基于微結構的氯離子在混凝土中傳輸性能研究.pdf

1、混凝土的耐久性一直是土木工程領域研究的熱點，耐久性包括抗?jié)B性、抗凍性、碳化性能、堿集料反應和抗侵蝕性等，其中環(huán)境中的侵蝕介質滲透到混凝土內部引起破壞是混凝土耐久性核心科學問題之一。影響混凝土耐久性的介質主要包括壓力水、氯離子、二氧化碳和其他有害的酸堿鹽溶液等;氯鹽環(huán)境下混凝土抵抗氯離子的滲透能力是關系到鋼筋混凝土結構腐蝕問題的關鍵參數，因此研究氯離子在混凝土中的傳輸性能具有十分重要的理論意義和工程實用價值。
　　本論文基于氯離子在

2、混凝土中的傳輸性能取決于混凝土微結構中組成及其數量的思想，在不同的尺度選擇典型的代表性體積單元，利用均勻化理論通過多尺度過渡途徑建立模型預測氯離子的傳輸性能。從水泥水化出發(fā)，通過等溫量熱實驗、非接觸式電阻率實驗和壓汞法研究了水泥漿體水化進程的變化情況;理論上通過Powers模型和J-T(Jennings-Tennis)模型定量計算了水泥漿體微結構中各種水化產物和孔隙的體積分數，采用CEMHYD3D程序定量計算了各種水化產物和孔隙數量，并

3、采用Matlab工具構建了水泥漿體三維微結構。在構建氯離子傳輸性能多尺度的預測模型中劃分了四個尺度:第一尺度為水化產物尺度、第二尺度為水泥漿體尺度、第三尺度為砂漿尺度、第四尺度為混凝土尺度;利用均勻化理論從微觀尺度向宏觀尺度推進過渡預測宏觀氯離子的傳輸性能。采用自行設計并獲專利授權的加載設備測試了持續(xù)拉伸荷載作用下氯離子擴散系數的變化。論文選擇的水膠比為實際工程中常用的具有代表性的數值023、0.35、0.53;礦物摻合料為粉煤灰和硅灰

4、，粉煤灰的摻量選取10％、30％、50％，硅灰的摻量選取4％、8％、12％;自行加工制作的實驗設備測試了穩(wěn)態(tài)下氯離子擴散系數。論文取得的主要研究結論和創(chuàng)新性成果包括如下幾個方面:
　　(1)水泥水化進程與特征
　　采用等溫量熱實驗研究了不同水膠比、摻加粉煤灰、硅灰的水泥漿體的放熱過程，建立了放熱速率和放熱程度之間的關系。其中放熱分為兩部分:水泥的放熱和礦物摻合料的后期介入放熱，并定義了礦物摻合料的影響臨界放熱程度;采用非接觸

5、式電阻率儀測試了不同水膠比和不同礦物摻合料摻量硬化漿體的電阻率隨水化時間變化的情況，分析了電阻率變化和固相與孔隙變化情況的關系;采用壓汞法獲得了不同水膠比和不同礦物摻合料摻量硬化漿體在不同齡期的孔隙情況，并通過二次退汞實驗方法獲得了有效孔隙率。
　　(2)水泥水化產物與微結構演化
　　根據Powers模型和J-T(Jennings-Tennis)模型計算得到了水泥硬化漿體中各相水化產物氫氧化鈣、高密度水化硅酸鈣、低密度水化硅

6、酸鈣、鋁鐵相、孔隙和未水化水泥等的體積分數;采用CEMHYD3D程序模擬了水泥漿體水化過程，計算了水化產物和孔隙的數量，并根據程序計算結果利用Matlab工具自行編程重構了水化產物和孔隙的三維結構。
　　(3)多尺度氯離子傳輸性能預測模型
　　氯離子傳輸性能多尺度的預測模型包含四個尺度:第一尺度為水化產物尺度（高密度水化硅酸鈣、低密水化硅酸鈣、氫氧化鈣、鋁鐵相等），第二尺度為水泥漿體尺度（水化產物、孔隙），第三尺度為砂漿尺度

7、（水泥漿體、砂子），第四尺度為混凝土尺度（砂漿、石子、界面過渡區(qū)）;第一尺度中采用廣義自洽理論計算HD C-S-H、LD C-S-H復合后的性能，采用Mori-Tanaka均勻化理論計算C-S-H夾雜了CH、AF混合物性能，采用采用廣義自洽理論計算水化產物夾雜了未水化水泥顆?；旌衔镄阅?。第二尺度采用串并聯模型計算了水化產物夾雜孔隙的性能，考慮了孔隙的逾滲效應和曲折度;第三尺度采用Mori-Tanaka均勻化理論計算了水泥漿體中夾雜了細骨

8、料砂子;第四尺度采用廣義自洽理論計算了粗骨料和界面過渡區(qū)的夾雜，采用串聯模型計算了砂漿中粗骨料和界面過渡區(qū)復合體的夾雜。預測模型的結果和實驗結果具有一致的變化趨勢，吻合較好。
　　(4)拉伸荷載作用下氯離子傳輸性能變化
　　自行設計開發(fā)了拉伸加載與電加速氯離子擴散相結合的應力-傳輸耦合耐久性實驗裝置，采用該裝置研究了不同拉應力水平下混凝土氯離子擴散系數的變化，應用損傷力學原理建立了擴散系數和應力水平的定量關系。該測試裝置及測