岩溶环境下地质聚合物材料的溶蚀行为与微结构演变规律

Subgrade reinforcement treatment and the use of underground concrete in karst region need that grouting materials and concrete possess good karst corrosion resistance properties. Corrosion of cementitious materials includes erosion from karst water and carbonation from CO2. The proposed project takes advantage of characteristic of slag provided the early strength of grouting materials and concrete, metakaolin generated corrosion resistance properties. It intends to study the effect of composition of raw materials on corrosion behavior and microstucture evolution of slag/metakaolin based geopolymers under karst environment. Relationship between composites of raw materials and gel structure of geopolymers (microstructure, composition of gel phase and molecular structure), as well as fundamental properties of geopolymers (mechanical properties, self-contraction and mass change) under karst environment will be established, dynamic equations will be proposed to clarify the mechanisms of corrosion behavior of geopolymers in karst water. The carbonation mechanism of slag/metakaolin based geopolymers will be obtained. The results of this project will provide a scientific base for materials and construction design of karst subgrade and underground concrete，prediction service life of karst corrosion resistance of concrete.

岩溶（喀斯特）地区对路基的加固处理和地下混凝土的使用，要求灌浆材料或混凝土具有良好的抗岩溶腐蚀性能。岩溶环境下胶凝材料的溶蚀主要包括岩溶水的侵蚀和CO2的碳化。本项目利用矿渣提供灌浆材料或混凝土的早期强度，偏高岭土提供耐腐蚀性，拟研究原材料组成对矿渣/偏高岭土基地质聚合物在岩溶环境下的溶蚀行为与微结构演变规律的影响。构建原材料组成与地质聚合物凝胶结构（微观结构、凝胶相组成和分子结构）以及地质聚合物的基本性能（力学性能、自收缩、质量变化）之间的关系；建立地质聚合物在岩溶水中的溶蚀动力学方程，阐明溶蚀机理；获得矿渣/偏高岭土基地质聚合物的碳化机理。本项目的研究成果为设计岩溶路基以及地下混凝土的材料与结构，预测抗岩溶混凝土寿命提供一定理论基础。

在岩溶地区地基的加固处理和混凝土结构的耐久性提升中，要求灌浆材料具有良好的力学性能、流变性能、低收缩和抗岩溶腐蚀性能。本项目以矿渣、粉煤灰、偏高岭土为主要原材料，水玻璃为激发剂，系统研究了碱激发灌浆材料的流变、收缩和力学性能；在此基础上，研究其在岩溶环境下（碳酸盐环境和岩溶水环境）的力学性能、收缩性能、质量变化与微观结构。.基于碱激发材料收缩、流变的组成设计与结构调控，掺入石灰石粉或河沙粉，获得了具有低收缩，高流变性能的碱激发灌浆材料。当河砂粉掺量为30%时，与纯地质聚合物灌浆材料比较，屈服应力减少80%，干缩低于0.1%。.针对岩溶地区路基、桥梁桩基、隧道养护及加固，基于原材料组成设计、产物微观结构与抗腐蚀性能之间的关系，提出了抗腐蚀机理和耐久性评价方法。碱激发矿渣灌浆材料在质量浓度为1-4 wt%碳酸钠溶液中浸泡90 d，生成的主要凝胶产物为C-A-S-H凝胶和无定形碳酸钙，试样出现微膨胀，质量小幅度增加，抗压强度基本不变，具有良好的抗碳酸腐蚀性能。碱激发灌浆材料在模拟自然岩溶水或流动碳酸氢钠溶液加速溶蚀环境下腐蚀56d, 强度劣化小于5%，质量增加最大1.2%，表层钙溶蚀厚度最大小于1.2mm。碱激发矿渣材料的腐蚀机理分为三步：（1）碳酸氢根离子电离的氢离子中和孔溶液中的碱；（2）碳酸氢根离子与高钙碱激发材料反应生成碳酸钙；（3）表层碳酸钙与碳酸氢根离子电离的氢离子反应形成可溶性碳酸氢钙随流动水流失，表层孔径增加。.项目提出了基于收缩、流变的材料组成与结构的设计方法，发明了岩溶环境下碱激发材料的加速评价装置和评价方法。项目成果对碱激发材料在道路灌浆加固领域，特别碳酸盐环境和岩溶环境下的耐腐蚀评价具有重要意义。