本文關(guān)鍵詞：硫酸鹽侵蝕下水泥基材料微結(jié)構(gòu)模擬及損傷演變　出處：《東南大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：硫酸鹽侵蝕一直被認(rèn)為是威脅水泥基材料耐久性的主要原因之一。早期的實(shí)驗(yàn)研究在理解硫酸鹽侵蝕過程中的膨脹機(jī)理方面成果豐碩,大量的模擬計算也在宏觀尺度上為預(yù)測水泥,砂漿或混凝土的膨脹和損傷破壞奠定了良好的基礎(chǔ)。然而,在水泥漿體微結(jié)構(gòu)的尺度上對硫酸鹽侵蝕進(jìn)行模擬卻鮮有報道,而這對于從根本上理解水泥漿體的劣化機(jī)制至關(guān)重要。因此,本文著重對水泥漿體在硫酸鹽侵蝕過程中的微結(jié)構(gòu)模擬做了研究。旨在化學(xué)方面模擬水泥漿體各水化產(chǎn)物的變化,以及其導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)的演變。此外,本論文還建立了一個耦合擴(kuò)散-化學(xué)-力學(xué)的多尺度模型,將硫酸鹽侵蝕過程中水泥漿體的宏觀性能以及微結(jié)構(gòu)機(jī)理有效的關(guān)聯(lián)。該模型既能夠在宏觀尺度上預(yù)測宏觀性能的變化,又能在微觀尺度上探究硫酸鹽侵蝕的機(jī)理。硫酸鹽侵蝕可以理解為低pH溶液的硫酸鹽溶液的侵蝕。因此,本論文首先建立了一個3D微結(jié)構(gòu)模型,用于模擬在低pH溶液不斷沖刷下,微結(jié)構(gòu)的演變以及化學(xué)方面各水化產(chǎn)物的質(zhì)量變化。該模型的創(chuàng)新點(diǎn)在于,不僅預(yù)測了被人們熟知的溶蝕初期氫氧化鈣的溶解,也預(yù)測了整個溶蝕過程中C-S-H,鋁酸鹽相以及硫酸鹽等物相的體積及組成成分上的變化。除此以外,我們還將不同階段的微結(jié)構(gòu)作為輸入文件,利用有限元模型和有限差分模型計算了楊氏模量和相對擴(kuò)散系數(shù)隨著溶蝕不斷進(jìn)行的改變。為了更好的了解硫酸鹽侵蝕過程中的主要膨脹產(chǎn)物(AFt)和主要反應(yīng)物(AFm)的熱力學(xué)穩(wěn)定性,本論文對一個相對較簡單的Ca-Al-S-O-H體系進(jìn)行了研究。首先對已有文獻(xiàn)繪制出的在25℃C下的相圖重新進(jìn)行了繪制。不同的是,本文使用的是以吉布斯自由能最小化為基本算法的GEM-Selektor軟件以及Nagra-PSI熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。該算法并不對熱力學(xué)計算施加額外的約束條件,同時該數(shù)據(jù)庫對水泥基材料體系各物相的熱力學(xué)性能有更準(zhǔn)確的定義。該模型的計算結(jié)果與其他文獻(xiàn)相一致。隨后,研究了堿離子以及體系中的碳含量對AFt和AFm熱力學(xué)穩(wěn)定性的影響。本文還討論了水石榴石溶度積大小的選擇對AFm熱平衡面的影響,為不同文獻(xiàn)關(guān)于AFm看似矛盾的報道提出了一個合理的解釋。隨后,將微結(jié)構(gòu)模型與線性熱彈性有限元模型進(jìn)行耦合,計算了鈣礬石在狹窄空間生長時導(dǎo)致的局部體積變形以及局部損傷的產(chǎn)生。該模型應(yīng)用于計算直接與硫酸鈉溶液相接觸的表面微結(jié)構(gòu)的演變。結(jié)果顯示,鈣礬石的生長所需要的鋁主要依次由單硫型硫鋁酸鈣,碳鋁酸鹽以及富含鋁的水滑石(如果存在于體系的話)來提供。通過對鋁酸鹽在微結(jié)構(gòu)空間分布的考察,發(fā)現(xiàn)當(dāng)單硫型硫鋁酸鈣分布較細(xì),以及在化學(xué)方面,提高碳酸鹽和鎂的含量,均有利于緩解膨脹和損傷。最后,建立了1D的擴(kuò)散-化學(xué)反應(yīng)-力學(xué)模型。該模型首次直接利用結(jié)晶壓理論,估算微結(jié)構(gòu)局部的體積變形。類似地,通過與熱彈性力學(xué)的耦合,該模型能夠在微結(jié)構(gòu)的尺度上預(yù)測損傷的產(chǎn)生,以及直接計算不同深度的微結(jié)構(gòu)的彈性性能和傳輸性能。這些性能在不經(jīng)過均勻化處理的情況下,直接被有限差分模型用于更新各離子在傳輸作用下的濃度分布。該模型的另一個創(chuàng)新點(diǎn)在于首次將硫酸根離子濃度和pH的影響分隔開來,為硫酸鹽侵蝕機(jī)理提出了新的理解。結(jié)果表明,當(dāng)水泥漿體處于低濃度的硫酸鈉溶液中時,總膨脹是由于pH的減小,而非硫酸根離子濃度的增加而引發(fā)的。
[Abstract]:Sulfate has been considered to be one of the main reasons for the durability of the threat of cement-based materials. Experimental study on the early expansion mechanism results in sulfate erosion process understanding of the rich, a lot of simulation calculation for prediction of cement on the macroscopic scale, expansion and damage has laid a good foundation for mortar or concrete. However, for there are few reports on the simulation of sulfate in cement paste microstructure scale, and it is essential to understand the mechanism of deterioration of cement paste fundamentally. Therefore, this paper focuses on the cement paste in the sulfate in the process of microstructure simulation is studied. Aimed at the changes of chemical simulation of cement paste the hydration products, and the microstructure evolution of the resulting. In addition, this paper also establishes a coupling diffusion chemical mechanical multiscale model will sulfate erosion The macroscopic properties of cement slurry in the process of the micro structure and associated mechanism of change. The model can predict the macroscopic properties in macro scale, and to explore the mechanism of sulfate erosion in micro scale. Sulfate can understand the erosion of sulfate solution with low pH solution. Therefore, this paper first establishes a a 3D micro structure model for simulation of the low pH solution continuously scouring, the quality change of micro evolution and chemical structure of hydration products. The model