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硫铝酸（锶）钙水泥与液相侵蚀环境的相容性研究

作　者: 郑连丛
导　师: 程新；叶正茂
学　校: 济南大学
专　业: 材料学
关键词: 硫铝酸(锶)钙水泥侵蚀液离子浓度 Fick第二定律牛顿冷却定律
分类号: TQ172.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水泥结构暴露在环境中,不可避免的受到环境的影响,研究分析各种环境对水泥的侵蚀机理,并建立模型预测评估其耐久性寿命,对于实际的工程应用有一定的指导意义。本文以硫铝酸（锶）钙水泥为研究对象,研究在不同的液相侵蚀环境下,水泥试块的侵蚀行为。将试块分别放入不同种类和浓度的硫酸盐和氯盐的侵蚀液中,在不断更换侵蚀液的条件下,进行了试块的侵蚀实验。研究各种侵蚀液对硫铝酸（锶）钙水泥的抗压强度的影响,同时探索在侵蚀过程中溶液离子浓度的变化规律及其去向,从而研究离子在侵蚀实验过程中起到的作用,并借助体视显微镜、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜等测试手段对侵蚀机理进行研究。研究结果表明:各种侵蚀液对试块均有不同程度的侵蚀,侵蚀液中试块的强度均略低于水中试块的强度,水泥试块中的钙离子和硫酸根离子都有一定程度的析出。随着龄期的增长,各种侵蚀液对试块的侵蚀作用逐渐减弱。相同浓度的钠盐和镁盐相比,镁盐对硫铝酸盐水泥的侵蚀更严重。侵蚀液浓度越高,侵蚀液对试块的侵蚀作用越强,这种规律与侵蚀液种类无关;侵蚀液的种类不同,侵蚀液对试块的侵蚀强弱不同,与侵蚀液的浓度无关。四种侵蚀液中,氯化钠溶液中硫铝酸盐水泥试块28d强度最高为68.8MPa,氯化镁溶液中试块的28d强度最低,仅有49.0MPa。在硫酸盐溶液中,有一部分硫酸根离子参与了水泥的水化过程,生成次生的钙矾石。有一部分镁离子和氯离子进入到试块内部,引起试块的膨胀,氯化镁溶液中试块表面出现明显的裂纹。随着侵蚀液浓度的增加,试块中溶出的钙离子浓度,以及进入试块内部的各种离子浓度越来越高。试块的7d强度最高,随着Na2SO₄浓度的增加,从最大的90.6 MPa降至78.1MPa。而后随着侵蚀过程的进行试块的28d强度出现倒缩现象,尤其是当硫酸钠溶液浓度较大时下降更明显,10%硫酸钠溶液中试块强度由78.1 MPa降至50.9MPa。通过Fick第二定律建立氯离子扩散模型,根据实测数据得出各测点氯离子浓度与测点到混凝土表面距离的关系满足指数关系,氯离子在硫铝酸盐水泥试块中的扩散系数数量级为10-13。根据建立的模型推测出,硫铝酸盐水泥保护层结构的使用寿命至少为51.5年。硫酸盐侵蚀环境引起的试块自身结构损伤,近似符合牛顿物质冷却定律。根据硫酸盐质量浓度和钙离子溶出量确定模型的修正系数,最终得到硫酸盐侵蚀环境下硫铝酸盐水泥的耐久性模型,并预测其耐久性寿命为66.1年。硫铝酸锶钙水泥试块在任一种侵蚀液和任意龄期的强度均高于相应的普通硫铝酸盐水泥试块的强度,而且在各种侵蚀液中的强度均随着龄期的增长而增长,并未出现普通硫铝酸盐水泥表现出的强度倒缩现象。硫铝酸锶钙水泥试块在水和氯盐溶液中具有更加良好的耐侵蚀性,而在镁盐溶液中硫铝酸锶钙水泥的耐侵蚀性能比普通硫铝酸盐水泥更弱。硫铝酸锶钙水泥试块在侵蚀过程中基本上没有硫酸根离子和锶离子溶出,而硫酸盐溶液中的硫酸根离子基本上全部进入试块,参与试块的水化反应。以硫铝酸盐水泥为依据,利用Fick第二定律得出的氯盐侵蚀模型同样适用于硫铝酸锶钙水泥;而利用牛顿物质冷却定律得出的硫酸盐侵蚀模型则可能不适用于硫铝酸锶钙水泥。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-26
  1.1 硫铝酸盐系列水泥  12-14
    1.1.1 硫铝酸盐水泥  12-13
    1.1.2 硫铝酸锶钙水泥  13-14
  1.2 环境对水泥的侵蚀  14-18
    1.2.1 硫酸盐侵蚀机理  14-15
    1.2.2 氯盐侵蚀机理  15-16
