高性能混凝土的化學腐蝕、鹽結晶和應力腐蝕及其微結構演變規(guī)律.pdf

1、混凝土耐久性問題十分復雜,既是實際土木工程中不可忽視的重大技術問題,又是當今國內外混凝土學術界重點關注的重大科技問題。硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等化學腐蝕問題,干濕循環(huán)引起的鹽結晶問題和外部荷載引起的應力腐蝕問題,以及鹽結晶與應力腐蝕等耦合作用,都是影響混凝土耐久性的重要因素。本文在參考了大量文獻的基礎上,優(yōu)化配合比設計,綜合運用礦物摻合料的復合效應、高效外加劑的減水和引氣作用、膨脹劑補償收縮作用和纖維增強作用等技術,制備了粉煤灰混凝土(Fly

2、 ash concrete,FAC)、高性能混凝土(High performance concrete,HPC)和綠色高耐久性混凝土(Green high durable concrete,GHDC),研究了不同混凝土在化學腐蝕、鹽結晶、應力腐蝕以及鹽結晶和應力腐蝕耦合作用下的相對動彈性模量和質量變化規(guī)律、表面剝蝕形態(tài)、腐蝕產物和顯微結構變化,建立了混凝土的表面剝蝕等級變化規(guī)律、腐蝕損傷演化方程、腐蝕裂紋密度模型以及基于裂紋密度時空演變

3、的快速壽命預測方法,為混凝土材料耐久性評估與設計提供理論參考。本文的主要研究內容和結果如下:
　　第一章綜述了混凝土在化學腐蝕、鹽結晶、應力腐蝕以及鹽結晶和彎曲應力腐蝕耦合作用下耐久性問題和壽命預測方法研究的意義和最新進展,指出當前存在的問題,在此基礎上提出本文的主要研究內容和方向。
　　第二章詳細介紹了混凝土原材料、配合比設計、混凝土制備、試驗主要儀器和試驗方法,設計了施加混凝土試件軸拉與軸壓應力的耐久性實驗裝置。設計了4

4、種C50混凝土:粉煤灰(Fly ash,FA)摻量20％的FAC,復合摻加40%FA、10%磨細礦渣(Slag,SG)和5%硅灰(Silica Fume,SF)的 HPC,在 HPC基礎上綜合采用混雜纖維、膨脹劑和引氣劑的 GHDC,其中, GHDC1采用(聚丙烯+鋼纖維)二元混雜纖維,GHDC2采用(聚丙烯+聚酯纖維+鋼纖維)三元混雜纖維。
　　第三章主要研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下的化學腐蝕作用。

5、結果表明:氯鹽對混凝土不存在化學腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產生明顯的化學腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產生的化學腐蝕作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴重;氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽對混凝土的化學腐蝕作用。GHDC2具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽腐蝕和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽腐蝕能力。
　　第四章主要研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下的鹽結晶腐蝕作用。結果表明:氯鹽對混凝土不存在明顯的鹽結晶腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產生

6、明顯的鹽結晶腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產生的鹽結晶腐蝕作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴重;鹽結晶加速硫酸鹽-鎂鹽對混凝土的化學腐蝕作用,氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下混凝土的鹽結晶腐蝕作用,HPC具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽鹽結晶腐蝕能力。
　　第五章主要研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下的應力腐蝕作用。結果表明:氯鹽對混凝土不存在應力腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產生明顯的應力腐蝕作用,應

7、力狀態(tài)對混凝土的應力腐蝕破壞作用有重要影響?；炷猎谙嗤瑧λ?、不同應力狀態(tài)下的硫酸鹽-鎂鹽腐蝕損傷速度大小為:拉應力腐蝕>壓應力腐蝕>彎曲應力腐蝕>化學腐蝕。硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產生的彎曲應力腐蝕作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴重;彎曲應力加速硫酸鹽-鎂鹽對混凝土的化學腐蝕作用,氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下混凝土的應力腐蝕作用。HPC具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽拉/壓應力腐蝕能力和抗硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽彎曲應力腐蝕能力,GHDC2的抗硫酸鹽

8、-鎂鹽彎曲應力腐蝕能力較強。
　　第六章研究了混凝土在氯鹽、硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下的鹽結晶和應力腐蝕耦合作用。結果表明:氯鹽對混凝土不存在鹽結晶和應力腐蝕耦合作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產生明顯的鹽結晶和應力腐蝕耦合作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產生的鹽結晶與彎曲應力腐蝕的耦合破壞作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴重;硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下,鹽結晶和彎曲應力腐蝕的耦合產生疊加效果,鹽結晶與彎曲應力腐蝕兩者相

9、互促進;氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下混凝土的鹽結晶和彎曲應力腐蝕耦合作用。GHDC2具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽鹽結晶和彎曲應力腐蝕耦合破壞能力,FAC和HPC具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽鹽結晶與彎曲應力腐蝕耦合破壞能力。
　　第七章采用XRD和SEM-EDAX方法研究了混凝土的腐蝕產物和顯微結構變化。結果發(fā)現:混凝土內部的腐蝕產物主要是石膏、AFt、AFm、C3A·CaCl2·10H2O和氫氧化鎂;根據不同混凝土

10、在多種腐蝕條件下的SEM圖,提出導致混凝土內部微裂紋產生和擴展的“起裂元”新概念,微裂紋沿著起裂元周圍呈星形輻射狀引發(fā)、擴展、連生、貫通成裂紋網絡;礦物摻合料發(fā)生了火山灰反應,導致混凝土結構更加致密,提高了混凝土的抗腐蝕能力;摻加引氣劑形成的球形氣孔能夠大量地釋放氣孔附近區(qū)域腐蝕微裂紋的擴展表面能,降低腐蝕微裂紋尖端的應力集中程度,減少混凝土腐蝕過程中的膨脹應力和結晶應力,有助于混凝土抗腐蝕能力的進一步提升。
　　第八章總結大量試

11、驗結果和數據分析的基礎上,建立混凝土腐蝕過程中的內部損傷演化方程,并在損傷演化方程的基礎上進一步推導,獲得混凝土內部裂紋密度模型,得到混凝土在多種腐蝕條件下損傷過程中內部微裂紋的時空演變規(guī)律和特征;建立了運用損傷演化方程和裂紋密度演化方程預測腐蝕環(huán)境下混凝土壽命的方法,與實測值比較發(fā)現:運用混凝土損傷演化方程和裂紋密度損傷演化方程快速預測混凝土的腐蝕壽命,是切實可行的,其中裂紋密度損傷演化方程的預測效果會更好。
　　第九章總結全文