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Deterioration Mechanism of Concrete Subjected to Acid Rain Attack——An Experimental and Modeling Approach

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Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science) 2022年第5期37卷 849-854页

作者：李北星 YUAN Xiaolu ZHANG Yaming ZHU Wenkai State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture Wuhan University of TechnologyWuhan430070China Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area Ministry of EducationChina Three Gorges UniversityYichang443002China

The experimental and modeling approaches were taken to study the deterioration mechanism of concrete under acid rain attack.Concrete specimens were prepared and exposed to the simulated acid rain environment.The neutralization depth of concrete was measured,and the mineralogical composition and microstructure of concrete were analyzed using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM).The experimental results show that the degradation of concrete increases with the corrosion time and the decrease in pH value of acidic solution from 3.5 to 1.5.Concrete was corroded by H~+ and SO_4^(2-)in acid rain,producing gypsum and leading to the neutralization of concrete.The acid rain exposure also resulted in the decomposition of hydration products of cement,such as C-S-H and ettringite,forming the main corrosion products of gypsum and SiO_(2)·nH_(2)O.Based on the second Fick diffusion law,a model was developed to describe the deterioration mechanism of concrete exposed to acid rain mathematically,coupling the diffusion of reactive ions and the corrosion reaction.The simulation results and the experimental results were compared and discussed.

关键词： acid rain deterioration mechanism concrete modeling

再生粗骨料粒径对混凝土力学和耐久性能的影响

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硅酸盐通报 2023年第10期42卷 3679-3687,3694页

作者：陈鹏博李北星曾波武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070 北京都市绿源环保科技有限公司固废研发中心北京102601

为了改善粗骨料系统并进一步提高再生混凝土的性能,在不改变天然粗骨料级配的情况下制备了再生粗骨料取代率分别为64%和36%的两个系列再生混凝土,研究了混合粗骨料体系中不同粒径(5~<10 mm、10~<20 mm、20~31.5 mm)天然/再生粗骨料对混... 详细信息

为了改善粗骨料系统并进一步提高再生混凝土的性能,在不改变天然粗骨料级配的情况下制备了再生粗骨料取代率分别为64%和36%的两个系列再生混凝土,研究了混合粗骨料体系中不同粒径(5~<10 mm、10~<20 mm、20~31.5 mm)天然/再生粗骨料对混凝土工作性、力学性能、耐久性能的影响。结果表明,当再生粗骨料总取代率不变时,随着再生粗骨料取代粒径增大,再生混凝土的坍落度/扩展度不断增大,抗压强度、抗折强度与弹性模量基本呈增大趋势,电通量和碳化深度逐步降低。在再生粗骨料取代率较高条件下,提高20~31.5 mm再生粗骨料的比例,更有利于改善再生混凝土的力学性能与耐久性能。

关键词：再生粗骨料混凝土粒径力学性能耐久性能

基于灰色系统的混凝土酸性化预测模型研究及应用

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硅酸盐学报 2013年第10期41卷 1375-1380页

作者：李北星蔡老虎武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070 江苏省交通科学研究院股份有限公司南京211112

基于灰色系统理论、Fick定律,通过研究粉煤灰掺量、pH值对酸性化速率系数K的影响,对酸性化数据进行灰色建模,建立了综合考虑粉煤灰掺量、pH值、时间依赖性的混凝土酸性化预测模型。采用实验室加速试验方法,探讨了提高酸性水环境下混凝... 详细信息

基于灰色系统理论、Fick定律,通过研究粉煤灰掺量、pH值对酸性化速率系数K的影响,对酸性化数据进行灰色建模,建立了综合考虑粉煤灰掺量、pH值、时间依赖性的混凝土酸性化预测模型。采用实验室加速试验方法,探讨了提高酸性水环境下混凝土结构使用寿命的有效方法。结果表明:酸性化预测模型能有效反映酸性化过程的实际状况,且所需数据量少,无需知道原始数据的先验特征;酸性水环境下混凝土表面采用水性渗透型无机防水剂、清水混凝土保护涂料进行防腐,混凝土结构寿命的增加率的效果远高于增加保护层厚度的,使混凝土结构的使用寿命有了"质"的提升。

