氯离子与硫酸根离子在水化硅酸钙表面竞争吸附的分子动力学研究

水化硅酸钙凝胶(C-S-H)是水泥基材料中主要起粘结作用的胶体,也是发生氯离子和硫酸根离子物理吸附的主要原因.由于实验方法无法直观表现C-S-H物理吸附的过程以及吸附量随时间的变化规律,本研究采用分子动力学模型模拟C-S-H物理吸附氯离子及硫酸根离子的过程,探究吸附过程中氯离子和硫酸根离子之间的交互作用关系.模拟利用配位数并结合等温吸附法计算了3.5％NaCl溶液及3.5％NaCl+3.5％Na2SO4复合溶液中Cl-和SO42-的吸附量.研究发现:物理吸附作用包括离子间的近程库伦(Coulomb)作用以及长程范德华(VDW)作用,SO42-抑制了C-S-H对Cl-的吸附,减弱了C-S-H对Cl-的长程VDW作用,但并没有减少位点对Cl-的吸附量,只是延缓了吸附发生的时间;SiO-Ca+是Cl-及SO42-的主要吸附位点,SiOH可以吸附少量Cl-,但对SO42-无明显吸附作用,且SiOCa+与SiOH位点存在竞争关系.两种溶液中C-S-H凝胶对Cl-的吸附量相差不大,约为0.06 mmol/g,对SO42-的吸附量约为0.02 mmol/g.由分子动力学计算得出的C-S-H的离子吸附量,与通过测试实验合成的C-S-H及水泥浆体中的C-S-H的离子吸附量相符,由此可以证明分子动力学模拟可准确、可靠地表征侵蚀离子在水泥基材料内的复杂交互作用.     

超高性能混凝土早期600℃抗爆裂性能研究

超高性能混凝土(UHPC)是一种先进的水泥基材料,具有超高强度、韧性和耐久性,已被广泛应用于工程结构中.然而,在高温条件下,UH-PC致密的微观结构和极低的渗透性,使其极易发生爆裂剥落现象,进而影响构件的使用寿命.本工作采用钢纤维(ST)和聚丙烯(PP)纤维混杂的方式研究了UHPC早期力学性能和抗渗性能,并利用X射线衍射仪(XRD)、同步热分析仪(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞(MlP)等测试方法研究了UHPC的早期抗高温爆裂剥落的机理.结果表明,掺加体积分数为0.4％的聚丙烯纤维可以有效抑制UHPC在早期的高温(600℃)爆裂行为;高温加热后,蒸汽养护下的UHPC力学性能比标准养护下的表现更加优异,且相比于高温前,蒸汽养护下的抗压强度和弯曲强度损失量分别为15.1％和30.9％,而标准养护下的抗压强度和弯曲强度损失量分别为18.5％和26.9％;高温后的抗渗性能满足P5等级;蒸汽养护促进了UHPC早期内部水泥水化和矿物掺合料的火山灰反应,生成更多的水化产物,且消耗了更多的游离水;高温加热后的UHPC内部结构中,通过PP纤维熔化留下的孔道和基体中水化产物的收缩、分解引起的孔隙粗化可对水蒸汽进行泄压,从而避免UHPC在早期进行高温后发生爆裂的情况.     

水泥基胶凝材料氧化物含量与氯离子结合量的定量关系

为揭示氯盐溶液及存在硫酸盐复合盐溶液中氯离子对水泥基材料的侵蚀特性,合理选用氯盐环境下水泥基材料组分,减小海洋环境和盐湖卤水对混凝土造成的氯离子侵蚀问题,本工作通过添加矿物掺合料(矿渣和粉煤灰)改变主要氧化物含量,研究水泥基材料氧化物含量与氯离子结合量的关系.采用等温吸附法测试样品的氯离子结合量,采用X射线衍射仪(XRD)和同步热分析仪(TG-DSC)表征侵蚀产物.实验结果表明,在氯盐溶液侵蚀下,水泥基材料的氯离子结合量与其Al2 O3、SiO2含量成正比,与CaO含量成反比.在硫酸盐存在的复合盐溶液侵蚀下,硫酸盐浓度较低(3.5％NaCl+0.5％Na2 SO4)时,氯离子结合量略有下降,测试结果表明Friedel盐的生成量不会因硫酸根离子的引入而降低,此时两种离子没有明显的竞争关系;当硫酸盐浓度提高到5％Na2 SO4时,氯离子结合量下降显著,实验结果表明Friedel盐的生成量降低,两种离子间竞争关系显著,但不影响氧化物含量与氯离子结合量之间的相关性.