混凝土硫酸盐化学侵蚀产物的结晶行为及其机理研究

There are three fundamental erosion products of chemical sulfate attack on concrete, namely, gypsum, ettringite and thaumasite, existing mainly as crystal shape. The essence of chemical attack caused by them is crystallization erosion, so their crystallization process is closely related to the erosion. The present studies center on the influence of chemical sulfate attack on concrete durability, and few deal with the crystallization behaviors and related mechanism. The project is to investigate the related problems during the process of chemical sulfate attack by crystal chemistry, based on the theory of solution crystallization, trying to make an intensive study of chemical sulfate attack at microscopic level. The crystallization behaviors, kinetics and crystal stability of the erosion products will be researched in this work, followed by the study of the effect of crystallization pressure on the pore structure of concrete and the expansion mechanism in case of chemical sulfate attack, and a series of methods suitable for the study of the erosion products is also considered. The results of the project are of significance to elucidate the related mechanism of the crystallization process of the erosion products, and useful to improve the theory of sulfate attack and provide references for eliminating or preventing chemical sulfate attack.

硫酸盐化学侵蚀产物主要有三种，即石膏、钙矾石和碳硫硅钙石，它们基本以晶体形态存在，所造成的化学侵蚀从本质上属于结晶型侵蚀，因此它们的结晶过程与硫酸盐化学侵蚀密切相关。目前研究大多集中在硫酸盐化学侵蚀对混凝土耐久性方面的影响，而对侵蚀产物结晶行为及其相关机理方面研究比较薄弱。本申请项目以溶液结晶理论为基础，用结晶化学有关理论和方法处理硫酸盐化学侵蚀过程中的相关问题，以期在微观层次对硫酸盐化学侵蚀展开更为深入的研究。项目对这三种侵蚀产物的结晶习性、结晶动力学和晶体稳定性等结晶行为及机理进行研究，在此基础上探讨结晶压力对水泥混凝土孔结构的影响规律及混凝土发生硫酸盐侵蚀的膨胀机理，并通过本项目的研究给出一套适用于硫酸盐化学侵蚀产物的结晶测试与研究方法。本申请项目研究结果对阐明侵蚀产物结晶有关机理有重要意义，有助于进一步完善硫酸盐侵蚀理论，并可为探寻阻止或预防硫酸盐化学侵蚀相关技术、手段提供参考。

项目主要研究了燃煤灰渣中无水石膏水化特性，及碳硫硅钙石结构鉴定、生成机理和稳定性等。固硫灰含有较多无水石膏，因此当固硫灰用于生产蒸压制品时，无水石膏的水化特性非常重要。结果发现：固硫灰中无水石膏在水养条件下可以水化为钙矾石，但在蒸压条件下则几乎不能水化。将蒸压后试件置于水中继续养护，无水石膏也不会恢复水化能力，这是由于蒸压后无水石膏是以被其他水化产物所包裹的形式而存在的。相比水养，蒸压后固硫灰-水泥熟料系统的体积稳定性有显著提高。研究表明，蒸压养护对固硫灰中无水石膏的水化能力及膨胀性有显著抑制作用。.碳硫硅钙石和钙矾石的晶体结构和形态极为相似，对其准确鉴别难度较大。采用化学方法合成出纯的钙矾石和碳硫硅钙石，并探求碳硫硅钙石鉴定方法。研究结果表明，碳硫硅钙石和钙矾石的XRD图谱极为相似；碳硫硅钙石EDS能谱显示其主要含有S、Si和Ca等元素，而钙矾石则主要为S、Al和Ca等元素；碳硫硅钙石的IR光谱和Raman光谱分别在500 cm-1处和658 cm-1处有特征吸收峰。研究发现，拉曼光谱是鉴别碳硫硅钙石存在的最有效方法。.尽管已对混凝土中碳硫硅钙石生成机理的研究付出了很大努力，但依然存在较大争议。用化学方法合成出纯的C3S, C2S, C3A, 钙矾石和碳硫硅钙石等物质，并用XRD、Raman和红外光谱鉴别碳硫硅钙石。用C3S, C2S, 二水石膏和碳酸钙配制净浆以研究碳硫硅钙石直接生成机制，这样可避开钙矾石生成的影响。同时，在研究C3A和钙矾石含量对碳硫硅钙石生成影响基础上，探讨碳硫硅钙石生成的间接机制。结果发现，即使系统中没有含铝矿物或钙矾石，在适当条件下碳硫硅钙石也可以生成；而钙矾石的存在可加速碳硫硅钙石的生成。研究表明，该模拟方法可用来研究碳硫硅钙石生成机理；钙矾石既可通过直接机制，也可通过woodfordite机制生成，但未发现碳硫硅钙石在钙矾石表面上异相外延生成机制的证据。.采用化学方法合成出纯的碳硫硅钙石和钙矾石，并对比研究了二者的稳定性。结果显示：钙矾石比碳硫硅钙石更易受到碳酸钠破坏；碳硫硅钙石与氯化钡几乎不发生反应，钙矾石则较易被氯化钡破坏；在碳化条件下，钙矾石较易分解，碳硫硅钙石则几乎没变化。碳硫硅钙石在碳酸钠或氯化钡溶液中的稳定性、热分解稳定性和碳化稳定性均明显高于钙矾石，可能是由于碳硫硅钙石结构中离子键和氢键强度高于钙矾石。