ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟分析

针对传统数值模拟方法在实际应用中得到的数值模拟应力变化与实际相差较大的问题,开展ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下混凝土损伤过程数值模拟分析研究。通过ASR-氯盐-硫酸盐腐蚀协同作用下的混凝土材料取样检测、构建混凝土材料细观数值模型和混凝土损伤过程中应力传递细观数值模拟,提出一种全新的数值模拟方法。通过实验进一步证明,新的数值模拟方法与传统方法相比精度更高,更符合实际混凝土损伤变化,具有较高应用意义。

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。

碳纳米管水泥基材料中氯盐-硫酸盐耦合侵蚀研究

为了研究在氯盐-硫酸盐耦合侵蚀下,碳纳米管(CNTs)对水泥基材料的抗氯离子、硫酸根离子的侵蚀性,以及氯离子-硫酸根离子竞争效应的影响规律,将0.1%的CNTs掺入水泥中制备CNTs净浆试块,开展了单一氯离子、单一硫酸根离子及复合氯离子-硫酸根离子3种不同盐环境下的离子二维自然扩散试验,通过压汞测试分析了CNTs水泥基材料在不同盐环境下孔结构特征的变化。结果表明:CNTs的掺入能提高水泥基材料的抗氯盐侵蚀性能和抗硫酸盐侵蚀性能,在氯盐-硫酸盐耦合侵蚀的作用下,掺入CNTs能增大氯离子和硫酸根离子的竞争效应,与单一离子侵蚀相比,耦合侵蚀作用下的硫酸根离子在扩散深度14 mm处含量降低了39.31%,氯离子含量降低了24.24%。压汞测试结果表明掺入CNTs能使孔隙率减低10.28%~17.62%,细化了水泥基体内部孔径,减少连通孔,有效提高了水泥基材料的密实度。

氯盐-硫酸盐对水泥基材料的复合侵蚀破坏

研究了氯盐和硫酸盐对水泥基材料的复合侵蚀破坏.结果表明:侵蚀过程中试件的质量变化率与膨胀率之间呈指数关系,氯盐降低了硫酸盐侵蚀过程中试件发生膨胀破坏的风险,这是因为氯盐抑制了硫酸根离子向试件内部的传输,同时削弱了硫酸根离子与水泥矿物的化学结合能力,减少了膨胀性侵蚀产物的生成量;另外氯离子能优先与C3A反应,生成的Friedel’s盐会填充试件孔隙,使孔径细化,进一步限制硫酸根离子参与反应的能力.

水泥-石灰石粉胶凝材料在硫酸盐和氯盐共同作用下的腐蚀破坏

采用硫酸钠和氯化钠复合溶液,对水泥-石灰石粉胶砂试件开展了长期浸泡腐蚀试验,测试了试件强度,并用X射线衍射和扫描电镜分析研究了浸泡试件。试验结果表明:在硫酸盐和氯盐共同作用下,水泥-石灰石粉胶砂试件比纯水泥胶砂试件的腐蚀破坏更加严重,其生成产物主要有CaSO4·2H2O,CaCl2以及中间产物CaAl(2CO3)(2OH)4·6H2O和氯铝酸钙;水泥-石灰石粉胶砂试件因产生石膏,石膏膨胀造成开裂,从外到里而破坏。腐蚀后期,CaAl(2CO3)(2OH)4·6H2O和氯铝酸钙分解以及CaCl2溶解进一步加剧了腐蚀破坏。

基于膨胀历程的水泥基材料硫酸盐-氯盐复合侵蚀的等效加速评价

基于长期浸泡与干湿循环制度下膨胀历程的相似性,对水泥基材料在硫酸盐-氯盐复合侵蚀下的等效加速评价进行了研究。结果表明,干湿循环制度宜作为评价硫酸盐-氯盐复合侵蚀下的加速评价方法;干湿循环的加速作用随着试件水灰比的增大而增强,且砂浆试件中的加速作用相对较弱;复合盐溶液中氯盐的存在削弱了干湿循环对硫酸盐侵蚀的加速作用,其削弱程度与试件的水灰比、试件的类型有关,其中试件类型的影响更为显著。

