郑州大学郭进军教授团队——基于硫酸盐侵蚀的混凝土干湿循环制度研究 | MDPI Materials
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作者简介
郭进军 教授
郑州大学
主持国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家科技支撑计划项目专题以及河南省科技攻关等。研究领域主要为水工混凝土结构性能与新材料，对恶劣环境下水工混凝土抗侵蚀性能与机理方面具有深入研究。
张鹏 教授
郑州大学
河南省杰出青年基金获得者，主持国家自然科学基金项目3项，主持中国博士后基金特别资助和面上项目及其他省部级科研项目10余项。长期从事高性能混凝土和新型水泥基复合材料方面研究，探究纳米粒子、掺合料及纤维材料对水泥基复合材料性能提升的耦合作用机理等。
文章导读
硫酸盐侵蚀是造成混凝土结构过早被破坏的主要原因，也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境侵蚀。SO42−进入混凝土后，与水泥水化产物发生反应生成钙矾石 (固相体积增大2.5~3.27倍)、石膏 (固相体积增大2.24倍) 等膨胀性产物，从而引起混凝土膨胀、开裂、剥落和解体，进而为其他侵蚀介质进入混凝土内部提供通道，严重威胁着混凝土结构的安全与耐久性能 [1]。干湿交替环境下，如水位变动区、海洋浪溅区、潮汐区和潮差区域等，混凝土建筑物 (如大坝、港口码头、桥梁、基础、地下排水管道等) 在湿润过程依靠内外湿度梯度输送离子侵入混凝土内部，干燥过程借助水分蒸发提升混凝土内部离子浓度，结晶产物的体积膨胀可达4~5倍 [2]，从而增强了离子侵蚀强度。
近期，来自郑州大学水利科学与工程学院的郭进军教授等研究人员在Materials期刊上发表了题为 “Effect of Dry–Wet Ratio on Properties of Concrete Under Sulfate Attack” 的文章：针对国内外尚未达成统一的混凝土干湿循环制度，以干湿比为控制变量，开展硫酸盐侵蚀下混凝土劣化试验研究和理论分析，探明干湿循环影响下硫酸盐的扩散反应机制，揭示干湿循环制度对混凝土产生损伤的机理，进而提出合理的干湿循环制度及理论依据是本项目的显著特色。该文的通讯作者为郑州大学张鹏教授，合作者为王锟博士等。
研究方法
采用承载力1000 KN的WAW-1000B型电液伺服万能试验机进行抗压强度试验；采用北京某公司生产的动弹性模量测试仪进行动弹性模量测试；采用日本某公司的JCM-6000PLUS型台式扫描电子显微镜进行微观结构分析；采用荷兰某公司的Empyrean型X射线衍射仪进行物相组分分析；采用美国某公司的AutoPore V 9600型全自动压汞仪进行孔结构分析。具体的试验过程如图1所示。
图1. 干湿循环试验过程。
结果与讨论
图2为混凝土力学性能的演变过程。整个侵蚀阶段，进行干湿循环的混凝土动弹性模量变化规律基本一致，总体分为上升期、波动期和快速下降期三个阶段。而全浸泡组混凝土动弹性模量总体呈现持续上升趋势，侵蚀252d时，动弹性模量比初始时增加了10.6%。动弹性模量上升期间，干湿比越小，增长幅度越大。D1W3混凝土RDME峰值相对于初始值提升了10.3%，是D10W1的3倍多。由于在该时间段混凝土水化作用仍在继续进行，浸泡过程有利于动弹性模量的增加，同时干湿循环过程中溶液中的SO42−进入混凝土内部，与Ca(OH)2和水泥水化产物发生反应，生成石膏和钙矾石等膨胀性产物，填充了混凝土内部孔隙，密实度增加，因此提高了混凝土的动弹性模量。在波动期期间，干湿循环组混凝土RDME在经历过一段下降后重新上升达到峰值。这是因为混凝土内部微区域无法承受晶体结晶而产生的压力，造成了新微裂纹的产生，而产生的新微裂纹又为膨胀性产物提供了新的生长空间。实际上，这一过程中混凝土经历了“稳态-非稳态-新稳态”的循环损伤。另一方面可能是SO42−激发了粉煤灰中的活性成分，使其与水泥水化产物发生反应，Ca(OH)2浓度有所降低，石膏和钙矾石的生成量减少，减缓了混凝土内的膨胀应力，使动弹性模量增加。
图2. 不同干湿比下混凝土动弹性模量演变过程。
通过了解不同腐蚀龄期混凝土各组分微结构和强度、动弹性模量的关系及其相互联系，对混凝土性能演变进一步分析，如图3所示。未受侵蚀的混凝土由于水泥中的水化作用可观测到少量针状以单根形式存在、体积较小的钙矾石晶体和大量纤维状物质C-S-H，混凝土密实性较好，混凝土干缩等原因造成了内部水泥浆体存在少量不规则的微裂纹和微孔隙等初始损伤。在经过28d的干燥湿润循环后，通过SEM观察到，大量物理侵蚀的产物硫酸钠晶体呈网状附着在混凝土表面，在室温条件下，硫酸盐结晶主要生成的侵蚀产物为芒硝 (Na2SO4·10H2O)，随着湿度的降低，十水芒硝变得不稳定，并逐渐开始失去结晶水变为为无水芒硝 (Na2SO4)，在干燥过程的后期，随着混凝土内部相对湿度的降低，拥有更大结晶压力的Na2SO4晶体对孔壁产生了更大膨胀应力，大大加速了试件的破坏。可以得出结论，干燥过程中混凝土的劣化是通过改变环境湿度来实现，在从高湿度环境到低湿度环境的过渡期间，硫酸钠晶体形式之间的变化产生巨大的结晶压力，这意味着物理侵蚀在该过程中占主导地位。
图3. 硫酸盐干湿循环作用下混凝土的微观形貌。
研究意义
研究成果将完善干湿循环条件下混凝土盐类侵蚀试验研究体系，形成统一合理的干湿循环制度，为室内混凝土干湿循环加速试验规程的制定积累研究依据，提升处于恶劣环境下混凝土结构的耐久性设计水平。
参考文献
1. Almeida I R. Resistance of high strength concrete to sulfate attack: soaking and drying test. In: Concrete Durability. American Concrete Institute, ACI SP-100, Farmington Hills, 1991: 1073–1092.
2. Neville, A. The confused world of sulfate attack on concrete. Cem. Concr. Res. 2004, 34, 1275–1296.
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阅读英文原文
原文出自Materials期刊
Guo, J.-J.; Wang, K.; Guo, T.; Yang, Z.-Y.; Zhang, P. Effect of Dry–Wet Ratio on Properties of Concrete Under Sulfate Attack. Materials 2019, 12, 2755.
Materials期刊介绍
主编：Prof. Dr. Maryam Tabrizian，McGill University，Canada
期刊主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。
2020 Impact Factor | 3.623 (Q1*) |
2020 CiteScore | 4.2 |
MPT | |
APT | 39 |
*Q1 (17/80) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"
*MPT: Median Publication Time; APT: Average Publication Time
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