【博士】混凝土硫酸鹽侵蝕基本機(jī)理研究

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　　【博士】混凝土硫酸鹽侵蝕基本機(jī)理研究　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：中南大學(xué)　　學(xué)位年度：2009　　 作為混凝土耐久性的一個主要方面，硫酸鹽侵蝕的相關(guān)研究己有100多年的歷史，但由于試驗?zāi)M方法和實際工程暴露條件間的差異，因而仍認(rèn)為混凝土硫酸鹽侵蝕研究現(xiàn)狀是一個“混亂的世界”。　　 本文從實際出發(fā)，系統(tǒng)深入分析實際混凝土結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境之間的相互關(guān)系和工程實例，針對實際工程中兩種暴露方式一半埋和全埋，設(shè)計并進(jìn)行了一系列較切合實際工程的室內(nèi)試驗研究，提出了相應(yīng)的混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理?！　? 半埋混凝土一構(gòu)件一部分埋入地下水土中或與水土緊密接觸，而另一部分暴露在相對干燥的空氣中。工程實例表明，半埋混凝土暴露于空氣中的部分發(fā)生了類似凍融剝落的嚴(yán)重劣化，通常認(rèn)為鹽結(jié)晶是其主要破壞機(jī)理。然而，工程實例、長期野外試驗和相關(guān)試驗室研究結(jié)果均沒有充分證明這個觀點。　　 本文通過混凝土孔溶液壓濾試驗結(jié)果表明，由于“燈芯效應(yīng)”的“傳輸一濃縮”過程，在較短的時間內(nèi)會在暴露于空氣中的混凝土中形成一高硫酸鹽濃度(接近飽和)高pH值(13．0左右)孔溶液區(qū)。微觀分析結(jié)果表明，暴露在溫濕度穩(wěn)定或劇烈變化的環(huán)境中，未能在水泥凈漿與混凝土試件內(nèi)觀測到硫酸鹽結(jié)晶體，但發(fā)現(xiàn)了鈣礬石、石膏和氫氧化鎂等化學(xué)侵蝕產(chǎn)物，只在混凝土碳化區(qū)觀測到硫酸鹽結(jié)晶體?；炷梁暧^力學(xué)性能試驗顯示：混凝土碳化、潮濕的外界環(huán)境、礦物摻合料都會加劇硫酸鹽對半埋混凝土的侵蝕破壞作用，混凝土表面涂層能有效提高半埋混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。　　 1．根據(jù)試驗結(jié)果和理論分析，首先闡述了混凝土內(nèi)部不能產(chǎn)生鹽結(jié)晶破壞的原因：　　 (1)化學(xué)反應(yīng)消耗了孔溶液中的硫酸鹽，其消耗速度隨孔溶液濃度而加快，使得孔溶液難以滿足鹽結(jié)晶所需條件一過飽和，致使半埋混凝土內(nèi)部孔溶液中很難發(fā)生硫酸鹽結(jié)晶?！　? (2)發(fā)生在單個孔隙中的鹽結(jié)晶不會導(dǎo)致材料破壞，只有晶體在多孔材料內(nèi)部不同大小，不同形狀的孔隙內(nèi)結(jié)晶生長產(chǎn)生的壓力才會導(dǎo)致材料的破壞。但在混凝土中，由于硫酸鹽和水泥水化產(chǎn)物之間的化學(xué)結(jié)合作用，晶體和孔壁之間的溶液薄膜消失，晶體停止生長，也不會產(chǎn)生結(jié)晶壓力破壞?！　? (3)對于半埋混凝土試件，通過“燈芯效應(yīng)”在混凝土內(nèi)形成了孔溶液區(qū)，很難在內(nèi)部形成過飽和濃度的干濕界面區(qū)引起內(nèi)部結(jié)晶破壞?！　? 2．在此基礎(chǔ)上，提出了由“燈芯效應(yīng)"(wick action)的傳輸一濃縮過程形成的高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)內(nèi)發(fā)生的嚴(yán)重化學(xué)侵蝕是導(dǎo)致半埋混凝土中暴露于空氣部分較快嚴(yán)重破壞的主要機(jī)理。本機(jī)理能較好地解釋以下一些事實：　　 (1)摻加礦物摻合料不能改善半埋混凝土的抗硫酸鹽性能，甚至加劇劣化。其原因是：一方面，摻加礦物摻和料有利于因“燈芯效應(yīng)”在混凝土內(nèi)部形成更廣的高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)，另一方面，在高濃度、高pH值的硫酸鹽孔溶液作用下，礦物摻合料中殘留的活性組分會被激發(fā)而生成膨脹性產(chǎn)物?！　? (2)潮濕環(huán)境中半埋混凝土發(fā)生嚴(yán)重侵蝕破壞的區(qū)域廣，其原因是潮濕環(huán)境有利于因“燈芯效應(yīng)”在混凝土內(nèi)部形成更廣的高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)?！　? (3)混凝土碳化將加劇半埋混凝土硫酸鹽侵蝕破壞作用。因一方面混凝土碳化能使鹽結(jié)晶發(fā)生；另一方面能提高混凝土內(nèi)的毛細(xì)管吸附作用，形成更廣的高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)?！　? (4)混凝土表面涂層處理能有效提高半埋混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，因涂層可以阻礙在混凝土內(nèi)部形成高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)?！　? 3．最后，提出了半埋混凝土兩階段硫酸鹽侵蝕劣化模式：首先在較短時間內(nèi)形成高濃度、高pH值硫酸鹽孔溶液區(qū)；然后發(fā)生化學(xué)侵蝕破壞過程，其特點是在骨料界面處生成石膏，其他部分內(nèi)主要生成鈣礬石。劣化模式描述了半埋混凝土在硫酸鹽侵蝕過程中的內(nèi)部微觀變化，解釋了混凝土沿骨料界面處發(fā)生漲裂性破壞是造成半埋混凝土發(fā)生類似凍融剝落破壞的主要原因?！　? 全埋混凝土一全部位于地表下，或者深埋在地表面下建筑物的一部分，實際破壞工程實例顯示，碳硫硅鈣石是引起全埋混凝土破壞的主要產(chǎn)物。通過對在混合硫酸鹽溶液以及高濃度硫酸鎂溶液中各種水泥基材料的生成產(chǎn)物的研究，提出了碳硫硅鈣石侵蝕是發(fā)生在一種隨著時間累積，侵蝕環(huán)境濃度不斷升高(大于現(xiàn)場地下水測量值)，同時也是高pH值(大于12．5)的硫酸鹽環(huán)境中的破壞機(jī)理。　　 綜合以上兩種情況，認(rèn)為，在含有硫酸鹽的服役環(huán)境中，不管是全埋混凝土還是半埋混凝土，發(fā)生的嚴(yán)重破壞都是由經(jīng)時累積的高硫酸鹽含量下的化學(xué)侵蝕引起的?！　?

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