硫酸盐-氯盐复合腐蚀作用下桩基础混凝土的配方设计

以我国西部强腐蚀软地基条件下新疆与西北主网联网750kV第二通道输变电工程为背景,通过对工程地区地下水水化学分析,在预先设计的几种混凝土备选配方的基础上进行了抗硫酸盐侵蚀试验和复盐溶液侵蚀试验、抗氯离子渗透性能试验及不同养护环境下混凝土的抗压强度试验,并以水泥化学成分和掺合料掺量为主要区分因素,最终优选设计出了适用于该类腐蚀环境下的混凝土配方,为强腐蚀及高寒环境下混凝土耐久性研究提供了参考。

氯盐-硫酸盐共存环境中阳离子类型对氯离子结合能力的影响

选用KCl、Na Cl、CaCl_2、Mg Cl_2四种氯盐,对预埋钢筋的水泥砂浆圆柱体试件进行浸烘循环试验,研究氯盐-硫酸盐共存环境中阳离子类型对氯离子结合能力的影响。采用电位滴定法进行氯离子浓度测试,X射线衍射仪用于定性分析胶凝材料的水化产物,同时利用综合热分析仪进行微分热重法定量分析水化产物。研究结果表明,在氯盐-硫酸盐共存环境中,阳离子类型对孔溶液的p H值和氯离子结合能力有显著影响,其影响能力大小为Mg^(2+)>Ca^(2+)>K^+>Na^+;K^+、Na^+均会导致孔溶液的p H值升高,使Friedel′s盐中结合氯离子被重新释放,从而降低氯离子结合能力;Mg^(2+)、Ca^(2+)、SO_4^(2-)共存时,会生成石膏、钙矾石等膨胀性产物,导致结构内部形成微裂缝,加速了氯离子的渗透,导致自由氯离子含量迅速升高;但Mg^(2+)、Ca^(2+)的存在能够产生较多的M-S-H、C-S-H凝胶,从而增加了物理吸附氯离子含量,氯离子结合能力随之提高。

硫酸盐-镁盐-氯盐溶液中不同混凝土的化学腐蚀性能

通过将高性能混凝土(High Performance Concrete,HPC)、粉煤灰混凝土(Fly Ash Concrete,FAC)和高耐久性混凝土(High Durability Concrete,HDC)置于10%NaCl、5%MgSO_(4)和5%MgCl_(2)+5%Na_(2)SO_(4)腐蚀介质进行化学腐蚀试验,研究其不同暴露时间的相对动弹性模量(Erd)和质量变化(W)规律,总结出不同混凝土在氯盐、硫酸盐-镁盐和硫酸盐-镁盐-氯盐环境下的化学腐蚀性能。结果表明:氯盐对混凝土材料的化学腐蚀作用不明显;而硫酸盐-镁盐、硫酸盐-镁盐-氯盐对混凝土材料具有明显的化学腐蚀作用;不同混凝土的抗硫酸盐-镁盐、硫酸盐-镁盐-氯盐腐蚀性能规律均为:HDC2>FAC>HPC>HDC1;通过掺加聚丙烯+聚酯纤维+钢纤维的高耐久性混凝土(HDC2)能显著提升其抗硫酸盐-镁盐和硫酸盐-镁盐-氯盐腐蚀能力。

钢筋-煤系偏高岭土水泥砂浆抗氯盐-硫酸盐侵蚀性能

用电化学试验、抗折强度测试、压汞试验、X射线衍射等研究了氯盐-硫酸盐侵蚀下煤系偏高岭土(CMK)对水泥砂浆及其内部钢筋耐侵蚀性能的影响.结果表明:CMK水泥砂浆保护层能够降低钢筋的锈蚀程度和锈蚀速率,推迟钢筋发生点蚀破坏的时间,提高钢筋的耐锈蚀性能;CMK的掺入减小了氯盐-硫酸盐侵蚀下水泥砂浆的膨胀率及其抗折强度损失;CMK能够细化水泥砂浆的孔隙结构,抑制水泥净浆在氯盐-硫酸盐侵蚀过程中石膏、钙矾石等侵蚀产物的生成.

