孔结构对水泥基材料抗盐冻性能影响规律的研究

摘要

由寒冷环境所引起的冻融破坏是一种分布极为广泛的侵蚀形式，而盐湖环境、海洋环境及除冰盐的使用会加速水泥基材料损伤，其破坏程度和速率比普通冻融大几倍，甚至十几倍。水泥基材料是具有结构多尺度特性的非均质多相复合材料。明确多维/多尺度的孔结构表征参数，研究水泥基材料微观结构分析方法，实现水泥基材料孔结构经时变化和微裂纹演变的原位观测，是揭示其微观结构与宏观耐久性之间关联的基础。
　　根据桥梁工程结构部位的不同要求，设计了混凝土强度等级为C35和C50的抗盐冻混凝土。研究了新拌混凝土工作性、混凝土力学性能和氯离子渗透性能等。结果表明混凝土含气量增加会引起其强度降低，混凝土含气量每增加1％，则混凝土强度降低3％～5％。引气混凝土折压比提高，并且抗氯离子渗透性能得到改善，掺加矿物掺合料也可以减少氯离子渗透。研究结果表明集料在水泥基材料中不仅起到骨架支撑作用，还会影响内部气孔空间分布，其中水泥净浆由于不含粗细集料，其承气性差，引气效果低于混凝土，并且砂浆的承气性最好。
　　采用直线导线法、X射线断层扫描(X-CT)法、压汞(MIP)法和气体吸附法等多种分析测试手段，提出以孔隙率、孔径分布、孔形貌为参数的孔结构多尺度表征方法，并实现对孔洞空间分布的真实展示;探索了不同含气量水泥基材料的微观结构、孔洞全尺度孔径分布、孔形貌和空间排列特征及其抗盐冻性能，建立了孔结构特征与宏观性能之间的关系。直线导线法和X射线断层扫描法测孔范围是μm～mm尺度，可以测定引气剂引入的绝大部分气孔结构;压汞法和气体吸附法测孔范围分别是3nm～400μm和0.4nm～100nm，可以测定水泥基材料内部的毛细孔与凝胶孔结构。研究表明引气剂所引入的气孔孔径范围为50μm～350μm，并且这一范围内的气孔对水泥基材料抗盐冻性能影响最大。
　　采用快速冻融试验方法，研究盐冻过程中由表及里的梯度损伤规律;通过研究不同盐冻循环次数后孔结构和微裂缝的经时演变规律，以剥蚀量、质量变化率和相对动弹性模量保持率为媒介，建立了水泥基材料微观结构损伤与宏观性能劣化之间的联系。试验结果表明从冻融开始，剥落量一直在累积，而冻融试件质量和相对动弹性模量保持率先增加后降低。单纯提高混凝土强度等级并不一定利于其抗盐冻性能改善，含气量是影响抗冻性能的决定性因素。氯盐和冻融双重破坏作用环境下的混凝土，其含气量不宜低于4％。粉煤灰和矿渣微粉的掺入会使得混凝土含气量略有降低，以及气泡间距系数增大，从而导致混凝土的抗盐冻性能有所降低，建议有抗盐冻性要求的混凝土矿物掺合料掺量不宜大于35％。气泡间距系数与混凝土抗盐冻破坏能力有较好的相关性，仅仅使用新拌混凝土含气量不足以完全反映混凝土硬化后的气泡结构和特征，建议混凝土配合比设计时可采用含气量和气泡间距系数双参数来保证其抗盐冻性能。本文的研究成果为水泥基材料的抗盐冻性能理论研究具有直接借鉴价值，对实际工程应用具有可靠的指导意义。
　　水泥基材料在不同腐蚀环境下生成的腐蚀性产物各异，导致劣化速度快慢不同。通过利用X射线衍射法研究不同配合比水泥基材料的腐蚀产物，还利用电子扫描显微镜从微观形貌上研究不同的腐蚀产物的差异，同时利用能量色散X-射线分析法研究其产物元素含量。结果表明冻融前水泥基材料基体由水化密实的凝胶产物组成;冻融循环后钠离子和氯离子扩散进基体，并且孔内水化产物形貌由冻融前的密实状态转变为疏松而不具有凝胶能力的支棒状形貌。含气量高的水泥基材料抗盐冻性能明显得到改善，中等浓度盐溶液对水泥基材料的破坏作用最大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 混凝土耐久性

1．1．2 混凝土盐冻破坏

1．2 冻融破坏的研究现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 混凝土抗冻性能试验制度

1．2．3 混凝土抗冻性影响因素

1．2．4 混凝土冻融耐久性寿命预测模型

1．3 孔结构分析表征方法

1．3．1 水泥基材料的孔结构特性

1．3．2 水泥基材料中孔的分类与作用

1．3．3 水泥基材料孔结构的表征方法

1．4 研究内容

1．5 技术路线与创新

1．5．1 技术路线

1．5．2 课题特色与创新

第二章 原材料性能与试验方法

2．1 原材料性能

2．1．1 水泥

2．1．2 粉煤灰

2．1．3 矿渣微粉

2．1．4 高性能减水剂

2．1．5 引气剂

2．1．6 细集料

2．1．7 粗集料

2．1．8 拌合用水

2．2 试验方法

2．2．1 含气量测试

2．2．2 力学性能测试

2．2．3 动弹性模量测试

2．2．4 快速冻融试验

2．2．5 X射线衍射分析

2．2．6 扫描电子显微镜分析

2．2．7 直线导线法气孔结构测试

2．2 ．8 压汞法测试方法

2．2．9 X射线计算机断层扫描成像

2．2．10 氮气吸附法

第三章 抗盐冻高性能混凝土制备技术与基本性能研究

3．1 抗盐冻混凝土配合比设计

3．1．1 配合比设计要求

3．1．2 高性能抗盐冻混凝土的制备技术

3．2 水泥基材料工作性能

3．2．1 混凝土工作性能

3．2．2 净浆与砂浆工作性能

3．3 水泥基材料力学性能

3．3．1 混凝土力学性能

3．3．2 水泥净浆与砂浆力学性能

3．4 混凝土渗透性能研究

3．4．1 氯离子快速迁移系数法

3．4．2 电通量法

3．5 本章小结

第四章 水泥基材料孔结构测试与特征分析

4．1 直线导线法测试水泥基材料气泡结构参数

4．2 X射线断层扫描测试水泥基材料气泡结构参数

4．3 压汞法测试水泥基材料气泡结构参数

4．4 氮气吸附法测试水泥基材料气泡结构参数

4．5 本章小结

第五章 盐冻条件下引气高性能混凝土损伤劣化规律研究

5．1 水泥基材料盐冻性能变化规律

5．1．1 盐冻对水泥基材料外观形貌的影响

5．1．2 混凝土的抗盐冻性能

5．1．3 水泥石的抗盐冻性能

5．1．4 砂浆的抗盐冻性能

5．2 高性能混凝土抗盐冻性能影响因素研究

5．2．1 强度等级与孔结构对混凝土抗盐冻性能的影响

5．2．2 含气量对混凝土抗盐冻性能的影响

5．2．3 矿物掺合料对混凝土抗盐冻性能的影响

5．2．4 骨料对混凝土抗盐冻性能的影响

5．3 微观分析及机理探讨

5．3．1 水泥基材料盐冻后内部产物

5．3．2 水泥基材料盐冻前后微观形貌

5．3．3 水泥基材料盐冻后孔结构演变规律

5．3．4 混凝土抗盐冻性能机理分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献