高性能混凝土的化學(xué)腐蝕、鹽結(jié)晶和應(yīng)力腐蝕及其微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律.pdf

1、混凝土耐久性問題十分復(fù)雜,既是實際土木工程中不可忽視的重大技術(shù)問題,又是當(dāng)今國內(nèi)外混凝土學(xué)術(shù)界重點關(guān)注的重大科技問題。硫酸鹽、氯鹽和鎂鹽等化學(xué)腐蝕問題,干濕循環(huán)引起的鹽結(jié)晶問題和外部荷載引起的應(yīng)力腐蝕問題,以及鹽結(jié)晶與應(yīng)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(xiàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化配合比設(shè)計,綜合運用礦物摻合料的復(fù)合效應(yīng)、高效外加劑的減水和引氣作用、膨脹劑補(bǔ)償收縮作用和纖維增強(qiáng)作用等技術(shù),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(xué)腐蝕、鹽結(jié)晶、應(yīng)力腐蝕以及鹽結(jié)晶和應(yīng)力腐蝕耦合作用下的相對動彈性模量和質(zhì)量變化規(guī)律、表面剝蝕形態(tài)、腐蝕產(chǎn)物和顯微結(jié)構(gòu)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(yù)測方法,為混凝土材料耐久性評估與設(shè)計提供理論參考。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　第一章綜述了混凝土在化學(xué)腐蝕、鹽結(jié)晶、應(yīng)力腐蝕以及鹽結(jié)晶和彎曲應(yīng)力腐蝕耦合作用下耐久性問題和壽命預(yù)測方法研究的意義和最新進(jìn)展,指出當(dāng)前存在的問題,在此基礎(chǔ)上提出本文的主要研究內(nèi)容和方向。
　　第二章詳細(xì)介紹了混凝土原材料、配合比設(shè)計、混凝土制備、試驗主要儀器和試驗方法,設(shè)計了施加混凝土試件軸拉與軸壓應(yīng)力的耐久性實驗裝置。設(shè)計了4

4、種C50混凝土:粉煤灰(Fly ash,FA)摻量20％的FAC,復(fù)合摻加40%FA、10%磨細(xì)礦渣(Slag,SG)和5%硅灰(Silica Fume,SF)的 HPC,在 HPC基礎(chǔ)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(xué)腐蝕作用。

5、結(jié)果表明:氯鹽對混凝土不存在化學(xué)腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產(chǎn)生明顯的化學(xué)腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴(yán)重;氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽對混凝土的化學(xué)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(jié)晶腐蝕作用。結(jié)果表明:氯鹽對混凝土不存在明顯的鹽結(jié)晶腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產(chǎn)生

6、明顯的鹽結(jié)晶腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產(chǎn)生的鹽結(jié)晶腐蝕作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴(yán)重;鹽結(jié)晶加速硫酸鹽-鎂鹽對混凝土的化學(xué)腐蝕作用,氯鹽加速硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下混凝土的鹽結(jié)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(jié)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(yīng)力腐蝕作用。結(jié)果表明:氯鹽對混凝土不存在應(yīng)力腐蝕作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產(chǎn)生明顯的應(yīng)力腐蝕作用,應(yīng)

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

8、-鎂鹽彎曲應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)。
　　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(jié)晶和應(yīng)力腐蝕耦合作用。結(jié)果表明:氯鹽對混凝土不存在鹽結(jié)晶和應(yīng)力腐蝕耦合作用;硫酸鹽-鎂鹽對混凝土產(chǎn)生明顯的鹽結(jié)晶和應(yīng)力腐蝕耦合作用;硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽對混凝土產(chǎn)生的鹽結(jié)晶與彎曲應(yīng)力腐蝕的耦合破壞作用比硫酸鹽-鎂鹽環(huán)境下嚴(yán)重;硫酸鹽-鎂鹽和硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽環(huán)境下,鹽結(jié)晶和彎曲應(yīng)力腐蝕的耦合產(chǎn)生疊加效果,鹽結(jié)晶與彎曲應(yīng)力腐蝕兩者相

9、互促進(jìn);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(jié)晶和彎曲應(yīng)力腐蝕耦合作用。GHDC2具有較好的抗硫酸鹽-鎂鹽鹽結(jié)晶和彎曲應(yīng)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(jié)晶與彎曲應(yīng)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(chǎn)物和顯微結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn):混凝土內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物主要是石膏、AFt、AFm、C3A·CaCl2·10H2O和氫氧化鎂;根據(jù)不同混凝土

10、在多種腐蝕條件下的SEM圖,提出導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)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(kuò)展、連生、貫通成裂紋網(wǎng)絡(luò);礦物摻合料發(fā)生了火山灰反應(yīng),導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)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(kuò)展表面能,降低腐蝕微裂紋尖端的應(yīng)力集中程度,減少混凝土腐蝕過程中的膨脹應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力,有助于混凝土抗腐蝕能力的進(jìn)一步提升。
　　第八章總結(jié)大量試

11、驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,建立混凝土腐蝕過程中的內(nèi)部損傷演化方程,并在損傷演化方程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo),獲得混凝土內(nèi)部裂紋密度模型,得到混凝土在多種腐蝕條件下?lián)p傷過程中內(nèi)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(yù)測腐蝕環(huán)境下混凝土壽命的方法,與實測值比較發(fā)現(xiàn):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(yù)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(yù)測效果會更好。
　　第九章總結(jié)全文