氢氧化钙对偏高岭土地聚物混凝土力学性能和耐久性的影响

作     者：张谦政 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雒亿平;方涛

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：偏高岭土地聚物混凝土 氢氧化钙 力学与耐久 硫酸盐干湿循环 能量演化 

摘      要：在碳达峰碳中和背景下,地质聚合物作为一种先进绿色低碳建筑材料,储藏着不可估量的发展潜力。以地质聚合物为胶凝材料的地聚物混凝土具有卓越的力学性能、耐久性和耐腐蚀性,是当下低碳建筑材料中的热点话题。然而地聚物混凝土在水利工程中的实际应用近乎为零,因此通过模拟现实环境开展地聚物混凝土的基础研究和室内研究显得尤为重要。本文研究了标准养护下和硫酸盐干湿循环后偏高岭土地聚物混凝土(MGPC)的常规力学性能和腐蚀耐久性能,以及单轴压缩过程中的能量演化机制。本研究的主要目的是确定氢氧化钙掺量对标准养护下MGPC的强度特性、细观损伤和微观层面的影响作用,分析氢氧化钙掺量和硫酸盐干湿循环次数对MGPC外观、质量、动弹性模量和抗压强度等耐久性指标的影响方式以及氢氧化钙掺量和硫酸盐干湿循环次数对单轴压缩过程中MGPC的能量演化、能量特征和破坏模式的影响机理。本文的主要研究内容如下: (1)通过改变偏高岭土地聚物混凝土中的Ca(OH)2掺量,研究了不同养护龄期下MGPC的抗压强度和劈裂抗拉强度,并建立了考虑Ca(OH)2掺量和养护龄期的抗压强度预测模型;对28d龄期的立方体和圆柱体试件分别开展了单轴压缩同步声发射监测和核磁共振氢谱测试,以及破碎试块的热重差热分析。结果表明:MGPC的强度随Ca(OH)2掺量的增加而呈现出先增加后降低的变化规律,转折点为氢氧化钙掺量为6%时;较高的钙含量可以加速地质聚合物体系的反应速率,使地聚物混凝土展示出较高的早期强度。声发射监测说明地聚物混凝土的应力水平越高,声发射信号的强度和密度越高,并且AE计数峰值总是滞后于应力峰值。Ca(OH)2掺量越大,地质聚合物的质量损失越大,发生峰值失重所需的破坏温度更高;Ca(OH)2掺量的增加细化了地聚物混凝土的孔隙结构,使内部结构更加致密。 (2)对达到56天龄期的偏高岭土地聚物混凝土开展了硫酸盐干湿循环试验,以外观、质量、动弹性模量和抗压强度作为耐久性指标,分析了Ca(OH)2掺量和干湿循环次数对MGPC耐久性的影响方式。结果表明:MGPC在遭受硫酸盐干湿循环侵蚀后,试件的表面附着了大量白色沉淀物,其成分为析出晶体和反应产物,在后期由于膨胀应力的累积,试件出现了微裂纹、裂缝和孔隙,以及混凝土剥落现象。在侵蚀过程中试件的质量和动弹性模量都呈现出了先增大后减小的变化过程。试验前期,少量析出晶体和反应产物填充了试件孔隙,增加了试件的密实度,增加了质量和动弹性模量。试验后期,反应产物引起的损伤应力不断积累,导致试件孔隙增多、裂缝扩展和混凝土剥落,从而降低了质量和动弹性模量。S0-S6组试件抗压强度不断减小,S8组抗压强度先增大后减小,超过临界掺量后,额外的Ca(OH)2在干湿循环前期中的高温烘干环境中使未发生反应的活性偏高岭土与碱活化剂充分反应,导致强度先增大。借助熵权法建立了综合评价指标耐久性值,结果显示Ca(OH)2掺量越高,地聚物混凝土的耐久性能越好,并且可以用抗压强度耐蚀系数对耐久性能进行评价。 (3)借助能量法,分析了Ca(OH)2掺量和干湿循环次数对偏高岭土地聚物混凝土能量演化特征的影响机制。结果表明,MGPC的能量演化特征曲线可以主要分为4个阶段。Ca(OH)2掺量的增加使试件具备更好的弹性变形,增加试件内部储存的能量,提高试件抵抗受压时变形破坏的能力;并且Ca(OH)2掺量较高的试件破坏较为严重,整体架构失效,发生断裂破坏,碎块脱落,贯穿性裂缝布满试件表面和内部。Ca(OH)2对MGPC在单轴压缩变形破坏时的吸能和储能具有一定的强化作用,弱化了受压过程中的能量消耗。地聚物混凝土在硫酸盐干湿循环后,其吸能水平和储能极限均出现了严重下滑现象,能量消耗占比更大。侵蚀次数越多试件所受的物理化学损伤愈发严重,在压缩过程中,试件从外界吸收的总能量向耗散能转化的转化率更高,在峰前变形过程中发生的塑性变形活动更多,消耗的能量越多。当侵蚀次数较多时,试件破坏时显示出局部剪切和局部张拉混合破坏特性。