关键词：混凝土灰色系统时间依赖性酸性化预测模型酸性水环境

粗骨料对超高性能混凝土力学性能的影响及拟合分析

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材料科学与工程学报 2021年第1期39卷 35-40页

作者：沈楚琦李北星武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室湖北武汉430070

为探明粗骨料对超高性能混凝土(UHPC)力学性能的作用规律,分别采用河砂,河砂与4.75~9.5mm碎石配制了两个系列不同粒径骨料的UHPC,试验研究了骨胶比(骨料与胶凝材料质量比,A/B)在0.6~1.2范围与石砂比(碎石与河砂的质量比,CS/RS)在1/4~1... 详细信息

为探明粗骨料对超高性能混凝土(UHPC)力学性能的作用规律,分别采用河砂,河砂与4.75~9.5mm碎石配制了两个系列不同粒径骨料的UHPC,试验研究了骨胶比(骨料与胶凝材料质量比,A/B)在0.6~1.2范围与石砂比(碎石与河砂的质量比,CS/RS)在1/4~1范围对UHPC工作性能与力学性能的影响。研究结果表明:骨胶比的增加与等骨胶比时石砂比的增大均会使UHPC的扩展度减小。随骨胶比增大,UHPC的抗压强度与抗弯拉强度均呈先增后减的趋势,弹性模量则呈线性增长趋势;当石砂比为1/2时,碎石对抗压强度与轴心抗压强度的增强效应最显著,石砂比越大,UHPC弹性模量增长幅度越高。当骨胶比≤0.9、石砂比≤1/2时,碎石的骨架增强正效应高于碎石因阻隔钢纤维的均匀分布而降低钢纤维增强增韧效率的负效应,有助于提高UHPC的抗弯拉强度。

关键词：超高性能混凝土骨胶比石砂比工作性力学性能拟合分析

养护温度和矿物掺合料对蒸养混凝土脆性的影响

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硅酸盐通报 2023年第2期42卷 487-495页

作者：李广李北星黄安邓俊双江西省交通工程集团有限公司南昌330000 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070

为了掌握蒸养混凝土的脆性特性,以脆性系数和冲击韧性为评价指标,研究了养护温度(20、45、55、65、75℃)及矿物掺合料对混凝土脆性的影响,并通过扫描电子显微镜和压汞仪分析了养护温度和矿物掺合料对混凝土水化产物微结构和孔结构的影... 详细信息

为了掌握蒸养混凝土的脆性特性,以脆性系数和冲击韧性为评价指标,研究了养护温度(20、45、55、65、75℃)及矿物掺合料对混凝土脆性的影响,并通过扫描电子显微镜和压汞仪分析了养护温度和矿物掺合料对混凝土水化产物微结构和孔结构的影响。结果表明,随着养护温度的升高或养护龄期的延长,混凝土的脆性系数增大,且蒸养降低了混凝土的冲击韧性,复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料可以改善蒸养混凝土的脆性和抗冲击性能。较高养护温度导致水化产物结晶粗大,界面过渡区形成微裂缝和基体孔隙率增大,从而使蒸养混凝土脆性增大,复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料改善了蒸养混凝土的孔结构和界面过渡区微结构。

关键词：蒸养混凝土养护温度矿物掺合料脆性系数冲击韧性微结构

有机膦酸类化合物在混凝土工程中的应用及缓凝机理研究进展

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材料导报 2020年第15期34卷 15184-15189页

作者：吕兴栋王学斌李北星长江水利委员会长江科学院武汉430010 国家大坝安全工程技术研究中心武汉430010 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司昆明650051 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070

