干湿循环下MgSO4侵蚀对水泥—矿渣浆体微结构影响机理

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混凝土材料被广泛应用于海洋基础设施建设中,其水化产物组成和微结构决定其耐久性能,进而决定着工程的服役寿命。海水侵蚀性离子中,Mg2+和SO42-对胶凝浆体侵蚀最具破坏性,尤其是海水干湿循环作用下,浆体水化产物组成和微结构发生演变,导致胶凝浆体微结构破坏、胶凝力下降。论文依托“973”计划项目“严酷环境下长寿命混凝土材料微结构形成与调控”(2015CB655101),采用29Si NMR、27Al NMR、SEM-EDS等分析测试技术研究了水泥-矿渣胶凝浆体在MgSO4中侵蚀以及干湿循环作用下水化产物组成和C-S-H凝胶微结构的形成与演变机理。发现MgSO4侵蚀和干湿循环作用对C-S-H凝胶微结构产生显著影响,矿渣可削弱干湿循环MgSO4侵蚀对C-S-H凝胶的脱钙、脱铝作用,抑制C-S-H凝胶硅氧链上Al[4]的迁移和浆体中AFm向AFt转变,改善C-S-H凝胶微结构的稳定性。取得的创新成果如下:研究了水中养护和干湿循环作用下,水泥-矿渣胶凝浆体微结构的形成与演变规律。随养护龄期延长(28180d),硅酸盐水泥浆体C-(A)-S-H凝胶MCL增大,Al[4]/Si降低;相同龄期下,随着矿渣掺量和水胶比的增大,其解聚产生的Al3+以Al[4]配位进入C-(A)-S-H凝胶桥硅氧四面体位的量增大,胶凝浆体C-(A)-S-H凝胶MCL和Al[4]/Si增大,且增大幅度随矿渣掺量增加而提高;干湿循环促进了胶凝浆体的水化,导致硅酸盐水泥浆体中C-(A)-S-H凝胶的MCL增长和Al[4]/Si的降低幅度,以及掺加矿渣的胶凝浆体中C-(A)-S-H凝胶的MCL和Al[4]/Si增长幅度均较水中养护相同龄期的大。研究5.0%MgSO4侵蚀和干湿循环作用下,水泥-矿渣胶凝浆体微结构的形成与演变规律。随侵蚀龄期延长(28180d),硅酸盐水泥浆体C-(A)-S-H凝胶MCL显著增大、Ca/Si和Al[4]/Si显著降低,与水中养护相比,MgSO4侵蚀促进了C-(A)-S-H凝胶硅氧链桥位Al[4]向AFt或AFm中的Al[6]转变。随矿渣掺量增加,MgSO4侵蚀下,C-(A)-S-H凝胶MCL增长幅度和Al[4]/Si降低幅度均减小,掺入矿渣可削弱MgSO4对C-(A)-S-H凝胶的脱钙、脱铝作用,改善C-(A)-S-H凝胶微结构稳定性;干湿循环MgSO4侵蚀较MgSO4侵蚀,在相同龄期下,浆体表面微裂纹增多,Mg(OH)2层被破坏,Mg2+和SO42-的扩散速率提高,并显著加速矿渣的水化,使矿渣解聚出大量Al3+,一部分与孔溶液中的SO42-和Ca2+结合生成AFm和AFt,另一部分以Al[4]配位进入C-S-H凝胶桥硅氧四面体位置,其量较MgSO4侵蚀下大,导致C-(A)-S-H凝胶MCL和Al[4]/Si均较MgSO4侵蚀相同龄期下高,且随矿渣掺量增加和水胶比降低,C-(A)-S-H凝胶的MCL、Al[4]/Si和Ca/Si随干湿循环MgSO4侵蚀龄期延长的变化幅度减小。掺入矿渣和降低水胶比,可削弱干湿循环MgSO4侵蚀对C-(A)-S-H凝胶的脱钙、脱铝作用,提高干湿循环MgSO4侵蚀下C-(A)-S-H凝胶微结构的稳定性。侵蚀性离子传输抑制剂与孔溶液中Ca2+络合,生成不溶于水和盐溶液的晶体,堵塞浆体毛细孔,<10nm和50nm的孔增加,>100nm的孔减少,抑制Mg2+、SO42-和Cl-在胶凝浆体中的传输和对C-(A)-S-H的脱钙、脱铝作用及含Al相水化产物的转变。利用侵蚀性离子传输抑制剂、矿渣和粉煤灰设计制备了低温升、抗裂、耐蚀海工大体积混凝土(胶凝材料用量400Kg/m3,水泥用量150Kg/m3、绝热温升仅为41.3℃、28d抗压强度达到4755MPa、电通量低于600C),应用于虎门二桥承台大体积混凝土工程,提高了混凝土的耐久性。
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