【摘要】：水泥基材料的耐久性問(wèn)題是混凝土工程領(lǐng)域長(zhǎng)期關(guān)注的焦點(diǎn),當(dāng)前國(guó)內(nèi)側(cè)重于研究水泥基材料處于不同環(huán)境下的宏觀表象和服役狀態(tài),國(guó)際上傾向于通過(guò)先進(jìn)的分析方法計(jì)算或測(cè)量其內(nèi)部物相的參數(shù)和性質(zhì),而基于化學(xué)熱動(dòng)力學(xué)理論、以合成腐蝕產(chǎn)物的技術(shù)手段對(duì)水泥基材料侵蝕反應(yīng)展開(kāi)研究,正迅速興起。通過(guò)化學(xué)合成技術(shù),摒除復(fù)雜物相的干擾來(lái)研究水泥基材料的侵蝕性離子間的作用效果,以解釋其作用機(jī)理,是一種逐漸被重視的學(xué)科交叉研究新方法。本文在成功合成水泥混凝土內(nèi)部氯離子和硫酸根離子的主要侵蝕產(chǎn)物弗里德?tīng)桘}(Friedel salt)和鈣礬石(Ettringite)的基礎(chǔ)上,基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論,通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和采用多種現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù),探求二者間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系,以揭示影響水泥基材料中侵蝕產(chǎn)物互相轉(zhuǎn)化的條件和相關(guān)因素為目標(biāo)開(kāi)展研究,取得了如下成果:首先,完成了兩種典型鹽溶液侵蝕產(chǎn)物的化學(xué)合成和表征。優(yōu)選鈣礬石高效合成方法,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成鈣礬石,并采用XRD-Rietveld分析法對(duì)合成產(chǎn)物的純度進(jìn)行了定量分析和評(píng)價(jià);在現(xiàn)有合成Friedel鹽的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入Ca(OH)_2,提出了高產(chǎn)量Friedel鹽合成技術(shù),并獲受理一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利;采用X射線衍射和差熱熱重分析法對(duì)兩種合成產(chǎn)物的晶型與純度進(jìn)行了表征,采用紅外光譜對(duì)其主要基團(tuán)進(jìn)行定量分析,采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀測(cè)其微觀形貌。研究結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成的Friedel鹽與鈣礬石的形貌、基團(tuán)與水泥基材料中的侵蝕產(chǎn)物相同,合成純度較高,滿足后續(xù)腐蝕實(shí)驗(yàn)要求。其次,提出了主要鹽溶液侵蝕產(chǎn)物的熱力學(xué)參數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同溫度下Friedel鹽的多組合成實(shí)驗(yàn),使用范德霍夫方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)其進(jìn)行計(jì)算,初步得到Friedel鹽的熱力學(xué)參數(shù),并對(duì)主要的侵蝕反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析;結(jié)合已有的文獻(xiàn),概括整理出了鹽溶液幾種主要侵蝕產(chǎn)物的熱力學(xué)邊界條件;通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算,初步得到了Friedel鹽的部分熱力學(xué)參數(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)涉及的主要侵蝕反應(yīng)進(jìn)行了歸納與分析。最后,首次設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了化學(xué)合成的兩種鹽溶液侵蝕產(chǎn)物在常溫條件下的浸泡實(shí)驗(yàn),揭示了這些侵蝕產(chǎn)物之間相互轉(zhuǎn)化的微觀機(jī)理,探明了氯離子和硫酸根離子之間交互作用規(guī)律,提出了相關(guān)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程。在用飽和Ca(OH)_2溶液模擬水泥混凝土內(nèi)部環(huán)境的條件下,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成的Friedel鹽和AFt在一定條件下可以發(fā)生轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)計(jì)多組浸泡時(shí)間、反應(yīng)溫度和浸泡溶液中離子濃度三個(gè)變量的浸泡實(shí)驗(yàn),以生成物鈣礬石的含量為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)氯離子主要侵蝕產(chǎn)物Friedel鹽向硫酸根離子主要侵蝕產(chǎn)物鈣礬石AFt之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行量化表征,進(jìn)而擬合出這一轉(zhuǎn)化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程。研究發(fā)現(xiàn)鹽溶液濃度是決定侵蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化方向的決定因素;pH是與轉(zhuǎn)化進(jìn)度相關(guān)的因素;溫度的升高會(huì)導(dǎo)致離子運(yùn)動(dòng)加快,使產(chǎn)物變得復(fù)雜。本文研究結(jié)果可為進(jìn)一步揭示在不同溫度條件下氯鹽和硫酸鹽對(duì)水泥基材料耦合腐蝕過(guò)程中的侵蝕性離子交互作用機(jī)制與復(fù)雜交互作用機(jī)理,提供了腐蝕反應(yīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU528
【圖文】：

