不同环境中电场对水泥基材料硫酸盐侵蚀的影响及机理

摘要

硫酸盐侵蚀是影响水泥基材料耐久性的重要内容，同时也是影响因素多变、侵蚀机理复杂和危害严重的一种侵蚀。目前关于水泥基材料硫酸盐侵蚀的种类、影响因素及机理已有深入的研究，同时硫酸盐与其他因素如氯离子侵蚀、碳化、荷载和碱集料反应等的耦合作用也已有研究和探讨。随着城市地铁轨道交通建设的发展，水泥基材料的应用环境日益严峻。城市地铁采用直流供电系统，牵引线与钢轨构成回流。钢轨不可能完全绝缘，因而总有一部分电流经由钢轨向周围结构中泄漏，从而形成杂散电流。杂散电流不仅自身会对钢筋混凝土结构产生腐蚀，还能与其他因素共同作用侵蚀水泥基材料。本文采用硫酸盐全浸泡、硫酸盐半浸泡和土壤环境中硫酸盐全浸泡分别来模拟地铁环境中铁轨处水泥基材料所处的不同环境。采用脉冲仪产生电压强度为30V，脉冲周期20s的外加电场来模拟杂散电流，同时选用硫酸钠作为侵蚀溶液，研究电场对水泥基材料硫酸盐侵蚀的影响及机理。试验分析了不同环境中试件在不同龄期时的破坏等级，表征硫酸盐和电场共同作用对水泥基材料的破坏；测试了水泥基材料抗压强度，并与基准试件对照计算抗蚀系数，以此表征不同环境中水泥基材料力学性能的变化规律；利用硫酸钡重量法测试试件内部硫酸根离子分布规律，并考虑了水胶比、硫酸盐浓度和矿物掺合料种类和掺量对硫酸根离子传输特性的影响；应用扫描电子显微镜（SEM）/能谱仪（EDS）对侵蚀产物进行定性分析，并借助 X射线衍射（XRD）分析侵蚀产物。
　　本研究主要内容包括：①未加电场时，水泥基材料的硫酸盐侵蚀较缓慢，试验龄期内的最大破坏等级为6，施加电场后水泥基材料硫酸盐侵蚀明显加速，5个月性能就已有明显变化，最大破坏等级为9，同时在抗蚀系数、硫酸根离子迁移量和侵蚀产物产量和种类上也都得到了体现。②水泥基材料硫酸盐侵蚀产物主要为钙矾石和石膏，它们吸水膨胀导致水泥基材料破坏。影响侵蚀产物种类的主要因素是硫酸根离子的浓度，硫酸根离子浓度较小时侵蚀产物以钙矾石为主，硫酸根离子较大时则以石膏为主。③不同环境中，水泥基材料硫酸盐侵蚀的规律类似，但反应产物和侵蚀程度不同，相同配比条件下，水泥基材料的硫酸盐侵蚀破坏程度为：硫酸盐溶液半浸泡>硫酸盐全浸泡>土壤环境硫酸盐全浸泡。④本文建立了在土壤环境中，以抗压强度为指标，考虑水胶比、硫酸盐浓度、矿物掺合料种类和掺量的抗硫酸盐侵蚀耐久寿命T的指数衰减预测模型：此处为公式：当矿物掺合料为粉煤灰时：α=3.24，β=-0.0069；当矿物掺合料为石灰石粉时：α=3.27，β=0.007。⑤根据预测模型，电场作用下水泥基材料硫酸盐侵蚀速度加快，相应的耐久寿命也会缩短。同时，掺加粉煤灰和石灰石粉分别可以不同程度地延长和缩短耐久寿命。因试验龄期较短，试验数据较少，因此上述模型的精确性有待进一步验证和修正。同时，水泥基材料的耐久寿命是多种因素耦合作用的结果，除了硫酸盐还有其他因素，如氯离子侵蚀、碳化、荷载等，还应进一步研究其他因素的影响，综合预测地铁轨道交通环境中水泥基材料的耐久寿命。

目录

1 绪 论

1.1水泥基材料硫酸盐侵蚀概述

1.2地杂散电流及其对水泥基材料结构的影响

1.3课题目的及研究内容

2 原材料及试验方法

2.1试验原材料

2.2试验配合比与试件成型

2.3电脉冲试验方法

2.4试验环境

2.5性能与结构测试方法

3 不同环境中电场对硫酸盐侵蚀的影响及机理

3.1水胶比的影响

3.2矿物掺合料种类及掺量的影响

3.3机理分析

3.4本章小结

4 土壤中硫酸盐浓度对硫酸盐侵蚀的影响及寿命预测模型

4.1侵蚀溶液质量分数的影响

4.2电场作用下水泥基材料硫酸盐侵蚀寿命预测模型

4.3本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文题目