硫酸鹽侵蝕下水泥基材料微結(jié)構(gòu)模擬及損傷演變.pdf

1、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(jì)算也在宏觀尺度上為預(yù)測(cè)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(duì)硫酸鹽侵蝕進(jìn)行模擬卻鮮有報(bào)道，而這對(duì)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(duì)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

2、演變。此外，本論文還建立了一個(gè)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(cè)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(gè)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(cè)了被人們熟知的溶蝕初期

3、氫氧化鈣的溶解，也預(yù)測(cè)了整個(gè)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(jì)算了楊氏模量和相對(duì)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(duì)一個(gè)相對(duì)較簡(jiǎn)單的Ca-Al-S-O-H體系進(jìn)行了研究。首先對(duì)已有文獻(xiàn)繪制出的在25℃下的相圖重新進(jìn)行

4、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(duì)熱力學(xué)計(jì)算施加額外的約束條件，同時(shí)該數(shù)據(jù)庫對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)AFm熱平衡面的影響，為不同文獻(xiàn)關(guān)于AFm看似矛盾的報(bào)道提出了一個(gè)

5、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(jì)算了鈣礬石在狹窄空間生長(zhǎng)時(shí)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(jì)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(zhǎng)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(duì)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。

6、
　　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(cè)損傷的產(chǎn)生，以及直接計(jì)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(gè)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