innovation is not only to predict the known dissolution of calcium hydroxide solution at the early stage, also predicted the C-S-H whole process of dissolution, volume of aluminate phase and phase composition of sulfate and changes in composition. In addition, we will also micro structure in different stages as the input file, using the finite element method and finite difference model to calculate the The young's modulus and the relative diffusion coefficient with the dissolution constant change. In order to better understand the expansion of the main product in the process of sulfate (AFt) and the main reactant (AFm) thermodynamic stability, this thesis carries on the study of a relatively simple Ca-Al-S-O-H system. Firstly, the existing literature is drawn at 25 DEG C C phase diagram was drawn again. The difference is, this paper are based on the use of Gibbs free energy minimization as the basic algorithm of GEM-Selektor software and Nagra-PSI database. The constraint conditions of thermodynamic calculation of the additional algorithm is not at the same time, the database of thermodynamics, the thermodynamic properties of cementitious materials. There are more accurately defined. The calculated results are consistent with other literature. Then, on the carbon content of alkali ions and in the system of AFt and AFm on thermodynamic stability Ring. In this paper, the water solubility garnet size choice of the influence of AFm on thermal equilibrium is discussed. The different literature about AFm seemingly contradictory reports put forward a reasonable explanation. Subsequently, the micro structure model and linear thermal elastic finite element model are coupled to the local volume deformation caused a growth in the narrow space when calcium. The stone computing and the local damage. The model is applied to calculate the evolution of surface in direct contact with the sodium sulfate solution microstructure. The results showed that the need of ettringite growth of aluminum mainly followed by single sulfur calcium sulphoaluminate, carbon aluminate and aluminum rich hydrotalcite (if it exists in the system words) to provide. Through the investigation of micro structure in aluminate spatial distribution, when single sulfur calcium sulphoaluminate distribution is fine, as well as in chemistry, improve the content of carbonate and magnesium, can relieve swelling And the damage is established. Finally, the diffusion of 1D chemical reaction mechanics model. The model for the first time by the pressure of crystallization theory, estimated volume micro structure of local deformation. Similarly, coupled with thermal elasticity, the model can predict the damage produced in the micro structure of the scale, the micro structure and direct calculation of different depth of the elastic properties and transport properties. These properties without homogenization conditions, directly by the concentration distribution of the finite difference model is used to update the ions in the transmission load. Another innovation of this model is the first time separating effect of sulphate ion concentration and pH. Put forward a new understanding for the mechanism of sulfate attack. The results show that when the cement paste is in sodium sulfate solution in low concentration, the total expansion is due to the decrease of pH, increase rather than the concentration of sulfate ions caused.

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ172.1;TB304

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本文編號：1401958