電場與硫酸鹽共存環(huán)境中水泥基材料的劣化及其機理研究.pdf

1、硫酸鹽侵蝕是威脅水泥基材料耐久性的一個重要因素。當水泥基材料暴露于富含硫酸鹽環(huán)境時，硫酸根離子滲入材料內部，與水泥水化產物發(fā)生反應，生成石膏和鈣礬石等侵蝕產物，產生膨脹、開裂和剝落等劣化，或產生鹽結晶膨脹等物理破壞。目前，關于硫酸鹽侵蝕及其與其它環(huán)境因素共同作用下水泥基材料的劣化過程及機理已有大量研究。隨著經(jīng)濟技術的不斷發(fā)展，電場也越來越多地應用或存在于實際工程環(huán)境中，如軌道雜散電流和電滲脈沖防潮技術。在電場影響下，水泥基材料硫酸鹽侵蝕

2、將變得更為復雜。因此，本文研究了電場與硫酸鹽共存環(huán)境中水泥基材料的劣化行為及機理。主要研究內容及結論如下：
　　研究了電場作用下SO42–在水泥基材料內的遷移速率，討論了液相環(huán)境和試件組成與結構對SO42–遷移的影響，借助X射線衍射分析（XRD）和掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）分析了硫酸鹽侵蝕產物含量及分布。結果表明，電場顯著加速了SO42–遷移，電場作用90d后 SO42–侵入試件深度和總量分別為不加電場試件的4.38～6.

3、25倍和7.50～14.00倍，遷入的SO42–與水泥水化產物反應生成了大量石膏和鈣礬石晶體；選用NaOH作為陽極溶液可避免試件遭受“酸腐蝕”；調整陰極溶液pH值為7.0時，有利于SO42–遷入；電場作用下SO42–遷移主要由電勢差控制，濃度差影響甚微；粉煤灰的摻入對SO42–遷移有一定限制作用，而摻入石灰石粉或增大水膠比則有利于SO42–遷移。
　　測試了通電過程中溶液和試件內溫度變化，采用綜合熱分析（DSC-TG）、傅里葉轉換

4、紅外光譜（FT-IR）和 XRD等手段分析了電場對水泥水化和硫酸鹽侵蝕產物的影響。結果顯示，通電產生的熱引起試件內溫度升高，但該升溫相對有限，約為1.5～4.9℃，未明顯加速水泥后期水化；短期內電場也未改變C-S-H凝膠結構中Si-O鍵的鍵合方式；試件孔溶液中的Ca2+、SO42?和Al(OH)4?等離子因電場作用發(fā)生遷移而數(shù)量減少，引起水泥早期水化和硫酸鹽侵蝕所生成的鈣礬石不穩(wěn)定而有所分解。
　　分析了電場作用下外界溶液中 Ca

5、2+濃度與水泥基材料內鈣含量變化規(guī)律，借助XRD、SEM-EDS以及孔結構分析（MIP）等微觀測試方法，研究了Ca2+溶出引起的水泥水化產物組成與結構變化。結果表明，電場加速了水泥基材料內 Ca2+溶出，試件靠近陰極部位 Ca(OH)2不斷溶解，隨后 C-S-H凝膠開始溶解，內部孔隙率和總孔體積增加，試件強度降低。當陰極溶液為水時，電場作用90d后試件靠近陰極部位的的 C-S-H凝膠 Ca/Si比下降5.1%～13.5%，孔隙率增幅為2

6、0.9%～27.4%，試件強度下降6.7%～15.6%。
　　通過抗壓強度和化學測試等宏觀方法以及XRD和SEM-EDS等微觀分析，系統(tǒng)研究了電場與硫酸鹽侵蝕共同作用下混凝土的劣化行為與機理。結果表明，電場與硫酸鹽侵蝕共同作用下大量SO42–遷入混凝土內，硫酸鹽侵蝕加快；同時試件內Ca2+不斷溶出，其微觀結構變得疏松多孔，而這又有利于SO42–遷移；因此，該條件下混凝土劣化更為快速，劣化主要來自硫酸鹽侵蝕和溶蝕這兩個過程，其中硫酸

7、鹽侵蝕占主導地位；電場作用下的硫酸鹽侵蝕速率約為Na2SO4溶液浸泡侵蝕的3.4～4.4倍。
　　論文結果表明，電場加速了水泥基材料硫酸鹽侵蝕，也加劇了水泥基材料的溶蝕破壞。這意味著在富含硫酸鹽環(huán)境中建設城市軌道交通和應用電滲脈沖防潮技術時應密切關注電場導致的混凝土結構劣化破壞問題。
　　研究結果亦顯示，電場在加速硫酸鹽侵蝕過程中，未明顯影響水泥水化程度，也未改變C-S-H凝膠中Si-O鍵合方式。因此，可否將電場用于快速評價