介质下的破坏以及化学外加剂与矿物掺合料对TSA的抑制作用。主要工作和成果如下：1.通过建立热力学模型对碳硫硅钙石形成反应的两种形成机理进行了计算和分析。溶液直接反应的吉布斯自由能变数据表明,在0～25℃之间碳硫硅钙石可以由C-S-H凝胶、碳酸钙、石膏和水反应直接生成。硅钙矾石转变反应的吉布斯自由能变数据表明,在0～25℃内C-S-H凝胶、碳酸钙、钙矾石和水不能直接反应生成碳硫硅钙石,在5℃下碳硫硅钙石更易与钙矾石结合生成硅钙矾石固溶体,而不是以纯的碳硫硅钙石形式生成。2.采用Struble去合成碳硫硅钙石研究了碳硫硅钙石的异质成核机理。钙矾石和碳硫硅钙石的结构非常相似,钙矾石可以作为碳硫硅钙石的异质晶核促进其生长。和钙矾石(Ca6[Al(OH)6]2·24H2O·[(SO4)3·2H2O])相比,碳硫锡钙石(Ca6[Sn(OH)6]2·24H2O·[(SO4)2·(CO3)2])与碳硫硅钙石(Ca6[Si(OH)6]2·24H2O·[(SO4)2·(CO3)2])的结构更为相似,后者更容易为碳硫硅钙石提供晶核。在合成碳硫硅钙石的配比中加入锡酸钠后可以生成碳硫锡钙石,但其作为异质晶核对碳硫硅钙石形成的促进作用并不明显。与碳硫硅钙石结构相似的晶体不一定能促进碳硫硅钙石的形成。3.采用Struble法合成碳硫硅钙石研究了碳硫硅钙石的溶液直接反应机理。提高硫酸根和碳酸根的浓度对碳硫硅钙石的形成影响较小,水合硅酸三钙离子Ca3[Si(OH)6·12H2O]4+的形成即硅酸盐中的硅氧四面体向碳硫硅钙石中的硅氧八面体的转变是碳硫硅钙石形成反应的速率控制步骤。蔗糖可与硅酸根形成五配位硅或六配位硅的复合物,促进硅氧四面体向硅氧八面体的转变,提高钙离子浓度也可以加速硅氧四面体向硅氧八面体的转变,钙离子对碳硫硅钙石的形成有相当显著的促进作用。4.采用Struble法合成碳硫硅钙石的方法研究了溶液直接反应过程中的离子强度、pH值和磷酸钙等因素对碳硫硅钙石形成的影响。通过加入氯化钠来改变溶液的离子强度,增加溶液的离子强度在早期可以加速碳硫硅钙石的形成,但后期生成的碳硫硅钙石量仍然很少；碳硫硅钙石在pH为13时更容易形成,当pH为14时不利于碳硫硅钙石的形成；磷酸钙在早期会促进碳硫硅钙石的形成,但后期又会使碳硫硅钙石的量减少。5.研究了低温(5℃)下水泥-石灰石粉胶凝材料在不同侵蚀介质中的TSA破坏。掺石灰石粉的水泥基材料在5%的硫酸钠溶液中浸泡16个月后,表面全部脱落,生成烂泥状物质,发生了典型的TSA破坏,腐蚀产物以碳硫硅钙石为主；在5%硫酸钠和氯化钠的复合溶液中,水泥基材料的TSA破坏有所减轻,表面剥落较少,生成的碳硫硅钙石也减少,且氯化钠浓度越高,水泥基材料的TSA破坏越小；水泥基材料在5%硫酸钠和碳酸钠的复合溶液中浸泡16个月后没表面较为完整,有碳酸钙和碳酸钠钙生成,但并没有发生明显的TSA破坏,说明碳酸根离子可以在水泥净浆表面生成密实的保护膜减轻TSA破坏。6.研究了化学外加剂对水泥基胶凝材料低温(5℃)下抗硫酸盐侵蚀性能的影响。在掺石灰石粉的水泥基材料中加入甘油后可以减轻硫酸盐侵蚀,腐蚀产物中以钙矾石为主,碳硫硅钙石的量随甘油掺量的增加而减少；乙二醇会加速掺石灰石粉的水泥基材料的硫酸盐侵蚀,石膏含量增多,腐蚀产物中钙矾石和碳硫硅钙石并存；随磷酸钙掺量的增加,碳硫硅钙石的量减少,水泥基材料的硫酸盐腐蚀减轻；硅酸钠使水泥基材料明显开裂,但腐蚀产物中碳硫硅钙石的量却随硅酸钠掺量的增加而减少。7.研究了低温(5℃)下矿物掺合料对水泥基胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能的影响。钠基膨润土、玄武岩粉和花岗岩粉可以减轻水泥基材料的硫酸盐腐蚀,且侵蚀破坏随钠基膨润土、玄武岩粉和花岗岩粉掺量的增加而减轻,腐蚀产物以钙矾石为主,碳硫硅钙石含量较少；钙基膨润土和石英粉对掺石灰石粉的水泥基材料的硫酸盐腐蚀没有太大影响,腐蚀产物中钙矾石和碳硫硅钙石并存。