高抗硫酸盐侵蚀混凝土技术研发与应用

针对抗硫酸盐水泥配制的混凝土还无法解决抵抗浓度为8000mg/L以上SO4^2-侵蚀的技术现状,以及抗硫酸盐侵蚀混凝土技术领域存在诸多缺陷和亟待解决的技术难题。通过减少混凝土配方组分,简化配制方法,降低配制成本,旨在研发抵抗浓度为8000mg/L以上SO4^2-高抗硫酸盐侵蚀混凝土的方法及制备工艺。结合工程应用,调整试验配比,提出技术应用方案,解决高抗硫酸盐侵蚀混凝土的问题,具有广泛的实用价值和良好的应用效果。

一种新型高抗硫酸盐侵蚀混凝土的研究及工程验证

前言混凝土是现代工程结构的主要材料,随着材料科学和工程技术的不断发展以及混凝土性能的不断提高,混凝土越来越多地被应用在桥梁、超高层建筑、水利大坝、核电站、地下建筑物等重要的结构部位,如海洋建设工程中的码头、跨海大桥桥墩、防波堤岸、船坞、水上移动式加工厂、海上石油钻井平台、海底油罐和隧道、管道沿海地下等工程.

硫酸盐对混凝土侵蚀过程的细观数值分析

硫酸盐侵蚀作为混凝土耐久性损伤的一个重要方面,日益受到人们的普遍关注。根据Fick第二定律和化学反应动力方程,建立了细观层面硫酸盐对混凝土侵蚀过程的数值分析方法。以混凝土随机凸多边形骨料模型为基础,利用Matlab程序对有限元软件进行二次开发,建立了基于扩散-化学反应的硫酸盐对混凝土侵蚀过程的细观数值分析方法,并与试验结果进行了对比。结果表明:硫酸盐侵蚀过程细观数值方法得到的模拟结果与试验结果吻合较好,可以有效模拟硫酸盐对混凝土的侵蚀过程;距混凝土表面一定深度范围内,SO_(4)^(2-)浓度随表面SO_(4)^(2-)浓度的提高而增加;砂浆中SO_(4)^(2-)扩散系数是影响混凝土内SO_(4)^(2-)最大侵蚀深度的主要因素;界面过渡区厚度对硫酸盐环境中混凝土损伤的影响较小。

冻融与硫酸盐侵蚀共同作用对再生混凝土的复合损伤研究

对于不同取代率再生混凝土在冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下的损伤,采用快冻法,对再生粗骨料取代率为0、30%、50%和100%的再生混凝土进行试验。试验测试了混凝土的质量损失、相对动弹性模量、立方体抗压强度,并利用电子显微镜和X射线衍射等方法分析混凝土的微观结构及侵蚀产物。试验结果表明:再生粗骨料对混凝土耐久性影响巨大,随着取代率的提高,再生混凝土的性能随冻融循环次数的增加逐渐下降,硫酸盐在一定程度上减缓了混凝土的劣化,冻融循环是混凝土劣化的主要原因,并提出了盐胀与冻胀、静水压及化学腐蚀复合作用下的损伤机理。

硫酸盐干湿循环下玄武岩纤维混凝土抗侵蚀研究

以玄武岩纤维混凝土为研究对象,开展了不同硫酸盐浓度下干湿循环侵蚀试验,重点研究抗压强度、劈裂抗拉强度、相对动弹性模量及质量变化随干湿循环周次的变化规律及不同玄武岩纤维掺量对侵蚀劣化程度的影响。试验结果表明:干湿循环下硫酸盐浓度对不同纤维体积掺量的混凝土性能侵蚀劣化影响显著。随着硫酸盐浓度的增大,在干湿循环条件下抗压强度、劈裂抗压强度和质量变化曲线均由近似线性增长逐渐演化为“锅盖状”的先增后减,最大值对应的干湿循环周次为30,相对动弹性模量则由“躺L型”演变为“躺S型”;适量纤维的掺入可有效提高混凝土致密性,削弱硫酸盐侵蚀对混凝土性能劣化的影响。

