溫度和硫酸鹽侵蝕對粉煤灰水泥漿體C-S-H微結(jié)構(gòu)的影響研究.pdf

1、在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土材料和結(jié)構(gòu)性能嚴(yán)重劣化，過早地退出服役。水化硅酸鈣（C-S-H）作為水泥基材料水化產(chǎn)物的主體，是混凝土材料的基本單元，因此從分子構(gòu)造尺度誘導(dǎo)和調(diào)控 C-S-H微結(jié)構(gòu)，是提升混凝土耐久性和服役壽命的重要技術(shù)途徑。然而，C-S-H極易受到礦物摻合料、溫度、侵蝕離子等因素影響而復(fù)雜多變，從而定量描述多因素影響下C-S-H微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，探明其C-S-H硅氧四面體聚合機(jī)理，是實(shí)現(xiàn)C-S-H微結(jié)構(gòu)可設(shè)計和可調(diào)控的基礎(chǔ)和關(guān)

2、鍵。
　　本文依托國家“973”項目“環(huán)境友好現(xiàn)代混凝土的基礎(chǔ)研究（現(xiàn)代混凝土膠凝漿體微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理）”，針對蒸養(yǎng)預(yù)制混凝土構(gòu)件和大體積混凝土變溫歷程 C-S-H微結(jié)構(gòu)的時變性；以及在不同溫度條件下硫酸鹽侵蝕不僅促進(jìn)水泥水化和激發(fā)粉煤灰反應(yīng)活性，而且影響膠凝漿體中四配位鋁（Al[4]）和六配位鋁（Al[6]）的分布，導(dǎo)致 C-S-H微結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多變，而傳統(tǒng)的表征手段難以定量分析等問題。采用模擬大體積混凝土變溫歷程的方法，運(yùn)用29

3、Si和27Al魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振（MAS NMR）結(jié)合去卷積技術(shù)，定量描述了在溫度變化條件下硅酸鹽水泥和粉煤灰水泥漿體 C-S-H微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，以及硫酸鹽侵蝕齡期、離子濃度、開始侵蝕時間對膠凝漿體 C-S-H微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；探討了鋁摻雜對C-S-H微結(jié)構(gòu)形成及其硫酸鹽侵蝕下的演變機(jī)理，并建立了相對應(yīng)的C-S-H結(jié)構(gòu)演變模型。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴探明了不同恒定溫度下膠凝漿體C-S-H中硅氧四面體聚合機(jī)理。在硅酸鹽水泥體系

4、，升高溫度提高硅氧四面體單體克服低能壘向二聚體轉(zhuǎn)化的程度，同時增強(qiáng)二聚體克服高能壘向多聚體轉(zhuǎn)化的能力，溫度越高和養(yǎng)護(hù)時間越長，二聚體向多聚體轉(zhuǎn)化程度越高，C-S-H平均分子鏈長（MCL）增幅越顯著。在此基礎(chǔ)上，揭示了不同恒定溫度下粉煤灰火山灰反應(yīng)促進(jìn)硅氧四面體聚合的作用機(jī)理，為建立 C-S-H微結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論奠定了基礎(chǔ)。探明了模擬大體積混凝土變溫歷程下 C-S-H微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與恒溫歷程的主要差異：在變溫歷程的降溫階段，水泥漿體硅酸鹽礦物

5、水化程度增大，二聚體數(shù)量增加導(dǎo)致C-S-H的MCL有所降低，同時促進(jìn)鈣礬石形成，消耗漿體中 Al[4]，致使 Al3+取代 Si4+程度（Al[4]/Si）略有減小；摻加粉煤灰有效彌補(bǔ)了降溫導(dǎo)致的水泥漿體 C-S-H的MCL和Al[4]/Si降低，為大體積混凝土溫控提供了理論依據(jù)。⑵闡明了膠凝漿體C-S-H中Al3+取代Si4+程度的演變機(jī)理：在硅酸鹽水泥體系進(jìn)入C-S-H的Al[4]，主要來源于固溶在Alite和Belite的Al[4

6、]和由TAH（Third aluminate hydrate）轉(zhuǎn)化形成的Al[4]；溫度升高有利于水泥漿體C-S-H中Al[4]/Si提高，但隨齡期延長Al[4]/Si趨于定值；摻加粉煤灰顯著提高Al[4]/Si，且升高溫度和延長養(yǎng)護(hù)時間，致使 Al[4]/Si大幅增加。掌握了粉煤灰摻量對水泥漿體C-S-H微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律：隨粉煤灰摻量增加，C-S-H的MCL和Al[4]/Si增大，粉煤灰摻量50％時增幅最大；升高溫度致使C-S-H的M

7、CL增幅隨粉煤灰摻量增加而增大，而Al[4]/Si增幅在粉煤灰摻量為30%時最大，為大體積混凝土中粉煤灰摻量的判定提供了理論支撐。⑶揭示了硫酸鹽侵蝕對水泥漿體 C-A-S-H的影響機(jī)理：硫酸鹽早齡期（3d）侵蝕促進(jìn)硅酸鹽礦物水化，有利于Al[4]進(jìn)入C-S-H結(jié)構(gòu)；延長侵蝕齡期，逐漸對C-A-S-H有脫鋁作用，而脫鋁造成的空位由[SiO4]占據(jù)。探明了粉煤灰增強(qiáng)C-A-S-H抗硫酸鹽脫鈣和脫鋁能力的作用機(jī)理。揭示了升高硫酸鹽濃度促進(jìn)C-

8、S-H的MCL和Al[4]/Si增加，加劇C-A-S-H解體向堿鋁硅（N-A-S-H）轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。闡明了Mg2+、Cl-、CO32-促進(jìn)SO42-侵蝕的影響規(guī)律。⑷探明了高溫養(yǎng)護(hù)提高粉煤灰水泥漿體C-S-H抗硫酸鹽侵蝕能力的作用機(jī)理：高聚合度C-S-H具有較強(qiáng)的抗硫酸鹽脫鈣能力，高聚合度C-A-S-H具有較強(qiáng)的抗硫酸鹽脫鋁能力。⑸采用化學(xué)合成C-S-H的方法，探明了不同鈣硅比C-S-H微結(jié)構(gòu)隨鋁硅比變化的演變本質(zhì)，為從組成設(shè)計上誘導(dǎo)