硫酸盐侵蚀混凝土的钙溶蚀机制与劣化模型研究

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硫酸盐侵蚀是一种常见的混凝土耐久性问题,滨海和盐渍土地区的混凝土结构发生硫酸盐侵蚀破坏的现象屡见不鲜。钙溶蚀伴随着硫酸盐侵蚀的过程发生,对侵蚀过程中的化学反应、离子扩散有重要影响,但是硫酸盐侵蚀混凝土的钙溶蚀机制尚不清晰,并且现有的劣化模型中很少考虑钙溶蚀的影响。基于此,本文实验测定了硫酸盐溶液中的钙离子固液平衡曲线,揭示了硫酸盐溶液中钙溶蚀的机理,分析了离子浓度与温度对钙溶蚀影响,使用实验测定的固液平衡曲线建立了一个考虑钙溶蚀的硫酸盐侵蚀劣化模型。主要研究内容如下:实验室制备C-S-H凝胶并代替水泥进行固液平衡曲线的测定实验,以避免含铝相与硫酸盐的反应,解决了硫酸盐溶液中固相钙离子浓度难以测量的问题。采用滴定和XRF元素分析的方法,测定了溶液中各离子达到平衡时固液两相的钙离子浓度,获得了硫酸钠溶液中的钙离子固液平衡曲线。对比其他溶液中的固液平衡曲线,探究了硫酸根离子加速钙溶蚀的机理。研究结果表明:硫酸盐溶液中的钙离子溶出机制与去离子水中相似,都呈现分三阶段溶出的规律,且硫酸根离子的存在加速了钙离子溶蚀。测定了不同硫酸根离子浓度和不同温度条件的钙离子固液平衡曲线。通过对比固液平衡曲线关键参数的变化,分析了硫酸根离子浓度和温度对钙溶蚀过程的影响,根据实验测定的结果给出了考虑硫酸根离子与温度影响的固液平衡曲线模型。研究结果表明:离子浓度和温度不影响钙离子溶出规律,固液平衡曲线仍具有出三段溶出的特征。钙离子溶出总量随着硫酸根离子浓度增加而增加,但各阶段溶出的变化趋势略有不同。温度对C-S-H凝胶开始快速脱钙的浓度几乎没有影响,而钙离子饱和浓度随着温度的升高而降低。根据试验测定的钙离子固液平衡曲线,建立了考虑离子扩散、化学反应、钙溶蚀、体积膨胀等多因素的硫酸盐侵蚀劣化模型。使用氢氧根离子浓度代表固相钙离子溶出的总浓度,并利用固液平衡曲线计算固相钙离子溶出的速率,模拟了孔隙溶液中的钙离子浓度变化及生成沉淀的化学反应。通过与已发表文献中实验结果的对比验证了模型预测方法的准确性,最后分析了钙溶蚀的加速和孔隙率变化对硫酸盐侵蚀过程的影响规律。
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