電場影響下水泥混凝土的硫酸鹽侵蝕行為與機(jī)理

硫酸鹽侵蝕是威脅水泥混凝土耐久性的重要因素。本項目結(jié)合電場在水泥基材料快速試驗方法中研究與應(yīng)用的思考，系統(tǒng)研究了常溫與低溫環(huán)境中電場影響下水泥混凝土硫酸鹽侵蝕行為與機(jī)理，主要內(nèi)容及結(jié)論如下：①利用抗壓強(qiáng)度、化學(xué)測試、紅外、拉曼光譜、XRD和SEM-EDS等方法，系統(tǒng)研究了不同組成結(jié)構(gòu)、環(huán)境、電場條件下電場影響下水泥混凝土的劣化行為。結(jié)果表明，常溫環(huán)境電場影響下大量SO42-遷入混凝土內(nèi)，硫酸鹽侵蝕速率加快，同時試件內(nèi)Ca2 不斷溶出，電場在不改變侵蝕行為的前提下明顯加快水泥基材料硫酸鹽侵蝕。②測試了通電過程中溶液和試件內(nèi)的溫度變化，分析了電場對水泥混凝土穩(wěn)定性影響。結(jié)果顯示，通電產(chǎn)生的熱引起試件內(nèi)溫度略有升高，約為1.5-4.9℃，未明顯加速水泥后期水化，電場也未改變C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)中Si-O鍵的鍵合方式，電場也未明顯改變水泥水化機(jī)理和硫酸鹽侵蝕機(jī)理。③電場影響下硫酸鹽侵蝕速率在常溫環(huán)境中約為溶液浸泡侵蝕的3.4~4.4倍，在低溫中是全浸泡下的4~6倍。常溫電場影響下未改變侵蝕產(chǎn)物的分布規(guī)律，其侵蝕劣化來自于硫酸鹽侵蝕和溶蝕破壞，其中硫酸鹽侵蝕占主導(dǎo)作用；低溫下確定了水泥基材料發(fā)生TSA侵蝕的重要影響因素以及所需的邊界條件，即，pH值和Ca/S比滿足以下范圍時：10.60＜pH＜11.75，4.00＜Ca/S＜6.35，水泥基材料試件開始發(fā)生明顯的TSA侵蝕。水泥基材料侵蝕劣化分為三個階段，并定性和定量的給出了每個侵蝕劣化階段對應(yīng)的破壞特點和邊界條件。④分析了電場作用下水泥混凝土硫酸鹽侵蝕的影響因素并提供了加速侵蝕破壞試驗條件的相關(guān)建議：電場采用電壓30V、周期20s的脈沖電場，常溫環(huán)境考慮脫鈣等因素的影響選擇陰極溶液為Na2SO4，陽極溶液為NaOH；低溫環(huán)境下侵蝕溶液最好采用混合硫酸鹽溶液；低溫下試驗溫度選擇為5℃。研究結(jié)果顯示，電場影響下硫酸鹽侵蝕過程顯著加快，電場未明顯影響水泥水化產(chǎn)物。與全浸泡環(huán)境對比，電場影響下并未改變水泥混凝土硫酸鹽侵蝕過程和機(jī)理，電場的主要作用在于加速更多的侵蝕介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部。

地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的雜散電流對鋼筋銹蝕及氯離子擴(kuò)散的影響已受到重視，但對水泥混凝土硫酸鹽侵蝕的影響少有關(guān)注；電滲脈沖用于抗?jié)B防潮也存在對混凝土硫酸鹽侵蝕影響的問題。為揭示電場對混凝土硫酸鹽侵蝕的影響方式、影響程度與影響機(jī)理，提出本申請。擬選用直流電和脈沖電作為試驗電場，通過改變液相環(huán)境、混凝土組成與結(jié)構(gòu)，以及電場參數(shù)，研究電場影響下混凝土硫酸鹽侵蝕前后性能變化，提出改善抗侵蝕性能的方法；采用分層切片與化學(xué)分析研究電場作用下混凝土內(nèi)離子遷移與浸出；利用SEM、XRD、TG-DSC、FTIR等分析硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)，比較自然條件與電場影響的侵蝕差異，研究電場影響下混凝土硫酸鹽侵蝕機(jī)理。研究成果將對了解電場與硫酸鹽共同作用下對水泥混凝土的影響與危害，對確保電場影響下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義。以本項目成果為基礎(chǔ)可延伸研究內(nèi)容，建立混凝土性能退化模型，預(yù)測混凝土在電場和硫酸鹽共存環(huán)境下的使用壽命。

通過大量對不同組成體系的溶液化學(xué)、電化學(xué)和物相分析試驗，確定水泥材料與硫酸鹽介質(zhì)作用后，有害化合物形成反應(yīng)機(jī)理和條件，結(jié)合水泥混凝土和砂漿試件經(jīng)受硫酸鹽介質(zhì)侵蝕后，其微觀結(jié)構(gòu)觀測、物相分析和物理力學(xué)性能的測試，揭示混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理與劣化的相關(guān)性。為今后提高混凝土耐硫酸鹽性能和混凝土使用壽命設(shè)計方法的研發(fā)、現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)物的侵蝕破壞程度的評價方法和維護(hù)技術(shù)的開發(fā)，以及混凝土材料耐硫酸鹽性能的有效試驗方法的建立等提供理論和實驗依據(jù)。這對我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展具有非常重要的意義。

基本特征是：海水、地下水及鹽沼水中的硫酸鹽（如硫酸鈣、硫酸鈉等）與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸鈣，發(fā)體積膨脹，使水泥石破環(huán)。當(dāng)水中硫酸鹽濃度較高時，反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，破壞力更大 。2100433B