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硫酸盐侵蚀混凝土研究现状‘OD体育官网’

更新时间  2021-06-05 10:45 阅读
本文摘要:混凝土是目前用于最普遍的结构材料,其耐久性将直接影响着结构的安全性、可靠性、耐久性,国内外对混凝土耐久性展开了大量的研究,获得了相当多的研究成果。混凝土硫酸盐风化是危害性较小的一种侵蚀性介质毁坏,也是影响混凝土耐久性的最重要因素之一,同时还是影响因素最简单、危害性仅次于的一种环境水风化【[l]武志刚,王彩瑞.混凝土硫酸盐风化试验中的思维[J].化学工程与装备,2008(6):77一78】。

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混凝土是目前用于最普遍的结构材料,其耐久性将直接影响着结构的安全性、可靠性、耐久性,国内外对混凝土耐久性展开了大量的研究,获得了相当多的研究成果。混凝土硫酸盐风化是危害性较小的一种侵蚀性介质毁坏,也是影响混凝土耐久性的最重要因素之一,同时还是影响因素最简单、危害性仅次于的一种环境水风化【[l]武志刚,王彩瑞.混凝土硫酸盐风化试验中的思维[J].化学工程与装备,2008(6):77一78】。

我国沿海海水硫酸盐含量大约1400mg/L~2700mg/L,因此沿海地带的跨海大桥以及众多海洋工程都将受到硫酸盐的风化毁坏,同时硫酸盐风化混凝土时又受到外界众多因素的影响,每种因素的影响效果和起到机理并不完全相同,这就必须对硫酸盐在外界因素影响下对混凝土的风化毁坏展开研究,探寻其毁坏机理,创建可信的综合受损模型,并更进一步为硫酸盐风化下混凝土寿命预测获取理论基础。1硫酸盐风化混凝土微观机理目前国内外对硫酸盐风化混凝土宏观和微观机理都有大量的研究,广泛获得的结论是硫酸盐入侵混凝土内部导致收缩毁坏,经常出现石膏型风化、钙矾石型风化、碳硫硅钙型硫酸盐风化、硫酸盐结晶型风化。  水泥水化产物在硫酸盐环境下并不是所有的产物(C-S-H,CH,C-A-H)能正处于稳定状态,不会再次发生如下化学反应:  Ca(OH)2+C-S-H+SO42-+H2OCaSO4.2H2O  Ca(OH)2+C-S-H+MgSO42+H2OCaSO4.2H2O+Mg(OH)2+SiO2.xH2O  3CaO.Al2O3.Ca(OH)2.(12-18)H2O+SO42-.2H2O+H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O  Ca(OH)2+C-S-H+SO42-+CO32-+H2OCaSiO3.CaCO3.CaSO4.H2O1.1石膏型风化  石膏风化易受外界环境的影响,有研究指出只有在SO42-含量小于1000mg/LH和PH大于12.9【刘赞群】时才不会有石膏的分解,当PH大于11.6-12【高润东】时钙矾石的分解成也不会分解石膏,反应方程如下:  氢氧化钙分解石膏:  Ca(OH)2+SO42-+2H2OCaSO4.2H2O+2OH-  钙矾石分解成分解石膏:  3CaO.Al2o3.3CaSO4.32H2O+4SO42-+8H+4CaSO4.2H2O+2Al(OH)3+12H2O  石膏作为硫酸盐风化混凝土毁坏最重要的原因之一,有报告称之为石膏的从分解不会引发体积收缩为原本的1.24倍【黄战】,进而造成混凝土经常出现收缩形变的毁坏。

  金祖权[18]对矿渣混凝土硫酸盐生锈研究,试验中从微观层面对风化产物展开了分析,结果表明:生锈产物主要为石膏和钙矾石比起于水化产物Ca(OH)2和CAH凝胶,生锈产物的体积减少了50%以上,最后对混凝土导致收缩毁坏,但是对于此时的体积收缩原因金祖权并没更进一步解释。忽略,对于石膏的收缩毁坏,Hanson指出分解石膏的体积不有可能比原混凝土内部空隙以及消耗掉的氢氧化钙的体积大,石膏并会引发混凝土的收缩毁坏。  高润东使用热分析方法和硫酸钡重量法对风化产物展开分析,较低强度混凝土(W/C=0.57、0.44)在风化前期就找到有石膏的分解,而高强度混凝土(W/C=0.35、0.28)在风化180d和270d才开始经常出现石膏。

