層狀雙氫氧化物改善混凝土耐久性能的機(jī)理及其應(yīng)用研究.pdf

1、海洋工程結(jié)構(gòu)一般都服役于各種離子及碳化侵蝕的多因素環(huán)境下，其耐久性能的問(wèn)題十分突出。深入剖析混凝土的耐久性損傷成因，在傳統(tǒng)技術(shù)之上，對(duì)混凝土材料進(jìn)行改性，探討提升其耐久性能、延長(zhǎng)其服役壽命的新措施、新技術(shù)、新材料是一項(xiàng)具有重大實(shí)際意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的研究課題。針對(duì)目前現(xiàn)有的關(guān)于改善混凝土抗外界侵蝕性能的提升技術(shù)措施，不同的方法總存在一定的缺陷，而且很多方法是針對(duì)單一耐久性因素提出，建立和發(fā)展抑制混凝土材料碳化反應(yīng)、氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕

2、破壞的新技術(shù)是保證含有大摻量礦物摻合料的現(xiàn)代混凝土具有良好耐久性的關(guān)鍵技術(shù)途徑。通過(guò)對(duì)近年來(lái)的研究趨勢(shì)和熱點(diǎn)的把握，將層狀雙氫氧化物（LDHs）引入建筑材料領(lǐng)域已成為一種新的研究方向，本論文選取典型的LDHs材料作為改善混凝土耐久性能的新技術(shù)措施。
　　論文以Mg-Al-CO3體系LDHs為基礎(chǔ)，測(cè)試和分析其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)；在不同溫度條件下進(jìn)行煅燒脫碳處理，探討其熱分解過(guò)程，建立結(jié)構(gòu)重建與熱歷史的聯(lián)系。探討了LDHs材料的結(jié)構(gòu)熱分

3、解第二階段熱力學(xué)特性。以水泥漿體顯微結(jié)構(gòu)三維計(jì)算機(jī)模型為基礎(chǔ)，分析重建產(chǎn)物性質(zhì)對(duì)水泥漿體凝結(jié)時(shí)間、水化程度、孔溶液離子濃度以及孔隙率等凝結(jié)硬化特性的影響。定量研究了LDHs材料在結(jié)構(gòu)重建過(guò)程吸附陰離子的能力，分析和表征其重建產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)。研究分析LDHs材料改性處理對(duì)混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的影響，綜合論證了LDHs材料對(duì)混凝土耐久性的影響。通過(guò)LDHs與偏高嶺土（MK）組成復(fù)合性能調(diào)節(jié)劑，開拓LDHs改善混凝土抗?jié)B性能的應(yīng)用前景。

4、>　　論文的主要研究結(jié)論如下：
　?。?）插層CO32-的水滑石材料的溶解性小于插層Cl-和插層NO3-的水滑石材料，也即其穩(wěn)定性優(yōu)于插層Cl-和插層NO3-的水滑石材料，這與其電荷密度較大，與層板之間的作用較強(qiáng)，且其平行結(jié)構(gòu)插入層間的穩(wěn)定構(gòu)型有關(guān)。在實(shí)際的水滑石層板結(jié)構(gòu)中，1:2和1:3是最能形成穩(wěn)定水滑石相的合適Al/Mg比，理論分析的結(jié)論為水滑石材料的選取確定了依據(jù)。
　?。?）Mg-Al-CO32-LDHs材料在經(jīng)過(guò)

5、煅燒之前結(jié)晶狀態(tài)相對(duì)最好，600℃煅燒后經(jīng)過(guò)飽和石灰水再水化結(jié)構(gòu)可復(fù)原，但結(jié)晶度有所下降。原始Mg-Al-CO32-LDHs未經(jīng)處理時(shí)呈明顯片層狀結(jié)構(gòu)，600℃高溫煅燒產(chǎn)物L(fēng)DOs仍然具有層狀結(jié)構(gòu)特征且顆粒有一定的團(tuán)聚。煅燒產(chǎn)物再水化后的R-LDHs可以恢復(fù)層片狀結(jié)構(gòu)。將煅燒溫度提高至800℃時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)燒結(jié)塊狀尖晶石，不能夠發(fā)生結(jié)構(gòu)重建。微觀分析與第二階段分解熱力學(xué)結(jié)果相互印證。
　?。?）綜合水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間、非

