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水泥混凝土TSA破坏机理及其预防措施研究

作　者: 罗忠涛
导　师: 马保国
学　校: 武汉理工大学
专　业: 建筑材料与工程
关键词: 硫酸盐侵蚀 碳硫硅酸钙 环境条件 材料组分 破坏模型
分类号: TU528.45
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


水泥混凝土在硫酸盐、碳酸盐及低温环境的共同作用下生成碳硫硅酸钙（thaumasite）的过程为碳硫硅酸钙型硫酸盐侵蚀—TSA（the thaumasite form of sulfate attack）。传统的硫酸盐侵蚀（钙矾石型、石膏型等）破坏主要是导致混凝土构件的体积膨胀，开裂以至破坏。而TSA是直接导致CSH凝胶解体，逐渐由表及里使水泥石变为无强度泥状物，其破坏性和隐蔽性较传统硫酸盐侵蚀更强。本文以国家自然科学基金项目（50378075）和国家863项目（2002AA335050）为背景，在国内首次系统研究了环境条件和材料组分等因素对水泥砂浆TSA的影响规律和机理。通过国内西部及英国水泥混凝土TSA实例调研，探讨并确定了TSA的有效鉴定方法，建立了TSA的物理化学破坏模型，并针对其发展机理提出有效的预防措施。主要取得以下结论：1、通过国内外相关水泥混凝土TSA现场及其取样调研，确定了有效鉴别TSA的观察及测试方法。宏观方面：受侵蚀试件的表皮脱落，由表及里的浆化，内芯被灰白色泥状物包裹，但内芯强度健存，随着时间的延续最终形成泥沙混合物。微观方面：因thaumasite与钙矾石晶体的XRD特征峰值极其相近，XRD分析无法证实腐蚀产物中是否存在thaumasite和／或钙矾石晶体；SEM-EDS分析可证实存在大量针状晶体物质的主要化学成分为Ca、Si、S或Al，从而有效区分thaumasite和／或钙矾石晶体；而FTIR和Raman波谱分析可证实thaumasite中[Si（OH）6]八面体基团的存在，而有效区分thaumasite和／或钙矾石晶体。2、同等温湿环境下，同一硫酸盐种类对水泥砂浆的侵蚀破坏力随溶液浓度增加而增强；其中，Na2SO4溶液对砂浆的侵蚀生成了以钙矾石为主的腐蚀产物；而在MgSO4溶液中，砂浆会生成了以thaumasite为主的腐蚀产物，可证实Mg2+的存在对TSA过程具有一定催化促进作用。3、温度效应在水泥混凝土TSA过程中的作用较为明显。在5℃恒温、20℃恒温及5～20℃冷热交替温度环境下，掺石灰石粉水泥砂浆受2％MGSO4溶液侵蚀1年后都生成了明显的thaumasite腐蚀产物，打破了长期以来认为混凝土结构只有在15℃以下较低温度环境中才可能发生TSA的传统观点。4、特种水泥（抗硫酸盐水泥、硫铝酸盐水泥）在典型TSA环境下均会产生thaumasite腐蚀产物，它们均不能完全阻止TSA，但会在一定程度上延缓TSA的进程。水泥品种的抗TSA能力由高到低依次为：硫铝酸盐水泥+普通硅酸盐水泥复合＞硫铝酸盐水泥＞抗硫酸盐水泥＞普通硅酸盐水泥。5、水泥石中CH晶体是TSA的腐蚀源，抵抗TSA的关键在于有效控制水泥石中CH晶体含量及砂浆试件的早期强度。在典型TSA环境的低温条件下，矿粉掺量达到60％时的抗TSA效果最佳，其不但具有早期高活性，而且可以减少水泥石中CH晶体含量；而粉煤灰因其早期活性差而导致抗TSA效果差。不同掺合料对水泥抗TSA的改善效果从优到劣为：SL60＞SF5SL25＞SF8＞SL30＞FA15SL25＞FA20；6、TSA的化学过程基本可划分为四个阶段：离子迁移期、AFt生成期、石膏生成期及thaumasite生成期；TSA物理过程可分为三个主要阶段：潜伏期、膨胀开裂期及软化解体期。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 水泥混凝土硫酸盐侵蚀概况  11-15
    1.1.1 硫酸盐物理侵蚀类型  11-12
    1.1.2 硫酸盐化学侵蚀类型  12-15
  1.2 水泥混凝土 TSA 国内外研究现状  15-21
    1.2.1 国外研究  15-21
    1.2.2 国内调研  21
  1.3 水泥混凝土 TSA 的主要影响因素  21-23
    1.3.1 环境条件对 TSA 的影响  21
    1.3.2 材料组分对 TSA 的影响  21-23
  1.4 研究内容与技术路线  23-24
    1.4.1 主要研究内容  23-24
    1.4.2 具体研究技术路线  24
  1.5 研究目的与意义  24-26
第2章 原材料及实验方法  26-32
