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水泥基材料碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀破坏及预防措施研究

李长成  
【摘要】:碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(Thaumasite form of sulfate attack,TSA)直接破坏水泥石中的C-S-H凝胶,将其转化为无胶凝性烂泥状物质,导致水泥基材料性能劣化,严重影响混凝土工程耐久性。尽管早在1965年就有人提出TSA问题,但它真正为人们所重视只是近10多年的事情,许多问题需进一步研究。 碳硫硅钙石的化学组成、晶体结构与钙矾石十分相似,常规测试分析易混淆,且大多数只能实现定性或半定量分析。TSA影响因素还存在学术争议和研究盲点,如粉煤灰是否能抑制TSA破坏。多因素耦合作用下水泥基材料发生TSA破坏的可能性、性能退化规律及破坏机理研究极少。此外,尚未建立有效的水泥基材料TSA破坏预防措施。这些问题严重制约了混凝土结构工程的服役寿命,造成巨大的破坏和浪费。 针对上述问题,结合我国新疆地区腐蚀环境特点,本文研究了内掺法加速碳硫硅钙石形成的可行性和碳硫硅钙石的量化表征;研究了温度、粉煤灰及氯离子等因素对TSA的影响规律和作用机理;研制了适用于多因素耦合试验中对混凝土试件准确加载的设备;通过大量系统试验获得了多因素耦合作用下水泥基材料性能劣化规律和破坏机理;在上述成果基础上,开发了预防水泥基材料TSA破坏的TSA抑制剂。主要研究结论如下: 1.内掺10%硫酸镁显著加速水泥基材料中碳硫硅钙石形成,6个月后,样品中有23.73%碳硫硅钙石形成,具有典型的TSA破坏特征。基于样品外观、IR及XRD/Rietveld精修等手段,建立了一种碳硫硅钙石的快速定量鉴别方法,有助于提高水泥基材料TSA研究的精确性、快捷性。 2.借助碳硫硅钙石的快速定量鉴别方法,阐明了温度、粉煤灰及氯离子对水泥基材料TSA影响规律。⑴(5±2)℃下,掺石灰石粉水泥基材料发生TSA,腐蚀产物以碳硫硅钙石、石膏为主,性能劣化严重。(20±1)℃下,掺石灰石粉水泥基材料发生钙矾石/石膏型硫酸盐侵蚀,腐蚀产物以钙矾石、石膏为主,性能劣化较轻。⑵粉煤灰对水泥基材料TSA的影响与其组成、掺量及细度等因素有关。粉煤灰活性指数对碳硫硅钙石形成影响最大,可作为筛选粉煤灰预防TSA破坏的指标。活性指数大于80%的粉煤灰掺量达到50%时可显著改善水泥基材料抗TSA性能。⑶氯离子降低碳硫硅钙石形成速度,进而减缓TSA破坏进程,并且复合溶液中氯离子浓度越高,减缓效果越显著。依据宏观性能、腐蚀产物物相演变过程,提出氯离子对水泥基材料TSA影响的三个阶段:抑制期、衰退期及失效期。 3.开发了一种自定位可拆卸式混凝土耐久性试验应力加载装置,适用于多因素耦合试验研究中对混凝土试件准确施加弯拉应力。该装置由可拆卸的应力加载夹具、自定位夹具和应力测控夹具组成,便于定期校正、保持应力恒定,克服了传统装置加载不准确、应力松弛问题。 4.揭示了低温硫酸盐侵蚀、干湿循环、弯拉应力耦合作用下水泥基材料性能劣化规律和破坏机理。⑴“低温硫酸盐侵蚀+干湿循环”双因素作用下,干湿循环减缓内掺10%硫酸镁样品TSA破坏程度,但引起的盐类结晶侵蚀导致内掺10%盐湖卤水样品发生剥蚀性破坏,性能劣化程度较低温硫酸盐侵蚀单因素损伤加重。⑵“低温硫酸盐侵蚀+弯拉应力”双重因素作用下,样品发生突然断裂破坏,主裂缝在弯拉应力作用下形成、扩展并发生失稳,断裂时水泥基材料未发生TSA破坏。⑶“低温硫酸盐侵蚀+干湿循环+弯拉应力”三因素作用下,“干湿循环+弯拉应力”累计叠加损伤加速水泥基材料断裂破坏,断裂时水泥基材料均未发生TSA破坏。 5.提出了水泥基材料中预防TSA破坏发生的理论,抑制剂的作用机理有两个方面,即物理固化、化学固化。依据TSA化学侵蚀过程及Ba~(2+)多级长效缓释,化学固化分为三个阶段,即BaSO_4形成期、硫酸盐侵蚀过渡期及碳硫硅钙石、钙矾石分解期。采用“叠加包裹”技术开发了KM型、K型TSA抑制剂,具有Ba~(2+)多级长效缓释特性,显著提高水泥基材料抗TSA性能,抑制效果KM型优于K型。此外,TSA抑制剂对新拌混凝土工作性、硬化混凝土强度性能及耐久性具有一定的改善作用。


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