硫酸盐侵蚀下水泥基材料微结构演变的测试与分析研究

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硫酸盐侵蚀是导致水泥基材料耐久性退化和服役寿命缩短的重要环境因素之一,它涉及到硫酸根离子在材料中的扩散与反应、侵蚀产物的生成与生长、材料的膨胀与损伤等微观层次上的物理化学问题,定量地分析水泥基材料因硫酸盐侵蚀引起的微结构演变对研究材料强度、刚度等物理力学性能的变化和耐久性退化规律具有重要意义。本论文通过微观测试技术,研究了两种水灰比(0.35和0.55)的水泥净浆和砂浆试样分别在2.5%、5.0%和10.0%Na2SO4溶液中侵蚀360d(部分侵蚀至720d)过程中其微结构的演变规律。主要内容及结果如下:   (1)针对侵蚀后试件中硫酸根离子的分布规律,通过SEM/EDS面扫描方法结合计算机图像处理技术,测试和分析了净浆和砂浆试样中硫元素的分布趋势,结果表明,侵蚀360d后,不同水灰比试件中硫元素浓度分布总体趋势一致,试样表层区硫元素浓度较低,近表层区出现“高硫含量”带,“高硫含量”向试样内部,硫元素浓度随深度的增大逐渐下降并趋于材料初始浓度;低水灰比试样“高硫含量”带对应侵蚀产物主要是石膏;高水灰比试样中侵蚀产物主要是钙矾石。   (2)利用XRD-Rietveld法定量分析了侵蚀过程中净浆试件中的物相组分和侵蚀产物的变化规律,结果表明,随侵蚀时间的增加,低水灰比试件表层浆体中,氢氧化钙含量逐渐降低,石膏和钙矾石含量逐渐升高;高水灰比试件由表至内各层浆体中,钙矾石含量逐渐增加,石膏含量无明显变化;氢氧化钙和钙矾石含量的变化幅度随侵蚀浓度的增加而增大。高水灰比试件中钙矾石含量随试件深度的变化呈“钟罩”型分布。   (3)为了获得侵蚀过程中试件孔隙结构的演变规律,利用MIP法测试分析了净浆和砂浆在不同侵蚀时间内的孔隙结构变化,结果表明,随侵蚀时间的增加,低浓度溶液中试件孔隙率逐渐减小,高浓度溶液中试件孔隙率先减小后增大,孔隙率随时间变化幅度随侵蚀溶液浓度的增加而增大;净浆试件的临界孔径、最可几孔径以及多害孔数量随侵蚀时间的增加逐渐减小;砂浆试件的临界孔径和最可几孔径与侵蚀时间相关性较复杂,多害孔和无害孔的数量随侵蚀时间增加先减小后增大。   (4)利用X射线CT法对侵蚀后试件的损伤状态进行了观测,结果表明,同侵蚀浓度下,浸泡720d的试件较浸泡360d的试件损伤严重;同侵蚀时间下,同水灰比试件的损伤程度随侵蚀浓度的增加而增大;同侵蚀时间同侵蚀浓度下,高水灰比试件较低水灰比试件损伤严重,砂浆试件较同水灰比净浆试件损伤严重。低水灰比试件的破坏形态为表层浆体的开裂和软化分解;高水灰比试件的破坏形态主要是表层浆体的膨胀开裂。   (5)对不掺矿物掺合料及掺30%低钙粉煤灰或50%矿渣的净浆和砂浆在5.0%浓度Na2SO4溶液中浸泡2年后的破坏形态和微观结构进行了测试分析,结果表明,矿渣中活性Al3+离子的大量析出,加速钙矾石型侵蚀反应的发生,对水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能不利;低钙粉煤灰通过稀释浆体中C3A含量,发生二次水化反应以及微集料效应等作用提高水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能。
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