混凝土的硫酸盐侵蚀机理与劣化的相关性研究项目摘要

通过大量对不同组成体系的溶液化学、电化学和物相分析试验，确定水泥材料与硫酸盐介质作用后，有害化合物形成反应机理和条件，结合水泥混凝土和砂浆试件经受硫酸盐介质侵蚀后，其微观结构观测、物相分析和物理力学性能的测试，揭示混凝土的硫酸盐侵蚀机理与劣化的相关性。为今后提高混凝土耐硫酸盐性能和混凝土使用寿命设计方法的研发、现场混凝土结构物的侵蚀破坏程度的评价方法和维护技术的开发，以及混凝土材料耐硫酸盐性能的有效试验方法的建立等提供理论和实验依据。这对我国国民经济建设和社会发展具有非常重要的意义。

硫酸盐侵蚀是威胁水泥混凝土耐久性的重要因素。本项目结合电场在水泥基材料快速试验方法中研究与应用的思考，系统研究了常温与低温环境中电场影响下水泥混凝土硫酸盐侵蚀行为与机理，主要内容及结论如下：①利用抗压强度、化学测试、红外、拉曼光谱、XRD和SEM-EDS等方法，系统研究了不同组成结构、环境、电场条件下电场影响下水泥混凝土的劣化行为。结果表明，常温环境电场影响下大量SO42-迁入混凝土内，硫酸盐侵蚀速率加快，同时试件内Ca2 不断溶出，电场在不改变侵蚀行为的前提下明显加快水泥基材料硫酸盐侵蚀。②测试了通电过程中溶液和试件内的温度变化，分析了电场对水泥混凝土稳定性影响。结果显示，通电产生的热引起试件内温度略有升高，约为1.5-4.9℃，未明显加速水泥后期水化，电场也未改变C-S-H凝胶结构中Si-O键的键合方式，电场也未明显改变水泥水化机理和硫酸盐侵蚀机理。③电场影响下硫酸盐侵蚀速率在常温环境中约为溶液浸泡侵蚀的3.4~4.4倍，在低温中是全浸泡下的4~6倍。常温电场影响下未改变侵蚀产物的分布规律，其侵蚀劣化来自于硫酸盐侵蚀和溶蚀破坏，其中硫酸盐侵蚀占主导作用；低温下确定了水泥基材料发生TSA侵蚀的重要影响因素以及所需的边界条件，即，pH值和Ca/S比满足以下范围时：10.60＜pH＜11.75，4.00＜Ca/S＜6.35，水泥基材料试件开始发生明显的TSA侵蚀。水泥基材料侵蚀劣化分为三个阶段，并定性和定量的给出了每个侵蚀劣化阶段对应的破坏特点和边界条件。④分析了电场作用下水泥混凝土硫酸盐侵蚀的影响因素并提供了加速侵蚀破坏试验条件的相关建议：电场采用电压30V、周期20s的脉冲电场，常温环境考虑脱钙等因素的影响选择阴极溶液为Na2SO4，阳极溶液为NaOH；低温环境下侵蚀溶液最好采用混合硫酸盐溶液；低温下试验温度选择为5℃。研究结果显示，电场影响下硫酸盐侵蚀过程显著加快，电场未明显影响水泥水化产物。与全浸泡环境对比，电场影响下并未改变水泥混凝土硫酸盐侵蚀过程和机理，电场的主要作用在于加速更多的侵蚀介质进入试件内部。

地铁运行产生的杂散电流对钢筋锈蚀及氯离子扩散的影响已受到重视，但对水泥混凝土硫酸盐侵蚀的影响少有关注；电渗脉冲用于抗渗防潮也存在对混凝土硫酸盐侵蚀影响的问题。为揭示电场对混凝土硫酸盐侵蚀的影响方式、影响程度与影响机理，提出本申请。拟选用直流电和脉冲电作为试验电场，通过改变液相环境、混凝土组成与结构，以及电场参数，研究电场影响下混凝土硫酸盐侵蚀前后性能变化，提出改善抗侵蚀性能的方法；采用分层切片与化学分析研究电场作用下混凝土内离子迁移与浸出；利用SEM、XRD、TG-DSC、FTIR等分析硫酸盐腐蚀产物微观结构，比较自然条件与电场影响的侵蚀差异，研究电场影响下混凝土硫酸盐侵蚀机理。研究成果将对了解电场与硫酸盐共同作用下对水泥混凝土的影响与危害，对确保电场影响下混凝土结构耐久性具有重要意义。以本项目成果为基础可延伸研究内容，建立混凝土性能退化模型，预测混凝土在电场和硫酸盐共存环境下的使用寿命。

再生混凝土技术是实现废弃混凝土资源化与产业化的重要基础和支撑，但随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的力学性能降低并出现较大的离散性。通过本课题的试验研究、理论分析和数值仿真，基本揭示了再生混凝土力学性能的劣化机理，提出了控制的方法和策略。 本课题的研究内容包括：1）提出了模型再生混凝土的新概念。在试验室完成了再生混凝土新老界面过渡区的硬度和模量测试，分析了再生骨料初试缺陷的分布与特点，开展了模型再生混凝土的加载试验，结合理论分析和数值仿真，发现了再生混凝土裂缝发生与扩展的基本特征，揭示了再生混凝土损伤演化、受力破坏和性能劣化机理，并进一步将模型再生混凝土拓宽应用到再生混凝土的氯离子扩散分析以及徐变机理分析等方面。2）完成了系列再生混凝土本构关系的研究。主要包括，单调荷载作用下的再生混凝土受拉本构试验与仿真、骨料咬合剪切-滑移本构试验与仿真；重复荷载作用下再生混凝土受压、弯折S-N曲线；高温作用后再生混凝土残余受压强度、弯折强度与经历温度之间的关系曲线；通过与普通混凝土的对比，这些工作从一个侧面进一步反映了再生混凝土的力学性能劣化规律。3）开发了新型再生混凝土构件，完成了再生混凝土构件的基本性能试验与分析。主要包括，钢纤维增强再生混凝土板及其冲切性能、钢管和GFRP管状约束再生混凝土柱及其受力性能、半预制再生混凝土梁和柱及其受力性能。以上工作从构件层次总结了再生混凝土力学性能提升的基本原理和方法。4）验证了再生混凝土结构的抗震能力。结合2个振动台试验，分析了现浇和预制再生混凝土框架结构的地震反应规律和抗震性能特点。这些工作从结构的层次阐释了再生混凝土力学性能调控的基本思路。 在这个课题的资助下，从材料、构件和结构3个层次，较为系统地揭示了再生混凝土力学性能劣化机理及其调控方法，为再生混凝土应用于结构工程奠定了一定的研究基础，也为再生混凝土结构设计指南和规范的制定提供了科技支撑。超额完成了预期研究目标，发表SCI收录论文24篇，EI收录论文13篇，先后10余次受邀参加国内外学术会议并作大会报告或主题报告。 2100433B