玄武岩纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究

为探究掺玄武岩纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,在混凝土试件中分别掺入体积掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%的玄武岩纤维,以试件的外观、质量损失率和抗压强度为主要评价指标,进行了不同侵蚀环境下玄武岩纤维混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能试验研究。研究结果表明:体积掺量为0.2%的试件在质量损失率、抗压强度方面表现最佳,而体积掺量为0.1%的试件抗折强度增幅最大;干湿循环条件下试件的外观、质量和抗压强度波动幅度较自然侵蚀环境下更大,且干湿周期越短侵蚀程度越严重;试件的微观结构分析发现,侵蚀前混凝土试件内部因水泥水化作用,存在少量C-S-H(水化硅酸钙)、Ca(OH)_(2)等水化产物,掺入玄武岩纤维后使混凝土内部黏结十分紧密,试件内部裂缝发育较缓,减少了侵蚀产物的生成,一定程度上提高了混凝土的力学性能。

黄金尾矿掺量对冻融循环和硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗劣化性能的影响

为探究黄金尾矿掺量对混凝土力学性能及在冻融循环和硫酸盐侵蚀联合作用下的抗劣化性,利用电液伺服压力机对细黄金尾矿机制砂掺量为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的试件静态力学性能进行了测试分析,并研究了素混凝土及细黄金尾矿机制砂混凝土在冻融循环及硫酸盐侵蚀联合作用下的抗压强度劣化规律。试验结果表明:①黄金尾矿机制砂的掺入能够极大改善混凝土材料的延展性,对提升建筑物的安全性具有重要意义;②相较于未掺尾矿机制砂试件,掺量为5%、10%、15%、20%、25%、30%时试件抗压强度增幅为8.04%、10.87%、21.04%、17.73%、3.31%、-9.22%,抗拉强度增幅为15.04%、20.70%、31.25%、36.72%、29.10%、14.06%,适量黄金尾矿的掺入能够有效提高混凝土材料的力学性能,且最佳掺为20%;③冻融循环及硫酸盐侵蚀联合作用对2种混凝土试件均存在劣化作用,且随着冻融循环次数增加及硫酸盐浓度增大试件劣化程度不断增加;④黄金尾矿机制砂混凝土试件在浓度为0%的硫酸盐溶液下冻融循环50、100、150、200、250次时,试件抗压强度降幅仅为素混凝土的43%、44%、47%、45%、47%,尾矿在试件内部与骨料间良好的黏结作用提高了试件抗外荷载能力以及抗盐侵蚀、抗冻融能力。

氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂行为

为评估海洋、盐湖等环境中钢筋混凝土结构耐久性,通过试验与理论相结合探究氯盐与硫酸盐复合侵蚀下钢筋混凝土锈裂特性。通电腐蚀5%(质量分数)NaCl、5%NaCl+5%Na_(2)SO_(4)溶液中钢筋混凝土试件,对比分析混凝土表观形貌、钢筋锈蚀特征。设计伴随的混凝土腐蚀试验,类比保护层腐蚀劣化,分析混凝土力学性能。结果表明:硫酸盐的存在改变胀裂前混凝土形貌,使得单一氯盐侵蚀下的“白须”消失,表面粉化并出现盐结晶,延长胀裂时间;复合侵蚀下钢筋锈蚀率低于单一氯盐侵蚀,二者均显著低于法拉第定律理论值;锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率线性相关,硫酸盐的存在增大裂缝随钢筋锈蚀发展的速率;通电环境中,受腐蚀混凝土的抗压强度先升高后降低,劈裂抗拉强度不断降低。提出受腐蚀混凝土的抗拉强度演化经验公式。在经典锈胀模型的基础上考虑锈蚀产物对裂缝的填充作用,并将硫酸盐的影响考虑至混凝土抗拉强度、钢筋腐蚀电流密度中,建立复合侵蚀下钢筋混凝土胀裂时间预测模型,并验证了模型的有效性。

