本文選題：熱力學(xué)研究　切入點(diǎn)：鋁相　出處：《武漢理工大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(thaumasite form of sulfate attack,TSA)作為硫酸鹽侵蝕一種新的亞種被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所認(rèn)知。TSA直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中主要強(qiáng)度組分C-S-H凝膠分解,由于碳硫硅鈣石晶體結(jié)構(gòu)與鈣礬石相似而常被忽視或錯(cuò)誤判斷,故其比傳統(tǒng)硫酸鹽侵蝕更具有隱蔽性及破壞性。2002年首屆TSA侵蝕破壞的國(guó)際研討會(huì)在英國(guó)召開,標(biāo)志著TSA已經(jīng)成為全世界混凝土科研界及工程界所關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。目前我國(guó)正在大力發(fā)展西部建設(shè)及跨區(qū)域重大工程建設(shè),由于這些地區(qū)地質(zhì)及氣候等特性為TSA發(fā)生提供了必要的條件,所以對(duì)該侵蝕亞種進(jìn)行系統(tǒng)的研究并解釋其中的機(jī)理對(duì)我國(guó)西部及北部跨區(qū)域重大工程建設(shè)的耐久性具有重大的經(jīng)濟(jì)及學(xué)術(shù)價(jià)值。目前,TSA侵蝕及其機(jī)理尚有許多空白與不確定性。具體表現(xiàn)在:1、針對(duì)不同影響因素條件下碳硫硅鈣石的形成缺乏系統(tǒng)的熱力學(xué)研究確定其形成的臨界溫度,及重要影響因素之間熱力學(xué)形成模型的建立;2、以鋁相為主的鈣礬石可能會(huì)作為碳硫硅鈣石的成核基礎(chǔ),然而其形態(tài)與摻量對(duì)碳硫硅鈣石晶體形成過程中的影響及作用機(jī)制存在不確定性;3、對(duì)此類型侵蝕的防治缺乏行之有效的手段等�；谏鲜鰡栴},本文依托國(guó)家自然基金(51178363)等項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的研究空白進(jìn)行了多方面的研究。本文的主要工作及取得的重要成果如下:1.通過對(duì)碳硫硅鈣石形成進(jìn)行系統(tǒng)的熱力學(xué)研究確定了不同條件下碳硫硅鈣石形成的臨界溫度及水化硅酸鈣中Ca/Si的臨界值,明確了氫氧化鈣對(duì)碳硫硅鈣石形成的重要作用,并首次建立了pH-SO42--溫度及CO2-pH-SO42-三元體系熱力學(xué)形成模型,從而揭示TSA生成的可能性,為TSA研究提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。(1)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下Ca(OH)2及Ca/Si=0.83~1.67的水化硅酸鈣對(duì)碳硫硅鈣石形成的影響進(jìn)行熱力學(xué)研究,結(jié)果顯示Ca(OH)2參與反應(yīng)時(shí),Ca/Si=0.83~1.67的水化硅酸鈣均可以發(fā)生反應(yīng)生成碳硫硅鈣石。Ca(OH)2不參與反應(yīng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下只有水化硅酸鈣中Ca/Si1.58時(shí)才會(huì)反應(yīng)生成碳硫硅鈣石。隨Ca/Si的增大,自由能呈減小的趨勢(shì),更利于碳硫硅鈣石的生成。(2)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下碳硫硅鈣石形成進(jìn)行系統(tǒng)熱力學(xué)研究并明確其反應(yīng)的臨界溫度。結(jié)果顯示,理想狀態(tài)下Ca(OH)2參與反應(yīng)時(shí)Ca/Si=1.67水化硅酸鈣臨界反應(yīng)溫度可達(dá)54℃;Ca/Si=0.83水化硅酸鈣臨界反應(yīng)溫度為31℃。Ca(OH)2不參與反應(yīng)情況下ca/si=1.67水化硅酸鈣臨界反應(yīng)溫度為36℃;ca/si=0.83水化硅酸鈣0℃以上不能發(fā)生反應(yīng)。明確了高溫條件下也可以形成碳硫硅鈣石的結(jié)論,打破了目前學(xué)術(shù)界中只有在較低溫度才能夠形成碳硫硅鈣石的觀點(diǎn)。(3)首次建立了ph-so42--溫度及co2分壓-ph-so42-三元體系熱力學(xué)形成模型。結(jié)果顯示,碳硫硅鈣石形成所需要的最小so42-濃度與溫度及ph值呈正比關(guān)系;co2與ph值呈正比關(guān)系而與so42-濃度呈反比關(guān)系。2.系統(tǒng)研究了水泥礦物鋁相對(duì)單礦體系中碳硫硅鈣石形成的影響,及外界可溶性鋁相在化學(xué)合成體系中對(duì)碳硫硅鈣石與其固溶體形成的影響。結(jié)合xps及固體核磁共振等多種測(cè)試手段揭示了鋁相在碳硫硅鈣石形成過程中的機(jī)理。(1)在tsa侵蝕環(huán)境下,初始體系中c3a的引入會(huì)加速c-s-h(c3s水化產(chǎn)物)分解并轉(zhuǎn)化為碳硫硅鈣石的過程,硫酸鹽侵蝕介質(zhì)存在形態(tài)的不同會(huì)導(dǎo)致侵蝕程度有所差異。