硫酸盐拌合对FA-C复合浆体水化动力学及其C-S-H微结构的影响

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在我国淡水匮乏的南海岛礁和高盐环境的西部地区工程建设中,通常采用含有硫酸盐的海水和地下水拌合混凝土。本文针对硫酸盐侵蚀作用下混凝土胶凝浆体的微结构形成与演变机理尚未明确这一问题,依托国家“973”计划项目“严酷环境下长寿命混凝土材料微结构形成与调控”(2015CB655101),运用29Si NMR、27Al NMR、SEM-EDS和XRD等先进测试技术,研究了硫酸盐拌合及其外部侵蚀对FA-C复合浆体水化动力学及其C-S-H凝胶微结构形成与演变的影响机制。并在此基础上,采用硫酸盐侵蚀试验和热力学模拟软件GEMS,研究硫酸盐侵蚀对合成不同Ca/Si和Al/Si的C-(A)-S-H凝胶微结构形成演变的影响规律,探讨了硫酸盐对C-(A)-S-H热力学稳定性的影响机制。主要研究成果如下:研究了Na2SO4溶液拌和对纯水泥和FA-C浆体水化动力学的影响规。Na2SO4溶液拌合促进了纯水泥浆体和FA-C复合浆体中水泥和粉煤灰的早期(3d、7d和28d)水化。随着拌合水中Na2SO4浓度增加,纯水泥浆体和FA-C复合浆体水化3d的放热速率和放热量增大,3d至180d水化程度提高,且早期水化程度增幅高于水化后期。Na2SO4溶液拌合纯水泥浆体和FA-C复合浆体的水化过程均为:NG-I-D,Na2SO4浓度主要影响NG过程水化反应级数n和I过程控制时间,且随着Na2SO4浓度增加,NG过程水化反应级数n增大,I过程控制时间缩短,D过程反应速率常数略有增加。探明了Na2SO4溶液拌和对胶凝浆体中C-S-H凝胶的微结构影响机理。Na2SO4溶液拌合纯水泥浆体中,随着Na2SO4浓度增加,各龄期浆体中C-S-H凝胶的硅氧四面体的聚合程度、平均分子链长(MCL)增大,Al[4]/Si降低,其变化幅度随水化龄期的延长而减小。与纯水泥浆体相比,掺加30%粉煤灰均提高了各龄期浆体中C-S-H凝胶的MCL和Al[4]/Si;随着Na2SO4溶液拌和浓度增加,相同水化龄期下FA-C复合浆体中C-S-H凝胶的MCL增大,Al[4]/Si降低,其降幅较纯水泥浆体小。5%Na2SO4溶液拌和FA-C复合浆体(水胶比0.35)在标准条件下分别养护7d和28d后,再放入5%Na2SO4溶液中侵蚀至180d,浆体中C-S-H凝胶的MCL增大,Ca/Si和Al[4]/Si降低,其变化幅度随着养护龄期的缩短而增大,Na2SO4侵蚀对FA-C浆体中C-S-H凝胶有脱钙和脱铝作用。探讨了Na2SO4侵蚀对水热合成C-(A)-S-H热力学稳定性的影响机制。硫酸盐侵对合成C-(A)-S-H凝胶有脱钙作用,并促进硅氧四面体二聚体向多聚体转化,导致C-S-H凝胶MCL增大,Ca/Si降低,且其降低幅度随着Ca/Si的增加而增大;随着Al/Si增加,C-A-S-H聚合度增大,Ca/Si降低幅度减小。硫酸盐侵蚀脱去C-A-S-H凝胶中的Al[4],导致其Al/Si降低,促进脱去的Al[4]、Al[5]以及TAH和AFm中的Al[6]向AFt中Al[6]转变;随着Ca/Si降低,Al/Si降低幅度减小。热力学软件模拟计算结果与试验测试结果相吻合,降低Ca/Si和提高Al/Si,可提高C-A-S-H凝胶抗硫酸盐脱钙和脱铝能力,提升其热力学稳定性。论文的研究成果可为我国南海岛礁和西部高盐环境下高耐蚀混凝土设计制备及其微结构调控优化提供一定参考依据。
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