學(xué)合成相應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物，可以更直接有效的研究腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)換過(guò)程。目有大量的文獻(xiàn)報(bào)道 Friedel 鹽和鈣礬石的合成方法以及其物理化學(xué)性能。Renaudin[40過(guò)對(duì) Friedel 鹽結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的研究，完善了其晶型數(shù)據(jù)和 X 射線衍射數(shù)據(jù)，為后人究 Friedel 鹽做出了貢獻(xiàn)。Grishchenko[41]通過(guò)化學(xué)合成的方法，對(duì) Friedel 鹽進(jìn)行了 X線衍射、電子顯微鏡掃描和熱重等分析，豐富并補(bǔ)充了 Friedel 鹽的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。Li[42]研了用弗里德?tīng)柕柠}作為吸附劑，從腐蝕性溶液中去除砷，Yao[43]研究了 Friedel 鹽對(duì)亞酸鹽的吸附特性，均取得了較好的效果，主要原因是 Friedel 鹽的雙電子層結(jié)構(gòu)，易吸和容納陰離子，如圖 1.1。Shi[44]通過(guò)熱重分析和 X 射線衍射等手段，研究了硅酸鹽水與氯化物生成 Friedel 鹽的相關(guān)因素，發(fā)現(xiàn)可以用 TGA 來(lái)高效預(yù)測(cè) Friedel 鹽的生成量Mantellato[45]通過(guò)合成鈣礬石，從晶體結(jié)構(gòu)的角度研究了其受熱失水時(shí)發(fā)生的相關(guān)變化所用結(jié)構(gòu)圖如1.2所示。Baquerizo[46]研究了溫度和水汽壓力對(duì)合成鈣礬石穩(wěn)定性的影響為研究其熱力學(xué)性質(zhì)做出了貢獻(xiàn)。

學(xué)合成相應(yīng)的腐蝕產(chǎn)物，可以更直接有效的研究腐蝕產(chǎn)物的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)換過(guò)程。目有大量的文獻(xiàn)報(bào)道 Friedel 鹽和鈣礬石的合成方法以及其物理化學(xué)性能。Renaudin[40過(guò)對(duì) Friedel 鹽結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的研究，完善了其晶型數(shù)據(jù)和 X 射線衍射數(shù)據(jù)，為后人究 Friedel 鹽做出了貢獻(xiàn)。Grishchenko[41]通過(guò)化學(xué)合成的方法，對(duì) Friedel 鹽進(jìn)行了 X線衍射、電子顯微鏡掃描和熱重等分析，豐富并補(bǔ)充了 Friedel 鹽的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。Li[42]研了用弗里德?tīng)柕柠}作為吸附劑，從腐蝕性溶液中去除砷，Yao[43]研究了 Friedel 鹽對(duì)亞酸鹽的吸附特性，均取得了較好的效果，主要原因是 Friedel 鹽的雙電子層結(jié)構(gòu)，易吸和容納陰離子，如圖 1.1。Shi[44]通過(guò)熱重分析和 X 射線衍射等手段，研究了硅酸鹽水與氯化物生成 Friedel 鹽的相關(guān)因素，發(fā)現(xiàn)可以用 TGA 來(lái)高效預(yù)測(cè) Friedel 鹽的生成量Mantellato[45]通過(guò)合成鈣礬石，從晶體結(jié)構(gòu)的角度研究了其受熱失水時(shí)發(fā)生的相關(guān)變化所用結(jié)構(gòu)圖如1.2所示。Baquerizo[46]研究了溫度和水汽壓力對(duì)合成鈣礬石穩(wěn)定性的影響為研究其熱力學(xué)性質(zhì)做出了貢獻(xiàn)。

圖 1.3 技術(shù)路線Fig. 1.3 Technical roadmap文首先對(duì)化學(xué)方法合成的 Friedel 鹽和鈣礬石采用 X 射線衍射分析了產(chǎn)物的種，采用紅外光譜分析了主要基團(tuán)，采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡分析了微觀用熱重分析了熱穩(wěn)定性，確定了合成產(chǎn)物與水泥基材料中物相相同，為所研究誤。采用 XRD-Rietveld 全譜擬合法定量分析了合成產(chǎn)物的純度，確定目標(biāo)產(chǎn)足浸泡實(shí)驗(yàn)要求。在此基礎(chǔ)上通過(guò)加入適量的 Ca(OH)2，改進(jìn)了 Friedel 鹽的合顯著提高了其產(chǎn)量。次，通過(guò)在不同溫度下合成 Friedel 鹽，利用范德霍夫方程計(jì)算其焓、熵、吉布等熱力學(xué)參數(shù)，列舉不同侵蝕性離子作用下的主要侵蝕反應(yīng)，對(duì)其熱力學(xué)特性，歸納整理侵蝕反應(yīng)的熱力學(xué)邊界條件。后，通過(guò)設(shè)計(jì)不同離子濃度的浸泡實(shí)驗(yàn)，初步證明實(shí)驗(yàn)室合成的 Friedel 鹽和鈣

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本文編號(hào)：2772119