溶蚀与氯盐侵蚀下水泥基材料的失效机理及性能评估

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长期处于海洋等水环境下的混凝土结构,不仅受到水的溶蚀,还遭受水中氯盐的侵蚀。氯离子渗到混凝土中的钢筋表面,引起钢筋锈蚀;溶蚀导致混凝土孔隙率增加、微结构劣化及力学性能降低,加速氯离子在混凝土内的传输进程,从而引起混凝土强度下降、钢筋过早锈蚀,造成混凝土结构提前失效。因此,溶蚀和氯盐侵蚀是导致混凝土性能劣化、结构耐久性降低和服役寿命缩短的重要原因之一。目前,关于溶蚀与氯盐侵蚀所导致的混凝土等水泥基材料与结构的耐久性退化机理研究还相对较少,缺少相关的耐久性评价方法。为此,针对溶蚀与氯盐侵蚀下水泥基材料的失效机理及性能评估问题,本文开展溶蚀与氯盐侵蚀下水泥基材料性能退化机理的实验研究,建立水泥基材料内钙离子和氯离子的传输模型及其性能评价方法,为长期服役于水环境下混凝土结构的性能评估、寿命预测提供基础。本文主要研究内容及结论如下:(1)开展了低流速水流作用下水泥基材料溶蚀特性及其边界移动规律研究开展了不同流速NH4Cl溶液下水泥砂浆圆柱试件的加速溶蚀实验,分析了溶蚀过程中试件溶蚀深度、孔隙率、微结构及水化产物含量的变化规律,揭示了流速对水泥砂浆溶蚀特性的影响机理,给出了溶蚀导致的试件表层材料强度降低及水流作用引起的失效破坏特点,建立了水流作用下水泥砂浆试件表层边界移动条件。研究表明,流速是影响水泥基材料溶蚀进程的重要因素,流速越大,水泥基材料溶蚀及试件表层边界移动越快。(2)开展了矿物掺合料对水泥基材料溶蚀特性的影响及其性能改善机理研究开展了不同掺量的矿渣、粉煤灰单掺及复掺水泥复合浆体薄片及圆柱试件的常规及加速溶蚀实验,分析了溶蚀过程中各试件溶蚀深度、孔隙率、孔溶液p H值、物相组成、微观结构及元素含量的变化规律,揭示了矿物掺合料对水泥基材料溶蚀特性的影响及其抗溶蚀性能的改善机理。研究表明,合理地掺加矿物掺合料可改善水泥基材料微结构,减缓其微结构劣化和溶蚀进程,提高水泥基材料的抗溶蚀性能。(3)研究了氯化铵溶液中水泥基材料钙相的固-液平衡特点及其加速溶蚀机理开展了1、3和6M氯化铵溶液中水泥基材料钙相的固-液平衡浓度的实验测试,分析了溶液浓度对水泥基材料溶蚀进程的影响,揭示了水泥基材料的氯化铵加速溶蚀机理,建立了氯化铵溶液中水泥基材料钙相的固-液平衡方程。研究表明,氯化铵溶液加速溶蚀条件下,水泥基材料钙相的固-液平衡特征及溶蚀机理与常规溶蚀基本相似,不同浓度氯化铵溶液中水泥基材料钙相的固-液平衡特征相似。(4)研究了钙溶蚀对水泥基材料氯离子结合能力的影响机理及其定量表征方法开展了溶蚀过程中水泥浆体颗粒的氯离子等温吸附与解吸附实验,分析了水泥基材料对自由氯离子物理吸附和化学结合能力随钙溶蚀程度的变化规律,建立了溶蚀过程中水泥基材料结合自由氯离子能力的定量表征方法。研究表明,钙溶蚀降低了水泥基材料吸附自由氯离子的能力,且溶蚀程度越高,水泥基材料的吸附自由氯离子能力越弱。(5)研究了钙溶蚀对水泥基材料中氯离子传输进程的影响及其作用机理开展了氯化钠溶液、氯化铵溶液和氯化钠+硝酸铵混合溶液中水泥净浆试件的浸泡实验,分析了浸泡过程中试件溶蚀深度、孔结构、微观形貌、物相组成及自由氯离子浓度的变化规律,揭示了水泥基材料内钙溶蚀与氯离子共同传输的作用机理。研究表明,溶蚀降低了水泥基材料结合自由氯离子的能力,加快了水泥基材料中自由氯离子的扩散进程,且溶蚀程度越高,水泥基材料结合氯离子能力越弱,自由氯离子扩散速率越大。(6)建立了水泥基材料中钙离子和氯离子的传输模型及参数分析方法基于上述边界移动条件、固-液平衡方程及氯离子结合能力方程,运用Fick定律和质量守恒定律,建立了水泥基材料中钙与氯离子的传输方程及数值求解方法,并验证其合理性。在此基础上,运用该模型,开展了水泥砂浆试件钙离子与氯离子传输过程的数值模拟,分析了水灰比、矿渣掺量及腐蚀溶液对试件内钙离子浓度、孔隙率及氯离子浓度等参数的影响。最后,开展了输水条件下内衬水泥砂浆球墨铸铁管的服役性能评估。
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