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《武汉理工大学》 2007年
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水泥基材料水分传输的研究

沈春华  
【摘要】: 侵蚀介质对混凝土和钢筋的作用是引起混凝土耐久性问题的主要因素之一,大量研究表明:几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质,且几乎所有侵蚀性介质主要通过孔溶液传递进入混凝土内部。混凝土饱水渗透系数及氯离子扩散系数一直是该领域研究的热点,但实际工程中的混凝土材料并不总处于饱和状态,因此,研究水泥基材料在非饱和状态下的水分传输将尤为重要。本文在综合了国内外相关领域内的研究现状后,就水泥基材料的非饱和气相传输、非饱和液相传输、不同测试方法在水分传输测试中的应用等问题进行了较为系统的研究,并结合实际工程探讨了水分传输作用及水分原位监测在实际工程中的应用。本文主要内容与成果如下: (1)系统地回顾和阐述了水泥基材料水分传输与测试方法的发展及研究现状,结合水泥基材料与结构所处的实际环境,提出了以水泥基材料非饱和水分传输为研究对象的理论框架体系。 (2)改进后的美国国家标准ASTM E 96方法可以用于水泥基材料透湿性的研究。通过对不同材料组成、不同外部环境作用下材料的透湿性研究表明,水灰比、粉煤灰掺杂、材料所处的外部环境等都对透湿性有较大影响。水灰比越小,透湿性越低;粉煤灰掺杂20%显著降低材料透湿性;当材料与水或水溶液接触时,材料透湿性高于其与水蒸气接触时的透湿性,水溶液中的氯离子或硫酸根离子也会降低材料的透湿性。 (3)通过引入水蒸气吸附法研究水分扩散,结合热力学、扩散和吸附理论,研究了水泥基材料内的水分扩散规律、材料的持水能力等,并采用吸附曲线计算了材料的微观孔径分布,研究结果表明,材料的水吸附和解吸附过程中,扩散系数随材料内部湿度含量的变化规律并不一样,吸附时初始低湿度条件下扩散系数大,解吸附时高湿度含量的扩散系数大;同样条件下的水泥基材料的水分扩散系数和吸附能随着水灰比的增加而增加,且扩散系数与水灰比之间有很好的线性相关性;水泥基材料的吸附等温线只取决于材料内部的水化产物,与非吸湿性组分—骨料关系不大,可以通过水泥净浆吸附和混凝土(砂浆)配合比得到混凝土(砂浆)的吸附特性,而且可以通过材料吸附等温线计算材料的孔径分布,但孔径分布主要集中于凝胶孔和毛细孔之间的范围。 (4)水泥基材料的非饱和液相水传输主要指在毛细管力作用下水分在材料内部的传输过程。研究主要集中在毛细吸收系数和水分扩散性系数两方面,在传统研究方法的基础上,作者在毛细吸收过程中引入了水分扩散的作用,完善了传输方程。在水分扩散性测试方面,对传统的切片称重法进行了改进,使水分扩散性系数的测试不需要依赖于昂贵的高精密仪器即能得到水分的连续分布曲线,得到扩散性系数的变化规律。 对毛细吸收过程的研究结果表明,水灰比的减小、龄期的增加、材料初始水分含量的增加以及粉煤灰掺杂都会降低材料的毛细吸收系数,而且一定配比材料的毛细吸收系数与其强度发展成线性关系;微观上,毛细吸收的水分渗入深度系数只取决于材料孔半径和迂曲度,而质量系数则主要取决于内部有效孔隙率;通过理论推导和实验结果拟合表明,毛细吸收水分传输过程中,气相扩散对整个毛细吸收的贡献不可忽略,且孔隙率越低、孔径越小,扩散的贡献越大。 对水分扩散性传输系数的研究结果表明,水分扩散性系数与材料微观结构、水分含量等因素相关。当水分含量接近毛细孔隙率大小时,扩散性系数迅速增加,低于该含量时的扩散性系数变化不明显。孔径越大、孔隙连通性越好,相同水分含量对应的扩散性系数越高,孔径分布范围越宽,扩散性系数开始突变的水分含量与毛细孔隙率的比越低。 (5)确立了定量化测试水分分布曲线和水分扩散性传输系数的交流电电性能测试法。结合交流电电性能测试法和岩相分析、成分分析等方法,研究了外力作用下材料内部的水分传输过程及由此导致的微观结构和水化产物的分布不均匀性,即水泥基材料的力-流效应。 (6)研究了水泥基材料与水分含量和水分传输相关的碳化特性、界面结合特性以及电性能监测在道路路面健康监测中的应用。通过对极低湿度条件下的CO_2吸附研究,提出了新的基于气固反应的混凝土碳化机理;不同湿处理条件下混凝土修补的研究表明,湿度越低,修补材料内水分将向旧混凝土扩散,使新旧混凝土界面结合更强,修补效果更好,这为实际工程提供一定的借鉴;测试电性能的变化能很好反映旧混凝土路面改造加铺沥青后的混凝土基层内水分变化,结合温度变化、应力-应变变化能对加铺后的路面健康状况作合理的综合评价。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU528

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