磷铝酸盐水泥基材料氯离子固化性能及其机理研究

Reinforcement corrosion caused by chloride ion is a problem demanding prompt solution in the academic and engineering circles of civil engineering. The reinforcement corrosion rate is closely related with the chloride ion transport and binding in concrete. This project aims to carry out a systematic study on the chloride ion binding properties and mechanism of phosphoaluminate cement-based materials. The main contents are as follows: Firstly, chloride ion binding capacity of phosphoaluminate cement mineral composition and the effects of enviromental factors on the chloride ion binding capacity of phosphoaluminate cement-based materials are to be studied; Then, by using grey system theory, the main/secondary influence factors to controlling chloride ion binding capacity are determined. Secondly, ANN(artificial neural network) will be applied to estabilish a model for forecasting the chloride ion binding capacity of cement-based materials. Thirdly, through the experimental results analysis, such as XPS, XRD, IR, EPMA, et al, chloride ion binding mechanism of phosphoaluminate cement-based materials will be investigated; The effects of physical binding and chemical binding will also be discussed. At last, from the angle of phase equilibrium, the thermodynamic model for chloride binding of phosphoaluminate cement will be estabilished; And the model will be verified by experimental data. The project can provide theoretiacl and experimental basis for the development of new cement-based materials with excellent chloride ion binding capacity.

因氯离子引起的钢筋锈蚀是困扰着土木工程结构学术界与工程界的一个亟待解决的难题。混凝土构件中的钢筋锈蚀与氯离子在混凝土中的传输与固化密切相关。本项目拟对磷铝酸盐水泥基材料的氯离子固化性能及其固化机理进行系统的研究。研究的主要内容包括：探讨磷铝酸盐水泥各组成矿物的氯离子固化性能及各种环境因素对材料氯离子固化性能的影响，采用灰色关联系统分析确定磷铝酸盐水泥基材料氯离子固化性能的主要影响因素与次要影响因素；通过神经网络系统实现对不同配比、不同环境条件下水泥基材料固化氯离子的能力的模拟与预测；分析探讨磷铝酸盐水泥基材料化学/物理固化氯离子的机理，以及两种固化模式的作用功效；从相平衡角度研究磷铝酸盐水泥对氯离子的固化，建立磷铝酸盐水泥氯离子固化的热力学模型，并通过实验对所建的模型进行验证。本项目的研究可为研制新型高氯离子固化率的水泥基材料奠定基础。

根据CAP的组成，依据材料设计的原理，引入CA与ɑ-TCP两种矿物设计了新型磷铝酸盐水泥（PAC），并通过溶胶-凝胶法制备出新型PAC。XRD测试结果表明PAC的矿物组成符合设计要求。通过测试水泥细度、凝结时间、水化产物、强度初步分析了PAC的基本性能参数，通过孔结构分析以及ESEM观测了净浆微观形貌随养护时间的发展变化。结果表明95%的PAC的粒径小于60微米； PAC凝结时间介于190min~395min，凝结时间正常；PAC具有高强、早期的特点。水化1d后抗压强度可达到64MPa，3d可达到长期强度的75%以上；由于水化产物中不含CAH10，PAC没有出现强度倒缩的现象。PAC净浆试件的孔隙率随着养护龄期增长，大孔，毛细孔含量减少，凝胶孔含量增加。ESEM微观图片显示成型1d后净浆内即生成大量的凝胶，浆体的密实度随龄期的进一步增长。PAC具有比PC更为优异的氯离子固化性能，处于相同侵蚀环境中PAC的氯离子固化能力比PC至少高出37.36%。硫酸根的存在降低了PAC的氯离子固化能力，但影响随着养护龄期的增长逐步减弱。温度的升高将提高PAC的物理固化能力，当温度从20℃升至40℃，浸泡在1.5mol/l的NaCl的PAC的氯离子固化性能增强了11.31%。因NaCl溶液能促进PAC中CAP的水化生成更多的水化铝酸钙，且CAP生成的水化铝酸钙与Cl-结合生成双氯铝酸钙，而不是Fridel盐，因此PAC具有优秀的氯离子固化能力。通过ISAT，抗氯离子渗透性能试验、碳化试验、恒电流的电位测试、耐水试验和抗海水腐蚀试验综合评价了PAC的耐久性。结果表明PAC的耐久性均高于PC：标养28d的PAC混凝土的表面透气和吸水系数比是PC混凝土的42.6%和57.3%，抗渗透能力比PC 强 1.8倍；碳化45d后PC的强度损失率与碳化系数分别比PAC高24.6%和394%；PAC内部钢筋的极化电位维持在910mv附近，而PC维持在730mv；纯净水浸泡28d后PAC的抗压强度、 [AlO4]5-离子析出浓度分别比PC高出121.78%和24.45%，而Ca2+离子析出浓度比PC低933.33%；海水侵蚀450d后，PAC的强度比PC高67.28％，强度的下降率比PC分别低22.13%。早强、高强、密实度高、化学性能稳定的水化产物、独特的化学组分与水化产物是PAC具有优异性能的原因。