6、蒸發(fā)水含量和水化熱結(jié)果，LDHs材料對(duì)水泥水化程度有一定的影響，但是影響幅度很小。隨著水泥的水化發(fā)展，孔溶液Na+濃度變化規(guī)律和K+的情況類似，SO42-濃度變化的規(guī)律和Ca2+的變化類似，但是摻入LDHs材料后，Ca2+改變幅度很小，而SO42-有一定的改變。pH值整個(gè)階段只有較小的增長(zhǎng)，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)且波動(dòng)很小，對(duì)于摻入不同類型的LDHs后，pH值的規(guī)律和大小并不受影響。
　?。?）三維計(jì)算機(jī)模擬表明，LDHs材料的引入只是

7、在水化初始階段的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生吸水、離子的吸附和交換作用，但是影響的幅度不大，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的水化并沒(méi)有明顯的影響。摻入C-LDHs后在早期孔隙率有一定的減小，對(duì)于提高材料的抗?jié)B透性能有一定的優(yōu)化作用。
　　（5）綜合模擬混凝土孔溶液中的吸附動(dòng)力學(xué)結(jié)果，針對(duì)Mg-Al-CO32-LDHs、Mg-Al-NO3-LDHs等不同類型材料而言，煅燒處理后的LDHs材料吸附CO32-、SO42-和Cl-的效果最好。相比Freundlich模型，

8、Langmuir等溫線可以較好的擬合煅燒處理的Mg-Al-CO32-LDHs材料對(duì)模擬混凝土孔溶液中SO42-的吸附平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在不同的吸附動(dòng)力學(xué)模型中，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最吻合。吸附熱力學(xué)表明，LDHs材料對(duì)SO42-的吸附是一個(gè)自發(fā)、吸熱、熵增大的過(guò)程。
　?。?）LDHs對(duì)混凝土耐久性改善的實(shí)施效果表明，摻入LDHs材料后碳化深度均有一定的下降。其中煅燒處理的LDHs影響幅度最大，碳化深度下降明顯。選取常見(jiàn)的模型對(duì)

9、混凝土碳化深度進(jìn)行驗(yàn)證與預(yù)報(bào)，整體趨勢(shì)表明了模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于摻入LDHs的試樣來(lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均偏小，對(duì)應(yīng)混凝土的碳化深度也較小，引入LDHs材料對(duì)模型依舊符合。Mg-Al-NO3-LDHs材料與煅燒后的LDHs理論上均具有較明顯的吸附混凝土中氯離子能力。針對(duì)Mg-Al-CO32-LDHs材料，煅燒處理后，呈現(xiàn)出了明顯的改善硫酸鹽侵蝕效果。LDHs材料對(duì)混凝土耐久性能的提升作用主要來(lái)自于離子交換和基于結(jié)構(gòu)重建的吸附。
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10、7）LDHs-MK復(fù)合改性劑的摻入對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響不明顯，但對(duì)后期強(qiáng)度有明顯的貢獻(xiàn)，且復(fù)摻效果好于單摻MK。摻入MK后混凝土的界面處明顯得到改變，水泥漿體與骨料結(jié)合緊密。當(dāng)LDHs-MK復(fù)合摻入時(shí)對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的影響最大，出現(xiàn)最密實(shí)的結(jié)構(gòu)。摻入LDHs-MK復(fù)合改性劑后提高了混凝土抗氯離子滲透能力?；炷梁箅娡?、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和氯離子濃度結(jié)果相吻合。
　　本論文的研究成果，將有助于發(fā)展陰離子交換材料在水泥化學(xué)和混凝土科學(xué)領(lǐng)域