層狀雙氫氧化物改善混凝土耐久性能的機理及其應用研究.pdf

1、海洋工程結構一般都服役于各種離子及碳化侵蝕的多因素環(huán)境下，其耐久性能的問題十分突出。深入剖析混凝土的耐久性損傷成因，在傳統技術之上，對混凝土材料進行改性，探討提升其耐久性能、延長其服役壽命的新措施、新技術、新材料是一項具有重大實際意義和社會經濟效益的研究課題。針對目前現有的關于改善混凝土抗外界侵蝕性能的提升技術措施，不同的方法總存在一定的缺陷，而且很多方法是針對單一耐久性因素提出，建立和發(fā)展抑制混凝土材料碳化反應、氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕

2、破壞的新技術是保證含有大摻量礦物摻合料的現代混凝土具有良好耐久性的關鍵技術途徑。通過對近年來的研究趨勢和熱點的把握，將層狀雙氫氧化物（LDHs）引入建筑材料領域已成為一種新的研究方向，本論文選取典型的LDHs材料作為改善混凝土耐久性能的新技術措施。
　　論文以Mg-Al-CO3體系LDHs為基礎，測試和分析其化學組成和結構；在不同溫度條件下進行煅燒脫碳處理，探討其熱分解過程，建立結構重建與熱歷史的聯系。探討了LDHs材料的結構熱分

3、解第二階段熱力學特性。以水泥漿體顯微結構三維計算機模型為基礎，分析重建產物性質對水泥漿體凝結時間、水化程度、孔溶液離子濃度以及孔隙率等凝結硬化特性的影響。定量研究了LDHs材料在結構重建過程吸附陰離子的能力，分析和表征其重建產物的形貌和結構。研究分析LDHs材料改性處理對混凝土力學性能指標的影響，綜合論證了LDHs材料對混凝土耐久性的影響。通過LDHs與偏高嶺土（MK）組成復合性能調節(jié)劑，開拓LDHs改善混凝土抗?jié)B性能的應用前景。

4、>　　論文的主要研究結論如下：
　　（1）插層CO32-的水滑石材料的溶解性小于插層Cl-和插層NO3-的水滑石材料，也即其穩(wěn)定性優(yōu)于插層Cl-和插層NO3-的水滑石材料，這與其電荷密度較大，與層板之間的作用較強，且其平行結構插入層間的穩(wěn)定構型有關。在實際的水滑石層板結構中，1:2和1:3是最能形成穩(wěn)定水滑石相的合適Al/Mg比，理論分析的結論為水滑石材料的選取確定了依據。
　?。?）Mg-Al-CO32-LDHs材料在經過

5、煅燒之前結晶狀態(tài)相對最好，600℃煅燒后經過飽和石灰水再水化結構可復原，但結晶度有所下降。原始Mg-Al-CO32-LDHs未經處理時呈明顯片層狀結構，600℃高溫煅燒產物LDOs仍然具有層狀結構特征且顆粒有一定的團聚。煅燒產物再水化后的R-LDHs可以恢復層片狀結構。將煅燒溫度提高至800℃時，片狀結構被破壞，出現燒結塊狀尖晶石，不能夠發(fā)生結構重建。微觀分析與第二階段分解熱力學結果相互印證。
　?。?）綜合水泥凈漿的凝結時間、非

6、蒸發(fā)水含量和水化熱結果，LDHs材料對水泥水化程度有一定的影響，但是影響幅度很小。隨著水泥的水化發(fā)展，孔溶液Na+濃度變化規(guī)律和K+的情況類似，SO42-濃度變化的規(guī)律和Ca2+的變化類似，但是摻入LDHs材料后，Ca2+改變幅度很小，而SO42-有一定的改變。pH值整個階段只有較小的增長，穩(wěn)定在一定范圍內且波動很小，對于摻入不同類型的LDHs后，pH值的規(guī)律和大小并不受影響。
　?。?）三維計算機模擬表明，LDHs材料的引入只是

7、在水化初始階段的幾個小時內發(fā)生吸水、離子的吸附和交換作用，但是影響的幅度不大，對于長時間的水化并沒有明顯的影響。摻入C-LDHs后在早期孔隙率有一定的減小，對于提高材料的抗?jié)B透性能有一定的優(yōu)化作用。
　　（5）綜合模擬混凝土孔溶液中的吸附動力學結果，針對Mg-Al-CO32-LDHs、Mg-Al-NO3-LDHs等不同類型材料而言，煅燒處理后的LDHs材料吸附CO32-、SO42-和Cl-的效果最好。相比Freundlich模型，

8、Langmuir等溫線可以較好的擬合煅燒處理的Mg-Al-CO32-LDHs材料對模擬混凝土孔溶液中SO42-的吸附平衡實驗數據。在不同的吸附動力學模型中，準二級動力學模型與實驗結果最吻合。吸附熱力學表明，LDHs材料對SO42-的吸附是一個自發(fā)、吸熱、熵增大的過程。
　?。?）LDHs對混凝土耐久性改善的實施效果表明，摻入LDHs材料后碳化深度均有一定的下降。其中煅燒處理的LDHs影響幅度最大，碳化深度下降明顯。選取常見的模型對

9、混凝土碳化深度進行驗證與預報，整體趨勢表明了模型的準確性。對于摻入LDHs的試樣來說，實測值與計算值均偏小，對應混凝土的碳化深度也較小，引入LDHs材料對模型依舊符合。Mg-Al-NO3-LDHs材料與煅燒后的LDHs理論上均具有較明顯的吸附混凝土中氯離子能力。針對Mg-Al-CO32-LDHs材料，煅燒處理后，呈現出了明顯的改善硫酸鹽侵蝕效果。LDHs材料對混凝土耐久性能的提升作用主要來自于離子交換和基于結構重建的吸附。
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10、7）LDHs-MK復合改性劑的摻入對混凝土早期強度的影響不明顯，但對后期強度有明顯的貢獻，且復摻效果好于單摻MK。摻入MK后混凝土的界面處明顯得到改變，水泥漿體與骨料結合緊密。當LDHs-MK復合摻入時對界面過渡區(qū)的影響最大，出現最密實的結構。摻入LDHs-MK復合改性劑后提高了混凝土抗氯離子滲透能力?；炷梁箅娡俊⒙入x子擴散系數和氯離子濃度結果相吻合。
　　本論文的研究成果，將有助于發(fā)展陰離子交換材料在水泥化學和混凝土科學領域