天然沸石内养护水泥基材料抗硫酸盐冻融机理研究

作     者：王方拯 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑轩

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：沸石内养护 硫酸盐 冻融循环 火山灰反应 离子交换 

摘      要：近年来,天然沸石已被用作内部养护剂对水泥基材料进行收缩调控且效果较好。但水泥基材料的服役环境(海水、土壤、大气,等)中存在有害粒子如硫酸盐等,并且存在冻融循环作用。但是沸石内养护条件下水泥基材料的抗硫酸盐冻融的性能与机理并不清楚。 本文研究了沸石内养护水泥基材料的抗硫酸盐冻融性能与机理。首先,研究了硫酸盐和冻融循环对天然沸石的影响,包括硫酸盐和冻融循环对天然沸石的孔结构、化学键合特性和火山灰活性,也包括沸石对硫酸根离子的吸附和钠离子的交换。然后,研究了硫酸盐冻融条件下沸石内养护与水泥水化的耦合作用。最后,研究了硫酸盐冻融循环后沸石内养护水泥基材料的抗压强度、抗弯强度和抗拔性能。结果表明: 1)硫酸盐与冻融循环可以增加沸石的比表面积、孔隙含量,提高沸石的火山灰活性,沸石颗粒可以吸附硫酸根离子,钠离子可以交换沸石中的钙离子,碱性环境抑制了离子交换过程,但促进了离子吸附过程。 2)硫酸盐与沸石的相互作用提高了沸石在水泥浆体中的火山灰反应程度和水泥的水化程度。对于普通硅酸盐水泥(OPC)材料,硫酸盐的加入增加了材料的孔隙率,特别是对于中孔(10nm-80nm)的孔体积,当硫酸盐和沸石都加入时,孔隙率显著降低。在水冻融循环下,沸石内养护增加了钙矾石含量,而在硫酸盐冻融循环中,沸石内养护降低了钙矾石含量并增加了CH含量,通过降低毛细管(孔径100-1000nm)和大孔(孔径大于1000nm)的含量来降低OPC材料的孔隙率。对于硫铝酸盐水泥(SAC)材料,加入硫酸盐后孔隙率明显降低,同时加入硫酸盐和沸石时孔隙率变化不大。在硫酸盐冻融循环条件下,沸石内养护对水化产物的影响很小,对材料的孔隙率没有优化作用。 3)在硫酸盐侵蚀下,沸石内养护可以提高材料的抗压强度,减少材料的重量损失。SAC浆体中沸石与硫酸盐之间的离子交换反应比OPC浆体中更强。在硫酸盐侵蚀早期,沸石内养护可以促进侵蚀过程,而在后期,沸石内养护抑制硫酸盐侵蚀,尤其是OPC材料。硫酸盐冻融循环后,沸石内养护试件的抗压强度损失和弯曲强度损失低于普通养护试件,沸石内养护试样的纤维拔出阻力高于普通养护试样。且沸石内养护显著减少了纤维-基体界面处的空腔、孔隙和裂纹。