陈记豪应用于热分析方法对钙矾石展开研究,在硫酸根浓度为5000mg/L中侵泡的混凝土表面层,在部分龄期找到了石膏,但含量大于钙钒石。刘赞群[11]运用环境扫描电镜、能谱仪和X射线散射等微观分析手段研究了平稳环境中半洗净混凝土试件在硫酸钠和硫酸镁溶液中的劣化毁坏特征,以及混凝土碳化对“混凝土硫酸盐结晶毁坏”的影响。通过对界面过渡区开裂的水泥净浆表面和细骨料表面产物展开了微观分析,结果表明:细骨料界面过渡区分解的大量钙矾石和石膏等晶体是引发混凝土试件劣化的原因。

  通过以上分析由此可知在硫酸盐风化中普遍存在着石膏的经常出现,但是对于石膏的分解机理以及导致混凝土毁坏的原因并没被接纳的程度,甚至不会经常出现忽略的结论。1.2钙矾石型风化  在混凝土不受硫酸盐风化下的毁坏,钙矾石被指出是导致混凝土毁坏最主要的原因,钙矾石的分解不会导致体积减小2.77倍,造成混凝土的收缩毁坏,钙矾石收缩毁坏牵涉到物理化学等众多问题,影响因素非常复杂。  钙矾石分解过程化学方程式如下:  3CaO.Al2O3+3Ca2++3SO42-+26H2O3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H20  3CaO.Al2O3.Ca(OH).xH2O+2Ca2++3SO42-+(31-x)H2O  3CaO.AL2O3.3CaSO4.32H2O  3CaO.Al2O3.CaSO4.xH20+2Ca2++2SO42-+(32-x)H2O  3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O  国内外对钙矾石风化的研究较为多,广泛获得因收缩形变造成混凝土的毁坏,并且指出钙矾石的分解速率由铝相的沉淀速率要求【高润东】  陈记豪在寒带循环中将混凝土试块侵泡在浓度800mg/L、6000mg/L和50000mg/L的硫酸钠溶液中风化龄期360d的混凝土生锈产物皆以钙钒石居多,并且开始生锈阶段第一层少于第二次但随着风化时间的减少,第二层快速增长到多达第一层的数量,但是钙矾石数量总体趋势是渐渐交.余振新、高建明[5]研究了倾斜荷载-寒带交错-硫酸盐三因素耦合起到下的混凝土受损劣化过程,使用环境扫描电镜(ESEM)仔细观察了耦合起到下的混凝土微观结构演进过程中找到有钙矾石和石膏,并且不会随着风化时间的快速增长,风化产物激增的现象,并且不会在风化过程中因寒带循环和荷载的起到,造成混凝土经常出现大量的裂缝,加快了硫酸盐的风化,在宏观上展现出为动弹性模量上升。

  E.F.Irassar[26]对在常温下的普通水泥和石灰岩水泥不受硫酸盐风化的微观研究,实验中从试样表面到混凝土的核心使用XRD展开研究,结果表明:掺有石灰岩的混凝土不受硫酸盐的风化下,具备从外部向内部蔓延的特征,首先经常出现的是钙矾石,然后是石膏,最后当浆体毁坏时经常出现碳硫硅钙石。  尽管国内外对钙矾石的毁坏研究较多,钙矾石的分解与硫酸根的浓度、溶液的PH、寒带循环以及外部荷载起到下都有大量的研究成果,但是对于钙矾石的的收缩毁坏机理并没统一的了解,对于是由于钙矾石自身的收缩还是在碱性环境下钙矾石的柔软造成的收缩毁坏目前还正处于研究阶段。