混凝土硫酸盐侵蚀化学热力学和多尺度研究进展

总结了混凝土硫酸盐侵蚀在基于化学热力学理论、微观-细观结构分析、宏观性能、多尺度分析与建模等方面的研究成果,指出现有研究多基于微观、细观和宏观的单一尺度分析混凝土硫酸盐侵蚀性能劣化,有关混凝土硫酸盐侵蚀的跨尺度和跨层次耦合关联等方面研究极少,传统混凝土硫酸盐侵蚀损伤评价指标、表征方法和量化参数难充分反映硫酸盐侵蚀损伤的多样性。基于化学热力学和多尺度理论开展混凝土硫酸盐侵蚀损伤和动态演化研究更具现实意义。

ECC全包裹混凝土的抗硫酸盐侵蚀和抗冻性能

工程用水泥基复合材料(ECC)和混凝土组合构件在力学性能上体现出一定的优势,但目前缺乏对此类组合构件耐久性能的定性和定量评价。为研究该类组合构件的抗硫酸盐侵蚀和抗冻性能,采用二次浇筑方式制备出ECC全包裹混凝土组合试件,随后对混凝土、ECC和ECC全包裹混凝土试件进行了硫酸盐干湿循环和冻融循环试验,建立了耐久性损伤模型,并预测了服役寿命。结果表明,从抗压强度、表观状态和质量损失的变化规律来看,ECC全包裹混凝土试件相比普通混凝土试件抗硫酸盐侵蚀和抗冻性能均有显著提升,提升效果随包裹厚度的增大而提高。另外,ECC全包裹混凝土试件在受环境侵蚀后仍能维持良好的表观状态,预测的服役寿命更长,其中尤以在硫酸盐侵蚀环境中表现突出。

养护条件对混凝土力学性能及抗硫酸盐侵蚀性能的影响

针对新疆盐渍环境及高温干旱气候条件下混凝土普遍存在的硫酸盐侵蚀问题,研究了不同养护条件[标准养护、自然条件下内养护、(40±2)℃恒温内养护]对混凝土力学及抗硫酸盐侵蚀性能的影响,进行了混凝土的抗压强度、干湿循环硫酸盐侵蚀试验,计算了质量损失率及耐蚀系数。结果表明:SAP内养护可以在一定程度上改善混凝土的抗压强度,且可以延缓干湿循环硫酸盐侵蚀对混凝土的腐蚀破坏;混凝土的耐蚀系数与质量损失率之间有显著的负相关性,随着耐蚀系数的降低,混凝土的质量损失率增加。

硫酸盐侵蚀下现浇混凝土耐腐蚀及力学性能试验

为了提高强硫酸盐渍土地区现浇混凝土的抗腐蚀性能,开展了煅烧偏高岭土等质量替代水泥比例为0、5%、15%、25%、50%的现浇混凝土试件,分别在清水、5%Na_(2)SO_(4)、10%Na_(2)SO_(4)和10%Na_(2)SO_(4)+10%NaCl溶液中的长期浸泡试验,分析了试件在1 d、3 d、7 d、14 d、28 d和90 d龄期时的抗折强度、抗压强度、相对动弹性模量、质量损失率、体积膨胀率和有效孔隙率的变化规律。研究结果表明:(1)掺入煅烧偏高岭土可提高现浇混凝土的抗折强度、抗压强度和抗腐蚀性能,掺量为25%时,试件的抗折强度和抗压强度最高,相对动弹性模量变化最稳定,抗硫酸盐侵蚀性能最好。(2)煅烧偏高岭土可以改善混凝土的内部孔隙结构,降低现浇混凝土的有效孔隙率和质量损失率,使试件的体积稳定性明显提高。研究成果可为煅烧偏高岭土提升现浇混凝土在强硫酸盐渍土地区的工程应用提供一定的理论基础。

