荷載與碳化耦合作用下水泥基材料的損傷機(jī)理和壽命預(yù)測(cè).pdf

1、隨著世界人口快速增長(zhǎng)和工業(yè)化大發(fā)展，全球大氣環(huán)境中二氧化碳?xì)怏w濃度急劇上升。二氧化碳濃度的增大和“溫室效應(yīng)”導(dǎo)致溫度的提高將大大加劇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的碳化，碳化反應(yīng)會(huì)加速混凝土中鋼筋的銹蝕，縮短鋼筋混凝土的服役壽命，這已經(jīng)引起了世界各國(guó)土木工程領(lǐng)域特別的重視。實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)混凝土總是在承載狀態(tài)下工作的，混凝土的碳化性能應(yīng)該伴隨著荷載作用和環(huán)境條件多重因素耦合作用，因此，單一碳化因素作用下的研究不能真實(shí)地反映客觀實(shí)際情況。彎拉荷載會(huì)使混凝

2、土基體內(nèi)在缺陷（如原生的孔隙、氣孔、微細(xì)裂縫等）發(fā)生擴(kuò)展、數(shù)量增多和尺度增大，成為二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散的快速通道，導(dǎo)致二氧化碳入侵加速，碳化反應(yīng)相應(yīng)加劇，同時(shí)，為深入揭示荷載與碳化耦合作用下水泥基材料劣化過(guò)程和損傷機(jī)理，也非常有必要研究微結(jié)構(gòu)時(shí)變規(guī)律。因此荷載與碳化耦合作用下水泥基材料的微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和損傷劣化過(guò)程問(wèn)題是一個(gè)十分重要且迫切需要解決的物理-化學(xué)-力學(xué)因素耦合的難題。
　　 本文圍繞著荷載與碳化耦合作用下水泥基材料的微結(jié)

3、構(gòu)演變規(guī)律和損傷劣化過(guò)程與機(jī)理，揭示了不同應(yīng)力比的彎曲荷載作用下水泥基材料碳化深度的時(shí)變規(guī)律，同時(shí)利用現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試新技術(shù)，研究分析了水泥基材料碳化反應(yīng)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，定量表征分析了固相組成以及孔結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，同時(shí)原位追蹤觀察了碳化反應(yīng)過(guò)程微觀形貌的演變特征，研究了水泥基材料碳化反應(yīng)前后納米力學(xué)行為的時(shí)變特征，以及無(wú)損原位追蹤揭示了碳化反應(yīng)過(guò)程三維立體微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，最后，基于上述微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律考慮了物理-化學(xué)-力學(xué)三重因

4、素建立了二氧化碳的傳輸模型，碳化反應(yīng)的損傷劣化模型，碳化深度和壽命預(yù)測(cè)模型。本文所取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　 (1)剖析了荷載和碳化因素耦合作用下水泥基材料碳化深度時(shí)變特征與規(guī)律
　　 研究了無(wú)荷載作用下不同水灰比的水泥凈漿，砂漿，混凝土試件的加速碳化深度時(shí)變規(guī)律，同時(shí)采用彎曲荷載加載系統(tǒng)，研究了應(yīng)力比分別為0.2，0.4和0.6的砂漿和混凝土試件的碳化深度時(shí)變規(guī)律，并分析了彎曲受拉和彎曲受壓荷載影響碳化反應(yīng)速率的機(jī)

5、理。研究結(jié)果表明:與未加荷載的砂漿和混凝土試件相比，受拉區(qū)的加速碳化深度值增大，受壓區(qū)的加速碳化深度值減小;在碳化時(shí)間相同時(shí)，隨著應(yīng)力比從0.2到0.4再到0.6逐漸增大，受拉區(qū)的加速碳化深度值也逐漸增大，而受壓區(qū)的加速碳化深度值逐漸減小，也就是說(shuō)應(yīng)力比越大，加速碳化速率越大;對(duì)于荷載種類來(lái)說(shuō)，彎曲受拉區(qū)對(duì)加速碳化深度值的影響要大于彎曲受壓區(qū)，并且應(yīng)力比越大，該現(xiàn)象越明顯。
　　 (2)揭示了水泥基材料的碳化反應(yīng)過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)的演

6、變規(guī)律
　　 采用了XRD，TG-DSC，ESEM-EDAX和MIP研究了水泥基材料碳化反應(yīng)過(guò)程的固相組成和孔相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，研究結(jié)果表明:碳化反應(yīng)后，氫氧化鈣明顯減少，但沒(méi)有完全耗盡，尚有少量殘余，碳酸鈣明顯增加，碳酸鈣的三種礦物形式中，方解石(calcite)的增加量最為顯著，同時(shí)有少量的球霰石(vaterite)生成，但未發(fā)現(xiàn)有文石(Aragonite)生成。碳化反應(yīng)生成的CaCO3不只是Ca(OH)2一種物質(zhì)碳化反應(yīng)的

