水泥混凝土TSA破坏机理及其预防措施研究

摘要

水泥混凝土在硫酸盐、碳酸盐及低温环境的共同作用下生成碳硫硅酸钙(thaumasite)的过程为碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀-TSA(the thaumasite form ofsulfate attack)。传统的硫酸盐侵蚀(钙矾石型、石膏型等)破坏主要是导致混凝土构件的体积膨胀，开裂以至破坏。而TSA是直接导致CSH凝胶解体，逐渐由表及里使水泥石变为无强度泥状物，其破坏性和隐蔽性较传统硫酸盐侵蚀更强。本文以国家自然科学基金项目(50378075)和国家863项目(2002AA335050)为背景，在国内首次系统研究了环境条件和材料组分等因素对水泥砂浆TSA的影响规律和机理。通过国内西部及英国水泥混凝土TSA实例调研，探讨并确定了TSA的有效鉴定方法，建立了TSA的物理化学破坏模型，并针对其发展机理提出有效的预防措施。主要取得以下结论： 1、通过国内外相关水泥混凝土TSA现场及其取样调研，确定了有效鉴别TSA的观察及测试方法。宏观方面：受侵蚀试件的表皮脱落，由表及里的浆化，内芯被灰白色泥状物包裹，但内芯强度健存，随着时间的延续最终形成泥沙混合物。微观方面：因thaumasite与钙矾石晶体的XRD特征峰值极其相近，XRD分析无法证实腐蚀产物中是否存在thaumasite和/或钙矾石晶体；SEM-EDS分析可证实存在大量针状晶体物质的主要化学成分为Ca、Si、S或Al，从而有效区分thaumasite和/或钙矾石晶体；而FTIR和Raman波谱分析可证实thaumasite中[Si(OH)<,6>]八面体基团的存在，而有效区分thaumasite和/或钙矾石晶体。 2、同等温湿环境下，同一硫酸盐种类对水泥砂浆的侵蚀破坏力随溶液浓度增加而增强；其中，Na<,2>SO<,4>溶液对砂浆的侵蚀生成了以钙矾石为主的腐蚀产物；而在MgSO<,4>溶液中，砂浆会生成了以thaumasite为主的腐蚀产物，可证实Mg<'2+>的存在对TSA过程具有一定催化促进作用。 3、温度效应在水泥混凝土TSA过程中的作用较为明显。在5℃恒温、20℃恒温及5～20℃冷热交替温度环境下，掺石灰石粉水泥砂浆受2％MGSO<,4>溶液侵蚀1年后都生成了明显的thaumasite腐蚀产物，打破了长期以来认为混凝土结构只有在15℃以下较低温度环境中才可能发生TSA的传统观点。 4、特种水泥(抗硫酸盐水泥、硫铝酸盐水泥)在典型TSA环境下均会产生thaumasite腐蚀产物，它们均不能完全阻止TSA，但会在一定程度上延缓TSA的进程。水泥品种的抗TSA能力由高到低依次为：硫铝酸盐水泥+普通硅酸盐水泥复合>硫铝酸盐水泥>抗硫酸盐水泥>普通硅酸盐水泥。 5、水泥石中CH晶体是TSA的腐蚀源，抵抗TSA的关键在于有效控制水泥石中CH晶体含量及砂浆试件的早期强度。在典型TSA环境的低温条件下，矿粉掺量达到60％时的抗TSA效果最佳，其不但具有早期高活性，而且可以减少水泥石中CH晶体含量；而粉煤灰因其早期活性差而导致抗TSA效果差。不同掺合料对水泥抗TSA的改善效果从优到劣为：SL60>SF5SL25>SF8>SL30>FA15S125>FA20： 6、TSA的化学过程基本可划分为四个阶段：离子迁移期、AFt生成期、石膏生成期及thaumasite生成期；TSA物理过程可分为三个主要阶段：潜伏期、膨胀开裂期及软化解体期。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1水泥混凝土硫酸盐侵蚀概况

1.1.1硫酸盐物理侵蚀类型

1.1.2硫酸盐化学侵蚀类型

1.2水泥混凝土TSA国内外研究现状

1.2.1国外研究

1.2.2国内调研

1.3水泥混凝土TSA的主要影响因素

1.3.1环境条件对TSA的影响

1.2.3材料组分对TSA的影响

1.4研究内容与技术路线

1.4.1主要研究内容

1.4.2具体研究技术路线

1.5研究目的与意义

第2章原材料及实验方法

2.1试验原材料

2.1.1水泥

2.1.2其它矿物掺合料

2.1.3粗细骨料

2.1.4化学外加剂

2.2实验设计

2.2.1侵蚀环境

2.2.2试验配合比

2.3主要测试方法

2.3.1宏观性能测试

2.3.2微观性能测试

第3章侵蚀环境对水泥混凝土TSA的影响

3.1水灰比的影响

3.1.1外观

3.1.2强度

3.1.3孔隙结构分析

3.2侵蚀溶液种类及浓度的影响

3.2.1外观

3.2.2强度

3.2.3 XRD分析

3.2.4 FTIR分析

3.3温度效应的影响

3.3.1外观

3.3.2强度

3.3.3 XRD分析

3.3.4 FTIR分析

3.4本章小结

第4章材料组分对水泥混凝土TSA的影响

4.1水泥品种的影响

4.1.1外观

4.1.2强度

4.1.3膨胀率

4.1.4微观结构

4.2矿物掺合料的影响

4.2.1常规硫酸盐侵蚀环境

4.2.2典型TSA环境

4.3化学外加剂的影响

4.3.1外观

4.3.2强度

4.3.3 XRD分析

4.3.4 FTIR分析

4.4本章小结

第5章国内外水工混凝土TSA实例调研

5.1英国某桥墩基部混凝土TSA调研

5.1.1调研背景

5.1.2腐蚀物取样及微观分析

5.2国内西部水工混凝土TSA调研

5.2.1八盘峡水电站周边环境

5.2.2腐蚀物取样及微观分析

第6章水泥混凝土TSA过程模型及预防措施

6.1水泥混凝土TSA物理过程模型

6.1.1外观变化

6.1.2强度变化

6.1.3线性变形

6.1.4质量损失

6.1.5物理过程模型

6.2水泥混凝土TSA化学过程模型

6.2.1 XRD分析

6.2.2 FTIR分析

6.2.3化学过程模型

6.3水泥混凝土TSA预防措施

6.3.1化学组分

6.3.2亚微观结构

6.3.3施工设计

6.4高抗硫酸盐侵蚀胶凝材料设计

6.4.1高抗硫水泥掺合料及其制备方法

6.4.2高效广谱抗硫胶凝材料及其制备方法

6.5本章小结

第7章结论

参考文献

附录

致谢