矿化煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

为研究微生物菌液浓度、尿素浓度、钙离子浓度、煤矸石取代率对矿化煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,开展4因素3水平正交试验。结果表明:微生物矿化技术可显著提升煤矸石混凝土力学性能,煤矸石混凝土强度影响排序为煤矸石取代率>菌液浓度>钙离子浓度>尿素浓度,微生物矿化煤矸石混凝土力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的最优配比为:菌液浓度4×10^(8) cells/mL、尿素浓度0.9 mol/L、钙离子浓度0.2 mol/L、煤矸石取代率30%;硫酸盐与水化产物反应生成钙矾石是硫酸盐干湿循环前期质量和抗压强度提升的主要原因,也是后期表观形态盐化、体积膨胀、鼓包掉落、强度降低的主要原因。研究成果可为微生物矿化煤矸石混凝土力学和耐久性提供试验依据。

废玻璃粉和矿渣对混凝土力学及抗硫酸盐侵蚀性能的影响

固定废玻璃粉和矿渣的总掺量为30%,研究了废玻璃粉和矿渣的复掺比例对混凝土力学及抗硫酸盐侵蚀性能的影响,其中,废玻璃粉掺量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%。结果表明:随着废玻璃粉掺量的增加,试件的抗压强度先增大后减小,总孔隙率先减小后增大,最佳废玻璃粉掺量为10%;随着干湿循环次数的增加或侵蚀溶液浓度的增大,试件表面出现了不同程度的粉化、起砂等现象,质量变化率和抗压强度耐蚀系数均呈先增大后减小的趋势,且随着废玻璃粉掺量的增加,质量变化率的峰值先减小后增大,抗压强度耐蚀系数的峰值先增大后减小;适量废玻璃粉与矿渣在混凝土中有效发挥了颗粒效应、水化效应、交互活性效应等,从而在一定程度上改善了混凝土的力学及抗硫酸盐侵蚀性能。

干湿循环硫酸盐侵蚀粉煤灰混凝土耐久性分析及抗蚀等级预测

针对云南楚雄州地区含盐地质环境及公路隧道衬砌混凝土所面临的耐久性问题,探究粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,采用干湿循环和硫酸盐侵蚀耦合的试验方法,根据混凝土表观形貌与质量损失率分析其劣化机制,并建立基于Weibull函数的混凝土侵蚀损伤模型与试验结果进行对比。结果表明:1)侵蚀初期钙矾石和石膏填充于孔隙之间,试件质量增加;侵蚀后期,侵蚀产物膨胀应力超过混凝土结构内应力时,裂缝开始形成和扩展,混凝土受损严重,试件质量减小。2)适量粉煤灰提升了混凝土的抗蚀等级,其中以掺入20%粉煤灰提升效果最优;当粉煤灰掺入过量(25%)时,混凝土抗蚀等级下降。3)以耐蚀系数为损伤度建立Weibull分布函数抗蚀等级预测模型,能够较好地反映粉煤灰混凝土受侵蚀损伤劣化规律,各组模型相关度R2均在0.95以上,模型预测与试验数据误差率在15%以内,精度较高。

非自燃煤矸石粗骨料高性能混凝土耐硫酸盐侵蚀性能

为扩大非自燃煤矸石(NCCG)混凝土应用范围,减少煤矸石堆放对环境造成的污染,将NCCG代替天然碎石制备绿色高性能混凝土,系统地研究不同水胶比、粗骨料取代率、矿物掺合料种类与掺量、硅灰裹浆水灰比对其耐硫酸盐侵蚀性能的影响,并借助扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)与X线衍射(XRD)探讨损失机理.结果表明:水胶比越大,各项损伤指标越大;复掺质量分数20%矿渣粉与质量分数10%粉煤灰时耐硫酸盐侵蚀性能最佳;硅灰裹浆NCCG骨料对提高耐硫酸盐侵蚀性能不明显.NCCG取代率越大、水胶比越大生成的钙矾石和石膏等侵蚀产物越多,复掺粉煤灰与矿渣粉时生成的侵蚀产物最少,建议工程中NCCG取代率不宜超过30%,按照矿渣粉与粉煤灰2∶1的质量比复掺使用2种矿物掺合料.