7、結(jié)果，而且還有其他可碳化物質(zhì)(C-S-H凝膠，C3S和C2S)參與碳化反應(yīng)生成了CaCO3。碳化反應(yīng)后，碳(C)和氧(O)元素含量百分?jǐn)?shù)比碳化反應(yīng)前明顯增大，而鈣(Ca)元素含量百分?jǐn)?shù)明顯減小，硅(Si)元素含量百分?jǐn)?shù)變化并不明顯。碳化反應(yīng)后，水泥基材料的孔隙率下降，堆積密度和表觀密度增大，從而結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，水灰比越大，碳化反應(yīng)后孔隙率下降越明顯?？壮叨确植家灿忻黠@的變化，10nm～45nm和45nm～450nm區(qū)域的孔隙率下降比例最為

8、顯著，因此Knudsen擴(kuò)散和過(guò)渡區(qū)擴(kuò)散為二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散的主要模式，F(xiàn)ick擴(kuò)散次之。碳化反應(yīng)后，最可幾孔徑明顯減小，平均孔徑也明顯減小，而臨界孔徑卻明顯增大，這說(shuō)明碳化反應(yīng)后，孔道的連通性下降，曲折度相應(yīng)增大，從而傳輸能力下降，這就導(dǎo)致二氧化碳?xì)怏w的傳輸系數(shù)變小，碳化反應(yīng)速率降低。
　　 (3)運(yùn)用納米壓痕技術(shù)研究了水泥基材料碳化反應(yīng)過(guò)程納米力學(xué)行為的演變規(guī)律
　　 本文首先分析了目前常用的幾種納米壓痕儀并總結(jié)了納米

9、壓痕技術(shù)的測(cè)試原理，同時(shí)介紹了水泥基材料的納米壓痕測(cè)試樣品的制備過(guò)程及特殊要求，詳細(xì)地論述了納米壓痕儀在水泥基材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其存在的主要問(wèn)題，展望了其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景，最后對(duì)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展方向提出了建議。
　　 同時(shí)，采用納米壓痕儀研究了碳化反應(yīng)前后水泥基材料的彈性模量和硬度值的演變規(guī)律，研究結(jié)果表明:碳化反應(yīng)導(dǎo)致7～34GPa和83～160GPa區(qū)間的彈性模量頻率值顯著減小，同時(shí)34～83GPa區(qū)

10、間的彈性模量頻率值顯著增大。LDC-S-H凝膠要比HDC-S-H凝膠更容易被碳化分解。碳化反應(yīng)導(dǎo)致0.15～1.75GPa和4.15～8.20GPa區(qū)間的硬度頻率值顯著減小，同時(shí)1.75～4.15GPa區(qū)間的硬度頻率值顯著增大。碳化反應(yīng)前，未水化水泥顆粒的尺寸約為15～30um，水化產(chǎn)物以未水化水泥顆粒為中心向周圍擴(kuò)散生長(zhǎng)，彈性模量和硬度值隨距離（未水化水泥顆粒中心）增大而減小。碳化反應(yīng)后，未水化水泥顆粒的數(shù)目減少，同時(shí)尺寸減小為5～2

11、0um。
　　 (4)運(yùn)用X射線CT原位追蹤無(wú)損表征碳化反應(yīng)過(guò)程三維微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律
　　 采用X射線CT實(shí)行對(duì)比測(cè)試，追蹤測(cè)試和加載測(cè)試三種方式，無(wú)損檢測(cè)了水泥基材料碳化反應(yīng)過(guò)程的三維微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，研究結(jié)果表明:利用XCT灰度值的差異可以表征水泥凈漿和砂漿的碳化深度值?；叶鹊拇笮〈碇嚰芏鹊拇笮。叶戎翟酱?，試件密度就越大。碳化反應(yīng)的生成物CaCO3的密度要比反應(yīng)物Ca(OH)2和C-S-H凝膠大，XCT掃

12、描后密度相對(duì)較大部分的亮度更大，密度相對(duì)較小的部分更灰暗，這樣就可以區(qū)分出已碳化區(qū)域和未碳化區(qū)域，由此可以得出不同碳化時(shí)間的碳化程度，同時(shí)研究了不同碳化齡期的孔隙和裂紋在三維空間結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。本文設(shè)計(jì)了一套新的加載裝置，采用四點(diǎn)彎曲的加載方式，可以區(qū)分出砂漿試件受到彎壓作用和彎拉作用的區(qū)域，分別測(cè)定其微結(jié)構(gòu)隨碳化反應(yīng)的演變情況。干燥處理前水泥凈漿和砂漿試樣的平均灰度值大于干燥處理后的平均灰度值，同時(shí)干燥處理對(duì)水泥凈漿試樣的影響要大于對(duì)

13、砂漿試樣的影響。
　　 (5)建立了基于微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的傳輸模型、損傷劣化模型和碳化壽命預(yù)測(cè)模型
　　 基于碳化反應(yīng)過(guò)程的微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，建立了考慮孔結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔隙率，孔尺度分布，孔飽水度，孔曲折度，連通性，窄縮因子等）的二氧化碳的傳輸模型;同時(shí)，建立了考慮碳化反應(yīng)過(guò)程中二氧化碳和氫氧化鈣在碳化反應(yīng)中的消耗速率，碳酸鈣的生成速率，以及孔隙溶液中的pH值的損傷劣化模型;最終，根據(jù)二氧化碳?xì)怏w的質(zhì)量守恒定律，建立了碳化深度預(yù)