1.3碳硫硅钙型风化(TSA)  TSA化学方程式如下:  C3S2H3+2CSH2+2CC+24H2C3SCSH15+CH  C6AS3H32+C3S2H3+2CC+4H2C3SCSH15+CSH2+AH3+4CH  目前对于碳硫硅钙石的分解条件还在研究,获得的结论是碳硫硅钙石的分解条件与温度、PH、湿度都有关系,有研究指出在碱性环境时碳硫硅钙石能平稳不存在,在的酸性环境下碳硫硅钙石就不会分解成沦为碳酸钙和另外一种含钙的物质【刘赞群】,某种程度对于温度的影响效果也没获得较为完全一致的结论。1.4硫酸盐结晶型风化  Na2SO4+10H2ONa2SO4.10H2O  MgSO4+7H2OMgSO4.7H2O  有研究指出混凝土因结晶产物的分解不会收缩4-5倍,不会产生相当大的收缩形变,导致混凝土裂开毁坏,对于硫酸盐结晶毁坏机理,N.Thaulow和S.Sahu总结出有三种结论:固相体积变化理论、结晶水压力理论、盐结晶压力理论。  M.Steiger根据晶体表面化学能与晶体颗粒活性推论了计算出来结晶力的方程。根据Morensen的假设,Scherer推论了结晶水通压力的产生的热力学计算出来。

  虽然对结晶毁坏国内外都有大量的研究,并创建了结晶压力的计算出来模型,但是并没确实说明了结晶对混凝土的毁坏机理。2硫酸盐与氯盐在混凝土中交互作用蔓延的研究  目前对于硫酸盐与PH、碳化起到研究的较为多并获得了一系列成就,但是国内外对混凝土在硫酸盐和氯盐的交互作用下的受损研究并不多见,对硫酸盐和氯盐在混凝土的蔓延研究尚能没统一的了解{金祖权}  针对硫酸盐和氯盐在混凝土中相互作用下的蔓延研究,金祖权将OPC和MPC洗净在(3.5%NaCl)单一溶液、(5.0%Na2SO4+3.5%NaCl)填充溶液中通过研究硫酸盐对氯盐的蔓延影响效果指出:硫酸盐的不存在减少了氯盐的蔓延速度,不利于提升混凝土外用氯离子蔓延的能力。陈晓斌在实验中用(3.5%NaCl+5%Na2SO4)风化溶液某种程度获得了完全相同的结论,认为硫酸盐的不存在并不影响氯盐的蔓延规律,意味着是减少了氯盐在混凝土中的蔓延速度。

Tumidajski在研究(W/B=0.42,不含气量6%)矿渣混凝土和普通混凝土中氯离子渗入了解随硫酸根的影响,实验结果表明:氯离子在矿渣混凝土和普通混凝土的渗入了解不受硫酸根的影响有所不同,在填充溶液中硫酸根的不存在氯离子在普通混凝土的渗透深度,但减少了氯离子在矿渣混凝土的渗透深度。  黄文新在展开地铁混凝土结构在环境多因素下耐久性研究时,以离子含量(7203mg/LCl-+2805mg/LSO42-)溶液展开实验,结果表明:混凝土在Cl-和SO42-双因素下,外界渗进混凝土的可溶性so42含量,在表格、中、内层都大于CL-的含量,在表层中的SO4与CL含量差异更大,并且实验指出混凝土中有效地cl-(cl=cl-+so4*0.25)含量低于cl-单因素下入侵混凝土的CL离子的含量,以此解释SO-的不存在加快了钢筋的破损。  金祖权在研究氯离子在混凝土中的蔓延不受硫酸根浓度影响中,将MPC在浓度分别为(3.5%NaCl,3.5%Nacl+5.0%Na2SO4,3.5%NaCl+10%Na2SO4)三种溶液中洗蒸90,400d,测试时氯离子的浓度含量,结果表明,随着生锈时间的有所不同,氯离子的含量变化不受硫酸根浓度的影响并不相同,90d时溶液中硫酸根的浓度减少,减少了氯离子入侵混凝土各层的含量,400d时混凝土各层氯离子的含量因硫酸根浓度的增大而提升。

