掺合料中活性Al对混凝土硫酸盐侵蚀的影响及其机理

Sulfate attack is one of the most common durability failure types of concrete. The previous research works are mainly focused on the evolution and effects of C3A, C4AF clinker minerals and their hydration products. However, in modern concrete, high content of mineral admixtures are added, which brings into lots of reactive Al-containing phases and makes the sulfate attack reaction more complicated. So it is important to investigate the structure evolution and the reaction mechanism of different reactive Al-containing phases under sulfate attack. In this project, 27Al solid nuclear magnetic resonance (27Al NMR) etc. will be used to investigate the coordination state, quantity ratio and transformations of different Al-containing phases under sulfate attack; Micro computed tomography (μ-CT) and 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR) will be used to characterize the pore structure evolution of the hardened cement paste under sulfate attack; together with calculation and percolation simulation, the effect of pore structure on ion transmission, the crystallization process of Al-containing crystals and the expansion stress produced will be further revealed. As an aim, the mechanism of sulfate attack in view of the evolution and transformation of Al-containing phases as well as the effects will be clarified. The research results are expected to be helpful in instruction of the scientific use of mineral admixtures and promotion of the durability of cement based materials.

硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性破坏主要形式之一，国内外学者以往对C3A、C4AF等熟料矿物及其水化产物在硫酸盐侵蚀下的演变与作用研究较多。现代混凝土高掺量使用掺合料，引入大量活性含Al相，使体系和反应过程更复杂，系统深入研究不同活性Al相矿物在硫酸盐侵蚀过程中的结构演变和反应机制具有重要意义。本项目拟采用27Al固体核磁共振等技术研究硫酸盐侵蚀过程中Al的赋存状态、数量比例、矿相转换规律，采用微尺度计算机断层扫描技术（μ-CT）和核磁共振氢谱（1H NMR），结合计算及仿真模拟，研究侵蚀过程中水泥石多尺度孔结构演变以及其对SO42-等侵蚀性离子传输特性、铝相在微孔中的析晶过程和结晶应力的影响。通过研究，探明掺合料引入的活性Al在硫酸盐侵蚀中的结构演变规律、反应机制及带来的效应，从新的角度阐释混凝土硫酸盐侵蚀本质、指导活性掺合料的科学应用、提升混凝土耐久性能。

硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性破坏主要形式之一，国内外学者以往对C3A、C4AF等熟料矿物及其水化产物在硫酸盐侵蚀下的演变与作用研究较多。现代混凝土高掺量使用掺合料，引入大量活性含Al相，使体系和反应过程更复杂，系统深入研究不同活性Al相矿物在硫酸盐侵蚀过程中的结构演变和反应机制具有重要意义。本项目研究并探明了富含活性Al的掺合料-粉煤灰、矿渣和偏高岭土中Al的赋存状态及其在掺合料-碱/硫酸盐体系或在掺合料-水泥体系中Al离子的溶出特性、反应机制、水化产物中Al相结构状态和数量比例演变，发现粉煤灰、矿渣和偏高岭土中铝的赋存状态存在较显著的区别，在相同的碱/硫酸盐环境下，矿渣和偏高岭土的Si、Al的溶出率明显高于粉煤灰，迁移特性存在差异，Al离子的反应特性和产物分布随硫酸盐环境发生改变，同时Al的配位状态发生变化，其主要转变规律为Al[IV]向Al[VI]转变。研究了具有不同钙硅比、铝硅比的系列C-(A)-S-H以及系列掺合料-水泥体系在硫酸盐侵蚀作用下C-(A)-S-H的结构演变及其对侵蚀过程的影响，发现C-A-S-H在硫酸盐侵蚀作用下脱钙、脱铝，伴随着Al[IV]/Si降低和平均分子链长发生变化，且C-S-H和C-A-S-H 在硫酸盐侵蚀下的侵蚀产物存在差异，对于掺合料-水泥复合体系，掺合料的加入促进C-A-S-H的形成，在硫酸盐侵蚀下C-A-S-H的形成消耗部分掺合料中溶出的Al进而延缓钙矾石的形成。揭示了硫酸盐侵蚀作用下掺合料-水泥净浆中各铝相水化产物的相转变以及Al的配位状态变化规律，研究了侵蚀过程中水泥石孔结构演变以及其对SO42-等侵蚀性离子传输特性、铝相在微孔中的析晶及体积变形的影响。通过研究，探明了掺合料引入的活性Al在硫酸盐侵蚀中的结构演变规律、反应机制及带来的效应，从新的角度阐释了混凝土硫酸盐侵蚀本质、指导活性掺合料的科学应用、提升混凝土耐久性能。