    1.2.3 镁盐侵蚀机理  16-17
    1.2.4 水侵蚀机理  17-18
  1.3 侵蚀模型  18-25
    1.3.1 氯盐侵蚀模型  19-21
    1.3.2 硫酸盐侵蚀模型  21-25
  1.4 主要研究内容  25-26
第二章试验原料、设备和方法  26-36
  2.1 试验原料  26
  2.2 试验用仪器设备  26-27
  2.3 试验方法  27
  2.4 性能测试  27-36
    2.4.1 抗压强度测试  27
    2.4.2 侵蚀液中离子浓度测试  27-32
    2.4.3 试块中氯离子总含量的测定  32-35
    2.4.4 微观结构分析  35
    2.4.5 形貌分析  35-36
第三章实验结果与分析  36-42
  3.1 抗压强度  36
  3.2 侵蚀液各离子浓度的测定  36-41
    3.2.1 钙离子的测定  36-38
    3.2.2 镁离子的测定  38-39
    3.2.3 硫酸根离子的测定  39-40
    3.2.4 氯离子的测定  40-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章不同液相环境对硫铝酸盐水泥侵蚀行为的研究  42-71
  4.1 不同种类侵蚀液对硫铝酸盐水泥侵蚀行为的研究  42-53
    4.1.1 抗压强度分析  42-44
    4.1.2 离子浓度分析  44-47
    4.1.3 体视显微镜分析  47-49
    4.1.4 XRD 分析  49-50
    4.1.5 SEM 分析  50-53
  4.2 不同浓度侵蚀液对硫铝酸盐水泥侵蚀行为的研究  53-67
    4.2.1 不同浓度Na_2SO_4 对硫铝酸盐水泥的侵蚀  53-57
    4.2.2 不同浓度NaCl 对硫铝酸盐水泥的侵蚀  57-60
    4.2.3 不同浓度MgSO_4 对硫铝酸盐水泥的侵蚀  60-64
    4.2.4 不同浓度MgCl_2 对硫铝酸盐水泥的侵蚀  64-67
  4.3 侵蚀机理分析  67-69
  4.4 本章小结  69-71
第五章硫铝酸盐水泥耐久性模型  71-77
  5.1 氯盐环境硫铝酸盐水泥耐久性模型  71-74
    5.1.1 模型建立的条件  71-72
    5.1.2 模型相关系数的计算  72-73
    5.1.3 模型应用于寿命预测  73-74
  5.2 硫酸盐环境硫铝酸盐水泥耐久性模型  74-76
    5.2.1 基本假定  74-75
    5.2.2 抗压强度R_t 与龄期t 的关系  75-76
    5.2.3 模型应用于寿命预测  76
  5.3 本章小结  76-77
第六章侵蚀液对硫铝酸锶钙水泥侵蚀行为的研究  77-88
  6.1 抗压强度分析  77-78
  6.2 离子浓度分析  78-84
    6.2.1 钙离子浓度  78-79
    6.2.2 氯离子浓度  79-81
    6.2.3 镁离子浓度  81-82
    6.2.4 硫酸根离子浓度  82
    6.2.5 锶离子浓度  82-84
  6.3 模型对于硫铝酸锶钙水泥的适用性  84-87
    6.3.1 氯盐侵蚀模型对于硫铝酸锶钙水泥的适用性  85
    6.3.2 硫酸盐侵蚀模型对于硫铝酸锶钙水泥的适用性  85-87
  6.4 本章小结  87-88
第七章结论与展望  88-90
  7.1 结论  88-89
  7.2 展望  89-90
参考文献  90-95
致谢  95-96
附录  96
  一、在校期间发表的学术论文  96
  二、会议论文  96
  三、攻读硕士学位期间参加的科研项目  96

硫铝酸（锶）钙水泥与液相侵蚀环境的相容性研究

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