但是Dehwah在研究填充溶液中钢筋破损速度的试验中,以(W/C=0.45,水泥用量350Kg/m3)提炼钢筋混凝土,填充溶液分别为5%NaCl+1%(SO+SO),5%NaCl+2.5%(SO+),5%NaCl+4%(SO+SO),用于生锈电势监控钢筋初始破损,用于腐蚀电流密度监控钢筋生锈速度,实验结果表明:钢筋开始破损时间会因硫酸根的浓度和阳离子的转变而发生变化,但是钢筋破损速度会因硫酸根的浓度和侵泡时间的减少而减缓。  目前对于硫酸盐和氯盐的交互作用时对混凝土的毁坏机理,是由于二者在混凝土渗入蔓延的相互影响的物理起到,还是由于二者在混凝土中相互作用再次发生某种化学反应,目前学术界还没完全一致的结论,必须更进一步研究。3硫酸盐风化混凝土受损模型  国内外对硫酸盐风化混凝土损失模型展开了大量的研究,但是由于目前还都是正处于实验室阶段,其实验环境及风化时间和实际工程都不存在相当大的差距,因此国内外所获得的一些模型并无法很好的对实际工程的受损展开预测,造成无法精确的预测工程的服役寿命,因此对于硫酸盐风化混凝土的受损模型研究仍然是混凝土耐久性研究的热点,一旦获得较为精确的受损模型就有可能对预测工程寿命获得阶段性进展。

  目前硫酸根蔓延受损模型研究较多,较为经典的有Marchand和Samson创建的STADIUM模型、Tixier和Barzin创建的化学-力学受损模型、Bentz创建的CONCLIFE模型。  Ping和Beaudoin指出收缩形变是造成钙矾石毁坏混凝土的主要原因,于是基于热动力学明确提出了硫酸盐收缩理论。

  Gospodinov创建了非稳态3D蔓延模型    AndrésE.Idiart[23]对在硫酸盐风化下,混凝土裂缝和受损的化学-粒度展开分析,并创建了基于微观层面的硫酸盐风化下混凝土的受损模型。  宋慧以单一硫酸盐风化混凝土试验条件创建了内收缩形变和混凝土材料平均值突发事件的关系,但是该模型只是在硫酸盐单一环境下的结论,对于简单的的海洋环境中氯盐、PH以及温度的变化都没考虑到进来,同时对混凝土材料的多孔性也没加以考虑到,具备很大的局限性,很难在实际中应用于。  虽然一些理论模型能很好的与实验结果想要相符但是依然无法很好在实际工程中预测硫酸根的蔓延受损。

  Peter通过将75mm*75mm*280mm混凝土式样放进浓度分别为22.19g/L+4.95g/LNaCl和22.19g/L+4.95g/LNaCl+CO2(在溶液中持续饱和状态),以Fick第二定律创建了硫酸根的蔓延方程    C(x,t)--给定时刻和风化深度的硫酸根的浓度  C0--混凝土式样表面的硫酸根浓度  x--风化深度  t--风化时间  Deffective--硫酸根有效地扩散系数  通过对两种实验状态的研究获得基于时间和CO2的有效地硫酸根扩散系数  Deffective=2.217*10-7*t-0.76  DCO2effective=5.161*10-7*t-0.86  通过带进上式获得基于时间和CO2的硫酸根蔓延方程      孙超基于Fick第二定律和硫酸根离子的化学反应消耗,创建了硫酸根离子的一维非稳态蔓延方程      式中,C(x,t)--给定时刻和风化深度的硫酸根的浓度  Deff--硫酸根有效地扩散系数  --因化学反应消耗的硫酸根离子浓度变化率    Deff是一个与混凝土空隙有关的函数,于是Deff可回应为:    Deff=.Ds    --混凝土的孔隙率  Ds-SO42-在混凝土孔隙溶液中的扩散系数    对于受损度函数D(c,t)创建了基于硫酸根浓度和风化时间的二元受损度函数  D(c,t)的明确数值方程为:      式中,co所取0.08;aD、bD和cD都是待数值参数    A.B.Goktepe基于收缩理论通过对试验数据应用于重返方法和神经网络方法,分别创建了硫酸盐的收缩模型  重返模型:      神经网络模型:    A.B.Goktepe通过试验分析表明:虽然神经网络模型要高于重返分析模型,其作为计算机软件程序的一部分能较为准确的得出硫酸盐的收缩量,但是对于实际计算出来并不是很限于。


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