混凝土在ASR—氯盐腐蚀协同作用下损伤失效过程及机理研究

摘要

碱硅酸反应(ASR)、氯盐腐蚀是混凝土结构耐久性失效的两个主要原因。目前，对于单一因素作用下混凝土劣化过程的研究已有诸多报道，但关于混凝土在碱硅酸反应一氯盐腐蚀协同作用下的损伤失效过程及机理研究仍是空白。 本文以提高水泥碱含量、复合碱溶液浸泡、提高环境温度等复合破坏方式进行混凝土加速劣化试验。混凝土材料损伤的表征为膨胀率和相对动弹。参照冻融破坏标准，当相对动弹损失40％时判定材料失效。实验中通过不同龄期混凝土膨胀率和动弹性模量的测量，详细研究了混凝土在碱硅酸反应-氯盐腐蚀协同破坏作用下的损伤发展过程。通过不同暴露时期混凝土不同深度处白由氯离子和总氯离子含量测定，揭示了在发生碱硅酸反应情况下混凝土氯离子扩散、吸附的规律。此外，通过光学显微镜、SEM-EDAX、XRD等微观测试手段的运用并结合宏观测试结果，分析了混凝土在ASR-氯盐腐蚀协同作用下的破坏过程，探讨了NaCI加速碱硅酸反应的原因以及煤矸石延迟碱硅酸膨胀的机理。 经系统研究影响混凝土ASR膨胀的各因素后得出结论：在一定范围内随水泥碱含量增加膨胀增大；高浓度氯盐溶液对混凝土ASR膨胀前期加速显著，后期低浓度氯盐溶液的加速作用更为突出：煤矸石的掺入能有效延迟和减缓混凝土ASR膨胀。碱硅酸反应导致的材料损伤发展有一定的特殊性，其损伤发展过程分为三个突出的阶段，即早期相对动弹迅速下降；临近欠效状态相对动弹下降大大放缓甚至较长时间内保持不变；最后又以极其缓慢的速率发展至完全失效。 在碱硅酸反应协同作用情况下混凝土氯离子扩散规律为：混凝土中Cl<'->的扩散速率并不与其损伤程度成止比。表观扩散系数随暴露时间增加成负指数减小，表面氯离子浓度随暴露时间增加线性增大。ASR存在情况下混凝土氯离子结合能力很小，究其原因主要是剩余C<,3>A含量少、孔溶液pH值高、暴露环境温度高。 经光学显微镜原位追踪混凝土裂缝扩展情况，推测ASR-氯盐腐蚀协同作用下混凝土损伤失效机理为：ASR凝胶在界面反应区或迁移过程中吸水膨胀，导致混凝十内部出现微裂纹，NaCl等其它侵蚀性介质的侵入进一步加剧了混凝土损伤。经广泛综合前人研究成果并结合本实验微观测试结果，提出Cr<'->与碱硅凝胶之间相互作用使孔溶液保持高碱度是氯盐加速ASR膨胀的主要原因，Friedel盐填充在ASR引发的微裂纹中也加剧了混凝十的破坏性膨胀。煤矸石抑制碱硅酸反应的机理主要是，内部结构致密阻碍了离子侵入，反应速率受扩散过程控制。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1有关碱集料反应的研究现状

1.2.2混凝土内氯离子扩散的研究现状

1.3目前研究中存在的问题

1.4本文研究内容

第二章混凝土制备及基本性能

2.1试验部分

2.1.1原材料基本参数

2.1.2配合比

2.1.3试件制备和养护

2.1.4试验方法

2.2混凝土基本力学性能

2.2.1碱含量对力学性能的影响

2.2.2矿物掺和料对力学性能的影响

2.3本章小结

第三章ASR—氯盐腐蚀协同作用下混凝土损伤失效过程

3.1引言

3.2碱—硅酸反应膨胀机理及发生前提

3.2.1碱—硅酸反应膨胀机理

3.2.2碱—硅酸膨胀发生的条件

3.3混凝土的ASR膨胀发展

3.3.1水泥碱含量对ASR膨胀的影响

3.3.2氯盐溶液浓度对ASR膨胀的影响

3.3.3矿物掺和料对ASR膨胀的影响

3.4 ASR作用下混凝土相对动弹性模量变化

3.4.1水泥碱含量对混凝土相对动弹变化的影响

3.4.2氯盐溶液浓度对混凝土相对动弹变化的影响

3.4.3矿物掺和料对混凝土相对动弹变化的影响

3.5相对动弹—膨胀率对应关系分析

3.6本章小结

第四章ASR—氯盐腐蚀协同作用下混凝土氯离子扩散规律及结合能力

4.1引言

4.2取样、分析方法

4.3混凝土中氯离子的扩散

4.3.1自由氯离子随时间扩散规律

4.3.2表观扩散系数Dc*以及表面氯离子浓度C0时间发展规律

4.4混凝土氯离子结合规律

4.4.1混凝土对氯离子的吸附/结合机理

4.4.2 ASR—氯盐腐蚀作用下混凝土氯离子结合关系

4.5氯盐环境下混凝土使用寿命预测模型评述

4.6本章小结

第五章ASR—氯盐腐蚀协同作用下混凝土损伤失效微观机理分析

5.1引言

5.2体视显微镜原位追踪混凝土损伤过程

5.2.1试样制备与养护

5.2.2 ASR—氯盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程

5.3 NaCl加速碱硅酸反应的机理分析

5.4煤矸石抑制碱硅酸膨胀的机理分析

5.5本章小结

第六章本文结论

致谢

参考文献

硕士期间论文发表情况