硫酸盐干湿循环下碱激发矿渣混凝土服役性能机理及孔溶液研究

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碱激发胶凝材料具有突出的性能、经济和生态优势,被认为是二十一世纪最具发展潜力的绿色胶凝材料。探明碱激发矿渣混凝土耐久性和液相特征,对研究其长期服役性能和推广实用具有重要意义。硫酸盐腐蚀是耐久性研究的重要方面,碱激发矿渣胶凝材料的抗硫酸盐腐蚀机理及劣化规律尚未形成统一定论,研究其力学性能劣化规律对实际工程性能劣化程度评估尤为重要。碱激发矿渣孔溶液碱度和成分是重要的液相特征,碱度和成分的变化规律对研究碱激发矿渣中氯离子传输和钢筋锈蚀具有重要的指导意义。本论文研究工作围绕硫酸盐干湿循下碱激发矿渣混凝土性能劣化机理及孔溶液展开。选取氢氧化钠和水玻璃两种激发剂,考虑到碱当量、水玻璃模数、粉煤灰因素的影响,研究了碱激发矿渣混凝土在硫酸盐干湿循环下力学性能变化规律、外观和质量演变,同时运用SEM(EDS)、XRD、FTIR微观手段表征腐蚀前后微观结构和水化产物特征,并开展了不同龄期和腐蚀条件下孔溶液碱度和成分研究。主要研究成果如下:1.经过150次干湿循环后,水玻璃激发试样外观优于氢氧化钠激发试样,粉煤灰的掺入会导致劣化加剧,碱当量从7%提高到9%能提高试块的抗劣化能力,而水玻璃模数基本无影响。硫酸盐干湿循环侵蚀全过程中,混凝土抗压强度和动弹模量都会先出现增长期,后期下降的规律。水玻璃激发试样的混凝土抗压强度腐蚀系数高于氢氧化钠激发试样;粉煤灰的掺入会降低抗压强度和相对动弹模量,粉煤灰更难被水玻璃激发;碱当量从7%提高到9%,对氢氧化钠激发试样组的最终抗压强度和相对动弹模量影响很小,但会大幅提高水玻璃激发试样组的抗压强度。水玻璃作为激发剂的试样组比氢氧化钠作为激发剂的试样组具有更优异的力学性能,更好的抗硫酸盐侵蚀能力。2.干湿循环次数、碱当量、激发剂、粉煤灰对碱激发矿渣胶材的硫酸盐传输能力都有一定的影响。氢氧化钠激发试样硫酸盐扩散系数远远大于水玻璃激发试样,随着干湿循环的进行相同碱当量的两种激发剂激发试样的硫酸盐扩散系数接近;碱当量的提高能够明显降低硫酸根扩散系数,水玻璃模数从1.8提高到2.0会导致扩散系数增大,20%的粉煤灰掺量明显导致扩散系数增大;干湿循环次数增多,氢氧化钠激发试样组的扩散系数增大,水玻璃试样组的扩散系数先增大后减小。3.碱激发矿渣的水化产物种类在硫酸盐干湿循环后未发生改变,水化产物与激发剂种类以及粉煤灰的掺入有关。4.硫酸盐干湿循环侵蚀过程能促使体系中的未反应矿渣进一步水化,填充孔隙。氢氧化钠激发矿渣中C-S-H的结晶度比水玻璃激发矿渣的高,掺入粉煤灰试样的结晶度也明显提高。硫酸盐干湿循环侵蚀后,碱激发混凝土中没有检测到钙矾石的存在,化学劣化并未发生,劣化主要原因应当是结晶盐产生结晶压破坏孔壁,造成试块表皮粉化剥落。5.碱激发矿渣孔溶液的碱度随龄期的增长呈下降趋势,氢氧化钠激发试样组孔溶液碱度比水玻璃激发试样组高,粉煤灰的掺入对孔溶液的碱度影响较小,碱当量的提高使得碱度上升。孔溶液中Na+、K+、Ca2+离子浓度随养护龄期延长减少,Mg2+浓度低于能被检测到的水平;孔溶液中Na+处于较高浓度水平,K+和Ca2+浓度处于较低水平,氢氧化钠激发的试样中Na+浓度总比水玻璃激发的要高;氢氧化钠激发试样组中粉煤灰的掺入导致Na+浓度降低,水玻璃激发试样组中水玻璃的模数和粉煤灰的掺入对Na+浓度基本无影响。6.在侵蚀环境下,氢氧化钠激发矿渣孔溶液的碱度均高于水玻璃激发矿渣孔溶液,氢氧化钠激发矿渣孔溶液的Cl-、SO42-含量则均低于水玻璃发矿渣孔溶液。氯盐侵蚀环境下,氢氧化钠激发的孔溶液碱度、Cl-含量均随暴露时间延长而增大,SO42-则随时间延长而降低;水玻璃激发矿渣孔溶液中SO42-含量随暴露时间延长呈现先增大后减小的趋势;粉煤灰掺入会使孔溶液中Cl-、SO42-含量随时间延长而发生显著变化。复合侵蚀环境下,氢氧化钠激发试样孔溶液中Cl-、SO42-含量受粉煤灰影响较大;水玻璃激发试样组孔溶液中Cl-、SO42-含量主要受模数影响较大,水玻璃模数提高会使暴露7天时Cl-、SO42-含量明显降低。
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