裂缝自愈合对超高性能水泥基材料氯离子传输的影响研究

摘要

超高性能水泥基复合材料（UHPC）具有高抗压强度、低渗透率和良好耐久性等优异性能。超高性能水泥基复合材料在力学性能方面已取得了大量研究成果。然而，对于其抗渗透性能如开裂后氯离子等有害离子在超高性能水泥基材料中的传输性能尚缺乏充足研究，尤其是对于裂缝在潮湿环境下自愈合后对抗渗透性能的影响研究。 本文利用CEMHYD3D模型分析多种不同配合比、不同矿物掺合料情况下超高性能水泥基复合材料裂缝的自愈合程度，同时利用有限差分方法分析考虑自愈合情况的水分以及氯离子在超高性能水泥基复合材料中的传输，探讨了裂缝形态对开裂的超高性能水泥基复合材料物质传输的影响，并取得结论如下： 首先，本文采用CEMHYD3D水化模型模拟水化过程。为利用CEMHYD3D模型模拟含有硅灰及粉煤灰的水泥基复合材料，首先对CEMHYD3D模型的相关系数进行一定修正。在水化28天后的水化微结构模型中预制不同宽度的裂缝（10μm，30μm，50μm），并获得不同再水化时间各物质反应程度以及裂缝中的微结构，并分析各物质位置分布以及裂缝的自愈合程度。结果表明，矿物掺合料的掺加对裂缝的自愈合影响较小。当开裂水泥基材料在饱水状态下自愈合5个月时，裂缝宽度10μm时愈合程度为70%以上，裂缝宽度30μm时愈合程度为35%以上，裂缝宽度50μm时愈合程度为20%以上。 随后，根据CEMHYD3D水化模型得到的裂缝自愈合程度以及裂缝中各物质的分布，利用随机行走法得到随时间变化的裂缝的自愈合对不同裂缝宽度（10μm，30μm，50μm）、不同愈合时间的裂缝中氯离子及水分传输系数的影响，并拟合得到裂缝中氯离子传输系数及水分传输系数公式。结果表明，自愈合对氯离子系数的影响：硅灰+粉煤灰+水泥三元复掺的水泥基体系中自愈合前期裂缝中氯离子扩散系数降低速度较慢，后期则逐渐赶超纯硅灰+水泥二元复掺水泥基体系中氯离子扩散系数变化速率。当自愈合5个月左右时，三相复掺水泥基复合体系裂缝中的氯离子的扩散系数略低于二元体系以及纯水泥体系。裂缝宽度10μm的初始裂缝，裂缝中氯离子的扩散系数降低很快，愈合时间在1000h左右时，裂缝中氯离子的扩散系数降低到10-12m2/s量级。随着裂缝宽度的增加，自愈合对氯离子在裂缝中的传输速率的影响效果降低。 最后，利用有限差分方法确定在开裂水泥基复合材料中一定时间氯离子的传输深度，在考虑裂缝自愈合的影响基础上分别比较分析了水泥基材料不同矿物掺合料量、不同裂缝宽度、不同裂缝深度、不同愈合时间以及不同初始相对湿度对氯离子在开裂水泥基材料中传输深度的影响。结果表明，当裂缝宽度在10~50μm时，随着裂缝宽度的增加，裂缝内部氯离子浓度增大，沿裂缝方向传输深度影响不明显；粉煤灰的加入会增大氯离子在基体中以及在裂缝周围的传输深度。初始内部相对湿度对开裂超高性能水泥基材料氯离子传输深度影响明显，初始内部相对湿度越低，氯离子传输深度越大。 为验证模拟结果的准确性，同时进行了以下试验：（1）为验证CEMHYD3D模型模拟裂缝愈合程度的准确性，选用X射线显微镜试验分析不同裂缝宽度裂缝的愈合程度；（2）为验证基于Fick定律的有限差分方法确定的氯离子在水泥基材料中的传输深度，利用快速电迁移方法（RCM）确定相同水胶比不同矿物掺合料量水泥基复合材料水化28d的氯离子扩散系数，并利用硝酸银滴定方法确定自然扩散方法中浸泡在NaCl溶液中5个月的氯离子的传输深度；（3）利用CsCl增强的X-CT方法确定不同水灰比（0.18,0.35）水分传输深度。结果表明，试验结果与模拟结果具有较好的一致性。

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