酸雨環(huán)境中水泥基材料腐蝕機(jī)理與防治技術(shù)的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,環(huán)境污染日益加劇,從而在世界許多地區(qū)形成了一種獨特的天氣現(xiàn)象--酸雨,并因此對包括水泥混凝土、灰砂漿等水泥基材料在內(nèi)的一切構(gòu)造物產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕破壞,從而給國家造成重大經(jīng)濟(jì)損失及材料浪費。因此,隨著當(dāng)前降雨日益酸性化及其帶來的危害越來越嚴(yán)重,有關(guān)水泥基材料酸雨侵蝕問題日益引起國內(nèi)外廣大科研工作者和工程技術(shù)人員的高度重視和關(guān)注。
　　 本文依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目-高抗?jié)B長壽命大管徑隧道管

2、片材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程應(yīng)用(項目編號:2005AA332010),主要針對當(dāng)前水泥基材料酸雨腐蝕行為及其工程應(yīng)用中存在的問題,圍繞酸雨環(huán)境中水泥基材料的侵蝕破壞行為、破壞影響因素、破壞機(jī)理及其防治等科學(xué)問題,開展了一系列應(yīng)用技術(shù)與理論研究,并從提高水泥混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命角度從發(fā),建立了綜合防治硅酸鹽水泥基材料酸雨侵蝕破壞的關(guān)鍵技術(shù)。主要工作及成果如下:
　　 1.對比研究了模擬酸雨和硫酸鈉溶液對水泥混凝土材料表面、內(nèi)部的侵蝕作用。

3、研究表明,與硫酸鹽等其它化學(xué)侵蝕不同,硫酸型酸雨對混凝土等水泥基材料的侵蝕破壞,在腐蝕初期雖然沒有對水泥基材料內(nèi)部造成實質(zhì)性損傷,但是對其表面卻產(chǎn)生了一定程度的侵蝕破壞作用。
　　 2.建立了一種以表面損傷因子和內(nèi)部損傷因子為評價指標(biāo)的水泥基材料酸雨侵蝕破壞無損在線評價方法。理論分析與試驗表明,這種無損在線評價方法具有方便簡捷、理論可靠、重復(fù)性較好等特點,可以科學(xué)、合理量化表征和評價酸雨侵蝕破壞過程中水泥基材料的腐蝕損傷程度。<

4、br>　　 3.系統(tǒng)研究了水泥基材料酸雨侵蝕破壞的影響因素。試驗表明,水泥品種、礦物摻合料、水灰比等材料組成參數(shù),以及酸雨的pH值、SO42-離子濃度等均對材料腐蝕速度、程度均有重要影響。采用抗硫酸鹽水泥或礦渣水泥可在一定程度上延緩酸雨侵蝕破壞進(jìn)程;摻入合適的礦物摻合料可改善硅酸鹽水泥基材料的抗酸雨侵蝕性能,尤以礦粉與硅灰復(fù)摻效果最為明顯;降低水灰比可提高硅酸鹽水泥基材料的抗酸雨侵蝕性能,但作用有限;酸雨對水泥混凝土的侵蝕破壞作用隨著

5、其酸度或SO42-濃度的增大而增大。
　　 4.著重探討了外界彎曲荷載、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等多因素協(xié)同作用對水泥基材料酸雨腐蝕的影響。研究表明,與酸雨侵蝕單一因素相比,在外界環(huán)境條件協(xié)同作用下混凝土酸雨腐蝕速度和程度明顯加大,且隨著外界環(huán)境條件的疊加腐蝕程度越來越嚴(yán)重。XRD、SEM微觀測試表明,多因素協(xié)同破壞作用機(jī)理主要是因為,在外界環(huán)境條件的協(xié)同作用下,水泥基材料原生微裂紋(表面或/和內(nèi)部)擴(kuò)展速度得以加速,以及促使覆蓋在混

6、凝土表面的CaSO4·2H2O等腐蝕產(chǎn)物快速脫落,使酸雨侵蝕介質(zhì)向內(nèi)部侵入的能力加強(qiáng)。
　　 5.深入研究了酸雨侵蝕破壞過程中水泥石的物相種類、數(shù)量和微觀結(jié)構(gòu)等變化及其與材料性能劣化之間的關(guān)系,并建立了一種用于揭示水泥基材料酸雨腐蝕機(jī)理的侵蝕破壞過程物理模型。研究表明,硫酸型酸雨對水泥基材料的侵蝕破壞主要是由其H+和SO42-共同侵蝕作用的結(jié)果,一方面,H+使硬化水泥石中的Ca(OH)2、CSH、CxAHy等物質(zhì)發(fā)生分解、轉(zhuǎn)化,

7、而引起結(jié)構(gòu)潰散性腐蝕;另一方面,SO42-與水泥石作用,生成膨脹性的物質(zhì)CaSO4·2H2O,而引起膨脹性腐蝕,并按照由表及里的漸進(jìn)形式進(jìn)行;腐蝕產(chǎn)物主要是CaSO4·2H2O晶體以及無膠結(jié)性的SiO2·nH2O和Al2O3·nH2O膠體等。
　　 6.研制出了一種能適用于酸雨侵蝕環(huán)境的低成本強(qiáng)耐酸雨侵蝕高性能水泥--AFRPC材料,并初步探討了采用JA改性瀝青、HL250防腐涂料等外涂技術(shù)對其抗酸雨侵蝕性能的改善作用。同時,建

8、立了硅酸鹽水泥基材料酸雨侵蝕破壞的綜合防治關(guān)鍵技術(shù)。研究表明,這種按照有機(jī)-無機(jī)三維互穿網(wǎng)絡(luò)滲流結(jié)構(gòu)設(shè)計思想開發(fā)的AFRPC材料,不僅符合通用水泥國家標(biāo)準(zhǔn)要求,而且可以大幅度提高其抗酸雨侵蝕能力。與普通硅酸鹽水泥混凝土相比,在相同酸雨侵蝕條件下AFRPC混凝土的使用壽命可以提高近一倍,而采用JA改性瀝青等外涂技術(shù)則對其抗酸雨侵蝕能力有較為明顯的改善作用。SEM、BSE和FTIR微觀測試表明,AFRPC材料使水泥混凝土抗酸雨侵蝕能力大幅度