电场与硫酸盐共存环境中水泥基材料的劣化及其机理研究

摘要

硫酸盐侵蚀是威胁水泥基材料耐久性的一个重要因素。当水泥基材料暴露于富含硫酸盐环境时，硫酸根离子渗入材料内部，与水泥水化产物发生反应，生成石膏和钙矾石等侵蚀产物，产生膨胀、开裂和剥落等劣化，或产生盐结晶膨胀等物理破坏。目前，关于硫酸盐侵蚀及其与其它环境因素共同作用下水泥基材料的劣化过程及机理已有大量研究。随着经济技术的不断发展，电场也越来越多地应用或存在于实际工程环境中，如轨道杂散电流和电渗脉冲防潮技术。在电场影响下，水泥基材料硫酸盐侵蚀将变得更为复杂。因此，本文研究了电场与硫酸盐共存环境中水泥基材料的劣化行为及机理。主要研究内容及结论如下：
　　研究了电场作用下SO42–在水泥基材料内的迁移速率，讨论了液相环境和试件组成与结构对SO42–迁移的影响，借助X射线衍射分析（XRD）和扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）分析了硫酸盐侵蚀产物含量及分布。结果表明，电场显著加速了SO42–迁移，电场作用90d后 SO42–侵入试件深度和总量分别为不加电场试件的4.38～6.25倍和7.50～14.00倍，迁入的SO42–与水泥水化产物反应生成了大量石膏和钙矾石晶体；选用NaOH作为阳极溶液可避免试件遭受“酸腐蚀”；调整阴极溶液pH值为7.0时，有利于SO42–迁入；电场作用下SO42–迁移主要由电势差控制，浓度差影响甚微；粉煤灰的掺入对SO42–迁移有一定限制作用，而掺入石灰石粉或增大水胶比则有利于SO42–迁移。
　　测试了通电过程中溶液和试件内温度变化，采用综合热分析（DSC-TG）、傅里叶转换红外光谱（FT-IR）和 XRD等手段分析了电场对水泥水化和硫酸盐侵蚀产物的影响。结果显示，通电产生的热引起试件内温度升高，但该升温相对有限，约为1.5～4.9℃，未明显加速水泥后期水化；短期内电场也未改变C-S-H凝胶结构中Si-O键的键合方式；试件孔溶液中的Ca2+、SO42?和Al(OH)4?等离子因电场作用发生迁移而数量减少，引起水泥早期水化和硫酸盐侵蚀所生成的钙矾石不稳定而有所分解。
　　分析了电场作用下外界溶液中 Ca2+浓度与水泥基材料内钙含量变化规律，借助XRD、SEM-EDS以及孔结构分析（MIP）等微观测试方法，研究了Ca2+溶出引起的水泥水化产物组成与结构变化。结果表明，电场加速了水泥基材料内 Ca2+溶出，试件靠近阴极部位 Ca(OH)2不断溶解，随后 C-S-H凝胶开始溶解，内部孔隙率和总孔体积增加，试件强度降低。当阴极溶液为水时，电场作用90d后试件靠近阴极部位的的 C-S-H凝胶 Ca/Si比下降5.1%～13.5%，孔隙率增幅为20.9%～27.4%，试件强度下降6.7%～15.6%。
　　通过抗压强度和化学测试等宏观方法以及XRD和SEM-EDS等微观分析，系统研究了电场与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土的劣化行为与机理。结果表明，电场与硫酸盐侵蚀共同作用下大量SO42–迁入混凝土内，硫酸盐侵蚀加快；同时试件内Ca2+不断溶出，其微观结构变得疏松多孔，而这又有利于SO42–迁移；因此，该条件下混凝土劣化更为快速，劣化主要来自硫酸盐侵蚀和溶蚀这两个过程，其中硫酸盐侵蚀占主导地位；电场作用下的硫酸盐侵蚀速率约为Na2SO4溶液浸泡侵蚀的3.4～4.4倍。
　　论文结果表明，电场加速了水泥基材料硫酸盐侵蚀，也加剧了水泥基材料的溶蚀破坏。这意味着在富含硫酸盐环境中建设城市轨道交通和应用电渗脉冲防潮技术时应密切关注电场导致的混凝土结构劣化破坏问题。
　　研究结果亦显示，电场在加速硫酸盐侵蚀过程中，未明显影响水泥水化程度，也未改变C-S-H凝胶中Si-O键合方式。因此，可否将电场用于快速评价水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能值得进一步探讨。

目录

1 绪 论

1.1 水泥基材料的硫酸盐侵蚀类型与影响因素

1.2 其它环境因素与硫酸盐侵蚀共同作用

1.3 电场对混凝土的影响

1.4 本课题的提出与主要研究内容

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

2.2 试验方法

3 电场作用下SO42–在水泥砂浆内的迁移及其影响因素

3.1 电场对SO42–迁移的影响

3.2 电场作用下液相环境对SO42–迁移的影响

3.3 电场作用下试件组成与结构对SO42–迁移的影响

3.4 本章小结

4 电场对水泥水化与硫酸盐侵蚀产物的影响

4.1 试件内和溶液温度变化

4.2 电场对水泥水化产物组成与结构的影响

4.3 电场对硫酸盐侵蚀产物的影响

4.4 本章小结

5 电场作用下水泥砂浆的溶蚀破坏

5.1 电场作用下砂浆内Ca2+的溶出

5.2 电场作用下砂浆内钙含量变化

5.3 电场作用下Ca2+溶出引起的水化产物组成与结构变化

5.4 电场作用下水泥砂浆的抗压强度变化

5.5 本章小结

6 电场与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土的劣化及其机理

6.1 混凝土劣化行为

6.2 电场与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土的破坏方式

6.3 电场对硫酸盐侵蚀的加速作用

6.4 不同侵蚀条件下混凝土组成与结构变化

6.5 电场与硫酸盐侵蚀共同作用下混凝土劣化机理

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文