通过掺加具有水化热抑制作用的外加剂来降低胶凝体系的水化放热量及放热速率是减少混凝土中温度裂缝的重要措施。相对于葡萄糖酸钠和糖钠等常用缓凝材料,有机膦酸类化合物对硅酸盐水泥具有更为有效的水化热抑制作用和缓凝作用。过去几十... 详细信息

通过掺加具有水化热抑制作用的外加剂来降低胶凝体系的水化放热量及放热速率是减少混凝土中温度裂缝的重要措施。相对于葡萄糖酸钠和糖钠等常用缓凝材料,有机膦酸类化合物对硅酸盐水泥具有更为有效的水化热抑制作用和缓凝作用。过去几十年,有机膦酸类化合物在国外常被作为缓凝材料应用于工民建、油田固井和一些有特殊要求的混凝土工程中。在我国,有机膦酸类化合物主要应用在油田固井混凝土工程中,近年来在越来越多的工民建混凝土工程中也有所应用,但是其应用范围仍然十分有限。有机膦酸类化合物具有以下特征:(1)在一定掺量范围内可大幅降低硅酸盐水泥的水化放热速率和放热量,改善硅酸盐水泥水化放热过程;(2)有机膦酸类化合物对水泥熟料含量的变化不敏感,与硅酸盐水泥、聚羧酸减水剂和萘系减水剂均具有较好的适应性;(3)在一定掺量范围内,有机膦酸类化合物可改善混凝土拌合物性能,提高混凝土长期力学性能;(4)有机膦酸类化合物的主链结构具有高温稳定性,适用温度达200℃以上,在高温环境下其对硅酸盐水泥仍具有较强的缓凝作用。有机膦酸类化合物对硅酸盐水泥水化的影响较复杂,目前硅酸盐水泥缓凝机理尚不十分明确。不同学者对此持有不同的观点。其中一种观点认为:有机膦酸类化合物首先促进水泥中Ca^2+溶解,在富铝层表面促进水泥矿物水化,进而促进铝酸三钙(C3A)的水化;接着与水泥中Ca^2+结合,在硅酸三钙(C3S)表面形成半透水的稳定螯合物,抑制C 3S的水化,从而抑制水泥的进一步水化。而另一种观点认为:有机膦酸类化合物有效抑制了钙矾石凝胶向晶体转变的成核和生长过程,并认为延缓钙矾石晶体的生长是导致硅酸盐水泥缓凝的主要原因。本文从有机膦酸类化合物在混凝土工程中的应用着手,总结了有机膦酸类化合物对硅酸盐水泥水化动力学的影响以及缓凝机理的研究进展。基于此,为进一步扩大有机膦酸类化合物在混凝土工程中的应用范围,提出了应进一步研究有机膦酸化合物对混凝土力学性能、体积稳定性、热力学性能和耐久性能的影响,同时应进一步研究有机膦酸类化合物对硅酸盐水泥水化动力学的影响及缓凝机理。

关键词：有机膦酸化合物水泥混凝土水化动力学缓凝机理

Prediction of the Residual Strength for Durability Failure of Concrete Structure in Acidic Environments

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Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science) 2016年第2期31卷 340-344页

作者：李北星 CAI Laohu WANG Kai ZHANG Yaming State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture Wuhan University of Technology Wuhan 430070 China Jiangsu Transportation Research Institute Co. Ltd. Nanjing 211112 China

According to the results of accelerated tests of acidification corrosion depth and compressive strength of concretes subjected to sulfuric acid environments,the acidification depth laws of concretes were predicted based on the grey system theory.Thus,the remaining compressive strength was calculated when the acidification depth reached the protection layer thickness of concrete structures,which indicates that the limit state of durability failure can be defined based on strength degradation,and the calculation process was illustrated by an example.The calculated results show that the remaining compressive strength values in the durability failure limit state for the concrete structures exposed to p H=2 and 3 sulfuric acid water environments and wet-dry cyclic sulfuric acid environment with p H=2 are 74%,72%,and 80% of initialstrength,respectively.The method provides references for the durability evaluation of concrete structure design under the acidic environments.