  2.1 试验原材料  26-28
    2.1.1 水泥  26
    2.1.2 其它矿物掺合料  26-27
    2.1.3 粗细骨料  27
    2.1.4 化学外加剂  27-28
  2.2 实验设计  28-30
    2.2.1 侵蚀环境  28
    2.2.2 试验配合比  28-30
  2.3 主要测试方法  30-32
    2.3.1 宏观性能测试  30-31
    2.3.2 微观性能测试  31-32
第3章 侵蚀环境对水泥混凝土 TSA 的影响  32-43
  3.1 水灰比的影响  32-34
    3.1.1 外观  32
    3.1.2 强度  32-33
    3.1.3 孔隙结构分析  33-34
  3.2 侵蚀溶液种类及浓度的影响  34-39
    3.2.1 外观  35-36
    3.2.2 强度  36-37
    3.2.3 XRD 分析  37-38
    3.2.4 FTIR 分析  38-39
  3.3 温度效应的影响  39-42
    3.3.1 外观  39-40
    3.3.2 强度  40
    3.3.3 XRD 分析  40-41
    3.3.4 FTIR 分析  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第4章 材料组分对水泥混凝土 TSA 的影响  43-60
  4.1 水泥品种的影响  43-46
    4.1.1 外观  43-44
    4.1.2 强度  44
    4.1.3 膨胀率  44-45
    4.1.4 微观结构  45-46
  4.2 矿物掺合料的影响  46-55
    4.2.1 常规硫酸盐侵蚀环境  47-50
    4.2.2 典型 TSA 环境  50-55
  4.3 化学外加剂的影响  55-58
    4.3.1 外观  55-56
    4.3.2 强度  56-57
    4.3.3 XRD 分析  57
    4.3.4 FTIR 分析  57-58
  4.4 本章小结  58-60
第5章 国内外水工混凝土 TSA 实例调研  60-72
  5.1 英国某桥墩基部混凝土 TSA 调研  60-64
    5.1.1 调研背景  60
    5.1.2 腐蚀物取样及微观分析  60-64
  5.2 国内西部水工混凝土 TSA 调研  64-72
    5.2.1 八盘峡水电站周边环境  65
    5.2.2 腐蚀物取样及微观分析  65-72
第6章 水泥混凝土 TSA 过程模型及预防措施  72-84
  6.1 水泥混凝土 TSA 物理过程模型  72-76
    6.1.1 外观变化  72-73
    6.1.2 强度变化  73-74
    6.1.3 线性变形  74
    6.1.4 质量损失  74-75
    6.1.5 物理过程模型  75-76
  6.2 水泥混凝土 TSA 化学过程模型  76-79
    6.2.1 XRD 分析  76-77
    6.2.2 FTIR 分析  77-78
    6.2.3 化学过程模型  78-79
  6.3 水泥混凝土 TSA 预防措施  79-81
    6.3.1 化学组分  79
    6.3.2 亚微观结构  79-80
    6.3.3 施工设计  80-81
  6.4 高抗硫酸盐侵蚀胶凝材料设计  81-83
    6.4.1 高抗硫水泥掺合料及其制备方法  81-82
    6.4.2 高效广谱抗硫胶凝材料及其制备方法  82-83
  6.5 本章小结  83-84
第7章 结论  84-87
  1. 侵蚀环境对水泥混凝土TSA的影响  84
  2. 材料组分对水泥混凝土TSA的影响  84-85
  3. 国内外水工混凝土TSA实例调研分析  85
  4. 水泥混凝土TSA过程模型及预防措施  85-87
参考文献  87-95
  附录一: 攻读硕士期间论文发表  92-93
  附录二: 攻读硕士期间专利撰写  93
  附录三: 硕士期间参加科研项目  93-94
  附录四: 硕士期间获奖情况  94-95
致谢  95

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑材料 > 非金属材料 > 混凝土及混凝土制品 > 硅酸盐混凝土 > 水泥混凝土
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