(2)tsa侵蝕條件下低堿c-s-h(純c2s水化產(chǎn)物)受侵蝕生成碳硫硅鈣石相對(duì)于c3s體系需要更長(zhǎng)的時(shí)間,18個(gè)月齡期尚未發(fā)現(xiàn)明顯的碳硫硅鈣石生成,然而初始體系中引入2%c3a便可使體系18個(gè)月生成碳硫硅鈣石。(3)通過4個(gè)月蔗糖法合成樣品測(cè)試結(jié)果表明,al/si=1:9~9:1之間均可發(fā)現(xiàn)兩種形態(tài)晶格尺寸連續(xù)變化的固溶體:碳硫硅鈣石型固溶體a軸的尺寸主要集中在11.05-11.101?之間,c軸尺寸主要集中在10.475-10.423?之間;鈣礬石型固溶體的a軸尺寸主要集中在11.191-11.235?之間,c軸的尺寸主要集中在21.370-21.466?之間。固溶體間隙計(jì)算結(jié)果為11.101-11.191?。本試驗(yàn)條件下通過對(duì)sem-eds結(jié)合紅外加合分析計(jì)算后得知硅最大取代鋁的量約為48%。而鋁取代硅的最大量約為36%。(4)提出了鈣礬石在碳硫硅鈣石形成過程中的作用機(jī)理及假說:鈣礬石在碳硫硅鈣石形成過程中為其提供八面體結(jié)構(gòu)模型,而硅元素可以取代八面體結(jié)構(gòu)模型中的鋁;碳硫硅鈣石可以同質(zhì)外延進(jìn)行生長(zhǎng),但不能以高匹配率的晶體為模型異質(zhì)外延生長(zhǎng)。3.通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究了碳硫硅鈣石形成過程中ca(oh)2溶解度及溫度等一系列重要因素的影響,從而為后期碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕的防治技術(shù)提供了理論及試驗(yàn)基礎(chǔ)。(1)ca(oh)2溶解度的增大對(duì)碳硫硅鈣石形成起到重要的促進(jìn)作用,其溶解度與碳硫硅鈣石16周的生成量呈線性關(guān)系。(2)通過對(duì)12個(gè)月不同ca/si水化硅酸鈣侵蝕結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于不同ca/si水化硅酸鈣聚合度及結(jié)構(gòu)的差異使得低Ca/Si的水化硅酸鈣可以較好的抑制/延遲碳硫硅鈣石的生成。這一結(jié)論與熱力學(xué)研究結(jié)果相吻合。(3)對(duì)幾種外加劑的作用研究結(jié)果表明:不同外加劑對(duì)碳硫硅鈣石形成的抑制程度順序?yàn)樯嚼娲季剖徜@檸檬酸鈉木質(zhì)素磺酸鈉。(4)對(duì)不同溫度下固溶體的研究發(fā)現(xiàn)溫度升高可以降低硅取代鋁的量。溫度為20℃時(shí),硅最大取代鋁的量為45%,鋁取代硅的量最大為25%;40℃時(shí)硅最大取代鋁的量為40%,鋁最大取代硅的量為24%。4.基于理論研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種新型TSA抑制劑。以硅灰為摻合料提高水泥基材料抗?jié)B性及降低材料體系Ca/Si,以硅藻土為載體加入氫氧化鋇、碳酸鋇及山梨醇制備了具有抗TSA侵蝕性能的抑制組份,經(jīng)過12個(gè)月侵蝕結(jié)果發(fā)現(xiàn)未加抑制劑的水泥基材料侵蝕12個(gè)月強(qiáng)度損失94%并伴隨大量碳硫硅鈣石侵蝕產(chǎn)物生成,而摻加抑制劑的水泥基材料強(qiáng)度損失為0%,且微觀分析未發(fā)現(xiàn)碳硫硅鈣石生成。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU528

【參考文獻(xiàn)】

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1 張風(fēng)臣;;Effect of Fly Ash on TSA Resistance of Cement-based Material[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2011年03期

2 張朝輝;楊江金;任生元;王沁芳;;混凝土滲透性與耐久性的關(guān)系及提高抗?jié)B性的方法[J];商品混凝土;2007年06期

3 高小建;馬保國(guó);鄧宏衛(wèi);;水泥砂漿TSA侵蝕破壞過程的性能演變[J];江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年01期

4 馬保國(guó),高小建,何忠茂,董榮珍;混凝土在SO_4~(2-)和CO_3~(2-)共同存在下的腐蝕破壞[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2004年10期

5 張永娟,張雄;粉煤灰改善石灰石硅酸鹽水泥耐硫酸鹽侵蝕的機(jī)理[J];粉煤灰綜合利用;2002年01期

6 余紅發(fā),李穎,丁向群;磚內(nèi)硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理剖析[J];混凝土;2000年08期

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