硫酸盐-氯盐侵蚀下混凝土的渗透性能研究

随着我国经济的快速发展,海洋混凝土结构长期安全地使用成为工程界关注的重点。在复杂的现实条件下,硫酸盐及氯盐侵蚀已经成为混凝土耐久性失效的主要原因之一,因此研究混凝土在侵蚀作用下的渗透性能是非常有意义的,本文系统研究了硫酸盐-氯盐侵蚀混凝土的渗透性能,主要研究成果如下:在侵蚀不同的时刻,分别对混凝土同一深度下的氯离子及硫酸根离子质量百分比进行测定,得到了混凝土中侵蚀离子的扩散规律,给出了硫酸根离子、氯离子侵蚀规律与腐蚀作用时间的相互关系。

硫酸盐影响下氯盐侵蚀钢筋的电化学及微观研究

针对氯盐与硫酸盐耦合环境下的钢筋混凝土腐蚀问题,以水泥净浆层代替混凝土保护层,设计制作了系列水泥净浆-钢筋试件,开展了单一氯盐及氯盐-硫酸盐复合溶液中各试件的Tafel极化、电化学阻抗谱(EIS)及微观形貌测试,分析了开路电位、腐蚀电流密度、双电层电容和弥散指数等电化学参数随腐蚀时间的变化规律,并评估了硫酸盐含量对氯盐环境下钢筋腐蚀进程及腐蚀程度的影响。结果表明,连续不间断的电化学测试及相应的参数拟合能准确表征钢筋的腐蚀动力学过程,且Tafel极化曲线法与EIS所得结论一致;硫酸根离子会造成混凝土保护层膨胀开裂,加快氯离子在混凝土中的传输速率,从而在加快钢筋混凝土腐蚀进程的同时也加剧了混凝土内钢筋的腐蚀程度。

混凝土中氯盐-硫酸盐耦合侵蚀的化学-损伤-传输模型研究进展

服役于氯盐和硫酸盐耦合环境的钢筋混凝土结构,很容易因为氯盐和硫酸盐的侵蚀引起性能退化。本文从氯盐和硫酸盐的侵蚀机理出发,系统地分析了硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤前后氯离子和硫酸根离子的扩散-结合过程。基于经典的扩散-反应模型以及化学-损伤-传输理论框架,详细阐述离子活度、环境温湿度、微观结构、钙溶蚀等因素对化学-损伤-传输体系的影响,并从热力学角度介绍了氯离子和硫酸根离子耦合传输的热力学模型。基于上述分析,对目前研究存在的问题进行了展望。

矿物掺合料对混凝土抗复合侵蚀的影响

为明确矿物掺合料对混凝土抗复合侵蚀的影响,在混凝土中分别掺加粉煤灰和硅灰,以明确矿物掺合料对混凝土抵抗硫酸盐-氯盐复合侵蚀能力的影响。研究分析了混凝土在历经若干次干湿循环后的抗压强度、质量损失率和动弹性模量损失变化,结合XRD、SEM和工业CT等表征方法,揭示了两类矿物掺合料对抗复合侵蚀性能的影响机理。结果表明粉煤灰和硅灰的掺加在复合侵蚀条件下可以显著改善混凝土的微观结构和宏观性能,降低有害孔的数量,从而提高材料耐久性。矿物掺合料通过物理填充和化学反应双重机制,有效地提升了混凝土在硫酸盐-氯盐复合侵蚀环境中的性能。研究结果为混凝土抵抗硫酸盐-氯盐复合侵蚀的性能研究提供了理论指导和依据。