抗硫酸盐侵蚀桩基混凝土制备及耐蚀性能研究

为了满足南充嘉陵江大桥C45水下桩基础混凝土高流动性施工要求,并考虑工程所处高硫酸盐侵蚀服役环境,文章探讨了消泡剂、流变密实剂和抗硫酸盐侵蚀抑制剂等复掺对混凝土性能的影响,同时通过硫酸盐干湿循环侵蚀试验,对桩基混凝土的耐蚀性进行了研究。结果表明:消泡剂的掺入有利于混凝土工作性能与力学性能的提升;流变密实剂可增加混凝土的稠度与粘聚性,但一定程度上会降低混凝土和易性与力学性能;抗侵蚀抑制剂的加入,与消泡剂、流变密实剂适配性较高,混凝土坍落度均在250 mm以上,扩展度在600 mm以上,所制得的混凝土耐蚀系数达到KS150,满足实际工程桩基施工与耐蚀性需要。

变电站基础C40混凝土抗硫酸盐侵蚀防泛碱试验研究

山西地区变电站基础混凝土常产生泛碱现象,严重影响外观和耐久性。经调查,所处环境中广泛存在着SO_(4)^(2-)侵蚀性介质,兼顾抗硫酸盐侵蚀与防泛碱,开展了复合掺合料抗硫酸盐侵蚀及防泛碱性能试验研究,配制出C40混凝土抗硫酸盐侵蚀防泛碱混凝土,经试验研究得到如下结论:(1)复合掺合料可提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力;(2)4组配合比中,抗硫酸侵蚀性能总的趋势为传统水泥混凝土<双掺复合掺合料混凝<三掺复合掺合料混凝土<高性能混凝土;(3)所配制的高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀能力及防泛碱性能得到提高,但强度有所降低;(4)混凝土抗硫酸盐侵蚀能力提高的同时,抗碳化能力也得到提高。

基于SVM的混凝土抗硫酸盐侵蚀系数预测模型

硫酸盐侵蚀会对混凝土结构造成严重危害,目前工程上以硫酸盐侵蚀下达到规定干湿循环次数时的混凝土抗硫酸盐侵蚀系数作为评价结构抗硫酸盐侵蚀性能的指标。以试验数据和文献数据为样本数据,以水胶比、粉煤灰取代率、矿粉取代率、砂率、减水剂掺量、硫酸盐浓度和干湿循环次数为输入向量,以混凝土抗硫酸盐侵蚀系数为输出向量,利用支持向量机(SVM)建立了混凝土抗硫酸盐侵蚀系数的预测模型。设计了2种容量的样本集,分别计算了SVM模型的预测误差,结果表明:SVM模型可利用较少数量的训练样本很好地预测混凝土抗硫酸盐侵蚀系数,方便实际工程应用。

水泥基混凝土材料抗硫酸盐侵蚀性能研究

硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要原因。本研究开展不同浸渗方式和不同离子侵蚀测试,以研究水泥基混凝土材料硫酸盐侵蚀作用下的特性。结果显示,在水泥中加入30%的矿渣粉可显著提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能。掺加30%粉煤灰时,在硫酸钠侵蚀下混凝土耐蚀系数随时间增长逐渐减弱,在硫酸镁侵蚀下混凝土耐蚀系数在180d后迅速下降。就长期抗硫酸盐腐蚀性能来看,在钠、镁含量较高的环境下,掺入30%的矿渣微粉可有效改善混凝土的抗冲性。