携带硫酸根离子再生骨料对混凝土的内腐蚀行为研究

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混凝土结构在服役期间长期遭受外界硫酸盐侵蚀,由其破碎制备的再生骨料不可避免地携带硫酸盐腐蚀介质,将这些再生骨料制备成混凝土,其内部也必然携带硫酸盐腐蚀介质。再生骨料携带的硫酸盐腐蚀介质可在混凝土内与水泥水化产物发生一系列物理化学反应,形成内腐蚀,进而影响混凝土的长期力学性能和耐久性。现有研究主要集中于再生骨料强化及其强化后对混凝土性能的影响,而很少关注再生骨料粘附砂浆携带硫酸盐腐蚀介质对混凝土性能的影响。基于此,本文以再生骨料携带硫酸根离子腐蚀介质为对象,研究携带硫酸根离子再生骨料对混凝土宏观性能的影响;进一步探索携带硫酸根离子再生骨料对混凝土微观性能和结构的影响;定量表征硫酸根离子在混凝土内部的扩散;在此基础上,基于灰色关联理论和层次分析法,提出内腐蚀性参数的定量化表达式,以期探索再生混凝土微宏观性能相关性。本文的研究工作可为再生混凝土耐久性研究与高性能设计提供理论指导,并为未来相关技术标准的修订提供必要的数据和理论支撑。本文的主要研究工作如下:(1)基于再生骨料浸泡浓度、再生骨料替代率、水灰比、胶凝材料组成等因素,对再生混凝土力学性能和收缩性能进行了研究,探索了携带硫酸根离子再生骨料制备的混凝土宏观性能时变规律。(2)基于纳米压痕测试技术,对再生骨料与旧砂浆界面、再生骨料与新砂浆界面、新旧砂浆界面、再生骨料和浆体的弹性模量、硬度等微观性能进行了定量化测试,并结合二值化图片处理技术,进一步探索了再生骨料与旧砂浆、再生骨料与新砂浆和新旧砂浆界面几何参数的依时性变化规律。(3)基于SEM-EDS对再生骨料与旧砂浆、再生骨料与新砂浆和新旧砂浆界面的二维形貌和浆体内腐蚀产物演化分析,研究了内腐蚀作用下再生混凝土多重界面的结构变化规律以及腐蚀产物的分布情况。在此基础上,采用AFM测试技术,探明了内腐蚀作用下再生混凝土多重界面的三维结构特征。此外,采用MIP测试了再生混凝土孔隙结构分布,结合再生混凝土多重界面微观结构和浆体内腐蚀产物分布情况,揭示了携带硫酸根离子再生骨料对混凝土的内腐蚀作用机理。(4)自制砂浆棒进行硫酸钠溶液浸泡预处理模拟携带硫酸根离子再生骨料,结合外加电场促进硫酸根离子的扩散,采用紫外分光光度计法研究硫酸根离子在混凝土内部的扩散行为,并结合Nernst-Einstein方程计算了界面和浆体内硫酸根离子的扩散系数,结果表明界面离子扩散系数远大于浆体内的扩散系数。在此基础上,基于三维元胞自动机理论和Fick第二定律,采用Python编程模拟了硫酸根离子在混凝土内部动态传输过程。(5)基于再生骨料、浆体和多重界面的弹性模量、硬度、面积等多项微观性能指标,提出了可综合反映内腐蚀作用下再生混凝土微观性能特征的内腐蚀性因子。在此基础上,基于灰色关联理论和层次分析法,进一步确定了内腐蚀性参数的量化表达式,并将内腐蚀性参数与再生混凝土宏观力学性能进行相关性分析,建立了再生混凝土宏观性能预测模型。(6)基于再生混凝土损伤塑性模型,结合浆体内腐蚀产物的膨胀特性,构建内腐蚀作用下再生混凝土损伤本构关系。基于Abaqus-Python二次开发程序,建立再生混凝土二维细观结构模型,实现了再生混凝土在内腐蚀作用下力学损伤过程的模拟。
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