受“渗流-应力场”及SO_4^(2-)-Cl^-作用后高性能混凝土性能研究

为揭示地下高性能混凝土性能劣化规律,针对地下结构中高性能混凝土所处环境特点,通过试验模拟"渗流-应力场"及硫酸盐、氯盐的共同作用,检测腐蚀后混凝土的承载力并分析腐蚀后混凝土中的腐蚀产物。结果表明:1)荷载单独变化时,荷载越大混凝土腐蚀越明显;2)水压单独变化时,水头差越大混凝土腐蚀程度越严重;3)水头差对混凝土抗压性能的影响要高于荷载,但荷载和水头差越大,两者差距将逐渐缩小;4)荷载和水头差同时作用下的混凝土受侵蚀情况更加严重,两者共同作用比单一因素作用后混凝土承载力减少更多。微观测试和分析表明,荷载和水头差作用会加快混凝土内腐蚀产物的生成,水头差对混凝土抗压性能的影响要略高于荷载,与混凝土强度测试分析结果一致。

“渗流-应力场”及SO42--Cl-复合作用下混凝土性能劣化研究

选取9组不同荷载及水头差作用下受氯离子和硫酸根离子腐蚀15d后的混凝土试块,测量其承载力,同时对混凝土试块粉末进行X射线衍射和扫描电镜分析,研究了不同荷载和水头差对混凝土受侵蚀破坏的影响和破坏机理,建立了受腐蚀混凝土承载力模型.实验表明:不同工况下混凝土承载力随水头差或荷载的增大而减小,荷载和水头差会增加混凝土试块中反应产物的量并改变混凝土内部的形貌、加剧混凝土腐蚀,且水头差的作用更明显.荷载和水头差共同作用对混凝土试块的影响比单独作用对混凝土性能的影响更显著.

高地热环境多因素影响混凝土模拟孔溶液中钢筋腐蚀行为

高地热环境隧道衬砌混凝土中温度、孔溶液pH值、侵蚀离子的共同作用引发钢筋锈蚀。通过模拟混凝土孔隙液,研究了环境温度(20℃和60℃)、孔溶液pH值(12.55、12.15、11.75)和侵蚀离子种类(Cl^(-)、SO_(4)^(2-)和Cl^(-)、SO_(4)^(2-)复合)共同作用下,钢筋开始锈蚀的临界离子浓度及其锈蚀行为。结果表明:氯盐侵蚀时,温度为60℃、pH值为12.55的饱和混凝土模拟液中,钢筋锈蚀的临界氯离子浓度为0.04~0.06 mol/L;当pH值降低到12.15和11.75时,钝化膜稳定性下降,临界氯离子浓度降低到0.03~0.05 mol/L和0.02~0.04 mol/L。硫酸盐侵蚀钢筋的锈蚀诱导期更长,温度为60℃、pH值为12.55、12.15时,钢筋锈蚀的硫酸根浓度阈值相差不大,在0.06~0.08 mol/L之间;当pH值降低到11.75时,硫酸根离子浓度阈值为0.05~0.08 mol/L。硫酸盐与模拟孔溶液中Ca(OH)_(2)的反应生成石膏,其覆盖在钢筋表面对钢筋锈蚀有延缓作用,因此温度与pH值对SO_(4)^(2-)引起的锈蚀浓度阈值影响较小。Cl^(-)、SO_(4)^(2-)复合作用下,SO_(4)^(2-)会排斥吸附在电极表面的Cl^(-),并与Ca^(2+)反应生成CaSO_(4),覆盖在钢筋表面使钝化膜致密,延缓了钢筋锈蚀速度。pH值为12.55、12.15时,SO_(4)^(2-)分别达到0.03 mol/L和0.04 mol/L时对Cl^(-)引起的钢筋腐蚀具有缓蚀作用,然而当pH值为11.75时,SO_(4)^(2-)对Cl^(-)引起的钢筋腐蚀无缓蚀作用。