LDHs固结氯离子机理及对钢筋腐蚀行为影响的研究

作     者：陈梦竹 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴芳;余林文

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：LDHs 固结氯离子 模拟混凝土孔隙液 钢筋腐蚀 改性 

摘      要：氯离子引发的钢筋锈蚀是导致海洋环境下钢筋混凝土结构提早失效的最关键因素,层状双金属氢氧化物(LDHs),可以在侵蚀性介质(氯离子等)进入混凝土内部能够达到有效的固结,且结构和水泥的水化产物类似,在建筑材料领域已经成为研究和应用的热点,然而目前关于LDHs材料固结氯离子机理认识不够深入,例如,LDHs材料本身的结构组成(二价金属阳离子类型、二价与三价金属阳离子的比例)都会在一定程度上影响固结氯离子能力,钢筋混凝土在实际环境中的应用存在碳化问题等。此外,LDHs材料本身存在易团聚、表面官能团少的问题,这将影响在实际水泥基材料中的使用效果。因此,深入探讨其在水泥基材料体系固结氯离子机理的同时增强LDHs表面的活性官能团来提供更多的吸附氯离子的位点是本文研究的重点。本课题通过水热合成法合成三种LDHs(MgAl-LDH、CaAl-LDH、ZnAl-LDH),基于LDHs材料的层间离子可交换性,对比不同类型的LDHs在不同溶液(水溶液、普通和碳化模拟混凝土孔隙液)中固结氯离子能力,并研究LDHs材料的层板结构组成对固结氯离子性能影响,深入探讨LDHs材料固结氯离子机理。此外,采用木质素磺酸钠对LDHs材料进行改性,对比改性前后固结氯离子能力和对钢筋的阻锈性能,并探求作为添加剂外掺到水泥基材料中的合适掺量。研究揭示的主要规律如下:(1)水热合成法制备出的三种LDHs(MgAl-LDH、CaAl-LDH、ZnAl-LDH)都呈典型的六面体层状结构。其中,与MgAl-LDH和CaAl-LDH相比,ZnAl-LDH的层间距最大,固结氯离子能力最高;随着二价三价金属阳离子比例的增大,层板电荷密度减小,对氯离子的固结能力也随之减弱。(2)LDHs材料固结氯离子机制包括离子交换和表面吸附两种机制,以离子交换机制为主。三种LDHs在普通模拟孔隙液的碱性环境中吸附能力有所降低,在碳化模拟孔隙液中,碳化会引起对离子交换机制的氯离子的脱附,而表面吸附不受影响。但与在Na Cl的水溶液中吸附规律一致,即Zn(2)Al-NO的饱和吸附量最大。(3)在普通硅酸盐水泥体系,相比于MgAl-LDH和CaAl-LDH,ZnAl-LDH的掺入会严重抑制水泥的水化,养护龄期为28天时,掺量为2%、4%、6%的抗压强度仅为7 MPa、6.4 MPa、6.3 MPa。Ca-LDH的掺入会促进水泥的水化,有利于强度的发展,综合考虑固结氯离子量和对水泥基材料基本性能影响两个方面,Ca-LDH的掺入对水泥基材料性能最优。(4)木质素磺酸钠改性的Ca-LDH(Ca-SLS-LDH),相比于未改性的Ca-LDH,Ca-SLS-LDH的平均颗粒尺寸更小;改性后的比表面积由1.367 m/g提高到84.428m/g,对氯离子的饱和吸附量提升了0.433 mmol/g;在等掺量下,可以有效提高模拟混凝土孔隙液中钢筋的临界氯离子浓度值,且随着掺量的增加,对钢筋的阻锈能力更强。(5)低掺量的Ca-LDHs的掺入对水泥基材料的孔隙有一定的改善效果,水化产物增多,对砂浆的强度发展有利,且当掺量为2%时,对水泥基材料性能的改善最优,但过量掺入会导致孔隙率增大,强度降低。其中,木质素磺酸钠改性的Ca-LDH(Ca-SLS-LDH)在掺量为2%时,在木质素磺酸盐的作用下对水泥基材料有轻微的缓凝作用,但随着掺量的增大,基于较大的比表面积,吸水率高,相比于基准组,凝结时间缩短,且过量加入还会生成纤细状的AFt晶体。因此,Ca-LDHs在水泥基材料中的掺量应控制在胶凝材料的2%～4%。