关键词： concrete structure acidification durability evaluation strength degradation concrete cover thickness

温度匹配养护对大掺量矿物掺合料混凝土抗压强度及早期水化性能的影响

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硅酸盐通报 2019年第10期38卷 3080-3086页

作者：钟翔李北星武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室

大体积混凝土由于胶凝材料水化放热,其内部温升对混凝土强度发展规律有很大影响。采用温度匹配养护和标准养护两种不同的养护方式,研究了单掺40%粉煤灰、单掺50%矿粉以及复掺30%粉煤灰和20%矿粉三种大掺量矿物掺合料混凝土与纯水泥、单... 详细信息

大体积混凝土由于胶凝材料水化放热,其内部温升对混凝土强度发展规律有很大影响。采用温度匹配养护和标准养护两种不同的养护方式,研究了单掺40%粉煤灰、单掺50%矿粉以及复掺30%粉煤灰和20%矿粉三种大掺量矿物掺合料混凝土与纯水泥、单掺20%粉煤灰两种普通混凝土在不同温度养护条件下的抗压强度差异,并对胶凝材料水化早期的浆体进行了扫描电镜和化学结合水测试。结果表明:与纯水泥混凝土相比,温度匹配养护对大掺量矿物掺合料混凝土早期强度发展的促进作用要显著得多,且大掺量矿物掺合料混凝土温度匹配养护方式下的各龄期强度均比标准养护方式下的要高,然而纯水泥混凝土温度匹配养护条件下的后期强度却要低于标准养护条件下的后期强度。温度匹配养护方式下较高的早期水化温度显著加速了大掺量矿物掺合料混凝土的水化反应进程,从而使大掺量矿物掺合料混凝土的早期强度提高。

关键词：温度匹配养护大体积混凝土大掺量矿物掺合料强度水化

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再生砂混凝土毛细吸水特性研究

硅酸盐通报 2023年第4期42卷 1205-1216页

作者：殷实李北星陈鹏博金德川武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070

为了探明再生砂混凝土的毛细吸水特性,研究了再生砂掺量(0%、30%、50%、70%、100%,质量分数)、再生砂微粉含量(3%、7%、10%,质量分数)、水胶比(0.37、0.45、0.58)、矿物掺合料品种和掺量、再生砂预湿程度(0%、50%、100%)、硅烷浸渍处理... 详细信息

为了探明再生砂混凝土的毛细吸水特性,研究了再生砂掺量(0%、30%、50%、70%、100%,质量分数)、再生砂微粉含量(3%、7%、10%,质量分数)、水胶比(0.37、0.45、0.58)、矿物掺合料品种和掺量、再生砂预湿程度(0%、50%、100%)、硅烷浸渍处理等因素对再生砂混凝土抗压强度与毛细吸水性能的影响,分析了不同再生砂掺量的混凝土孔结构与毛细吸水系数的关系。结果表明:再生砂混凝土0~240 min和240~1 440 min两阶段的毛细吸水量皆与时间的平方根之间呈线性关系;随着再生砂掺量和微粉含量的增加,混凝土的毛细吸水系数逐渐增大,再生砂掺量超过50%时,会显著影响混凝土的毛细吸水性能和强度;通过降低水胶比、增大再生砂的预湿程度、掺入三元复合矿物掺合料(15%粉煤灰+15%矿渣粉+8%硅灰)以及对混凝土表面进行硅烷浸渍处理,均可以降低再生砂混凝土的毛细吸水系数。随着再生砂掺量的增加,混凝土的孔隙率和临界孔径增大,进而导致混凝土毛细吸水系数增加。

关键词：再生砂混凝土毛细吸水强度影响因素孔结构