硅酸根、偏铝酸根电迁移反应致密化混凝土及其耐久性研究

A novel method of refining pore structures to improve the concrete durability by the electro-migration reaction of silicate or metaaluminate has firstly been proposed. Its effectiveness has been proved by the results of preliminary test and research experiences.The main research contents of this project are summarized as following:.1.Investigating the factors influencing the effect of refining pore structures by the electro-migration reaction, and deducing the optimized process parameters according to the concrete property and electrochemistry mechanism. .2.Investigating the detailed process of refining pore structures and mechanism of electro-migration reaction by microstructure characterizations..3.Investigating the regularities of ion migration, conversion and distribution during the electro-migration reaction by monitoring and measuring the ionic compositions of catholyte, anolyte and pore solutions in the different concrete depth, and establishing the prediction model of electro-migration reaction by combining a numerical calculation method..4.Investigating the durability of concrete with dense pore structures by the electro-migration reaction, and revealing the relationship between the durability and pore structures of concrete..Such a novel method makes breakthrough in the improvement of concrete durability due to the fact that the disadvantage of the traditional method, i.e. reducing the water-binder ratio, incorporating with a high volume of mineral admixtures and superplasticizers to prepare the densified concrete, is overcome. Moreover, the obtained results not only lay experimental and theoretical fundaments for the application of electro-migration reaction, but also have a great significance in saving energy and reducing consumption to achieve sustainable development of our country.

本项目首次提出一种通过硅酸根、偏铝酸根电迁移反应来细化硬化混凝土的孔结构，由此提升混凝土耐久性的新方法。预试验结果和已有研究经验论证了该方法的可靠性。拟从混凝土结构特性和电化学原理出发，研究电迁移反应致密化混凝土效果的影响因素，确定优化工艺参数；通过微观结构分析，研究电迁移反应致密化混凝土的具体过程，阐明作用机理；通过监控电解液与分析不同深度处的孔溶液离子成份与含量，研究电迁移反应致密化混凝土的离子迁移、转化与分布规律；结合数值计算方法，建立电迁移反应致密化混凝土的定量预测模型；此外，研究电迁移反应致密化混凝土的耐久性，探索混凝土耐久性能与微结构的关联性，从而为实际应用该方法奠定理论与实验基础。本项目克服了现今一般采用的降低水胶比、掺入足够多活性掺合料与高效减水剂的配制密实混凝土的技术缺限，有望在混凝土耐久性提升上获得新的突破，研究成果对实现国家节能降耗和可持续发展具有重要的意义。

孔结构是决定混凝土耐久性的关键因素，制备密实的混凝土是提升其耐久性的一个有效途径。本项目首次提出一种通过硅酸根、偏铝酸根电迁移反应来细化硬化混凝土的孔结构，由此提升混凝土耐久性的新方法。从混凝土结构特性和电化学原理出发，研究电迁移反应致密化混凝土效果的影响因素，确定优化工艺参数；通过微观结构分析，研究电迁移反应致密化混凝土的具体过程，阐明作用机理；通过监控电解液与分析不同深度处的孔溶液离子成份与含量，研究电迁移反应致密化混凝土的离子迁移、转化与分布规律；结合数值计算方法，建立电迁移反应致密化混凝土的定量预测模型；此外，研究电迁移反应致密化混凝土的耐久性，探索混凝土耐久性能与微结构的关联性，从而为实际应用该方法奠定理论与实验基础。研究结果表明：硅酸根电迁移致密化既可在砂浆表面生成强黏性的硅胶与C-S-H复合涂层，又可有效致密化砂浆/混凝土；相对未处理的砂浆样品，经硅酸根电迁移致密化处理的砂浆抗压与抗折强度有所增加，而电阻率则大幅提高；与此同时，表面吸水性、抗碳化、抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子扩散和钢筋氯离子腐蚀的耐久性能均有不同程度的提升；硅酸根电迁移致密化处理的效果依赖于外加电压、通电时间、溶液浓度和温度等工艺参数与水胶比、掺合料类型等特性参数，确定了优化的处理工艺参数；相对于硅酸根，偏铝酸根电迁移反应致密化效果相对较差；SEM、EDS、XRD、TG（DSC）与MIP多种现代分析手段揭示，尽管表面涂层对被处理样品性能提升有作用，但是其含有众多微米级孔隙，使其影响减弱，致密化作用在性能提升中居主要作用，而致密化作用微观机理是由于反应形成附加的C-S-H凝胶和氢氧化钙；将硅酸根电迁移反应致密化与电化学除氯技术结合，在不损害除氯效率的同时，获得更好长期抗腐蚀性能；由于表面涂覆效果的影响，使得对建立电迁移反应致密化过程数值计算变得十分复杂，相关研究仍在进行中。本项目为混凝土耐久性的提升提供一个全新途径，对于延长混凝土结构工程服役寿命具有重要意义。项目共发表论文26篇，其中SCI检索16篇，EI检索4篇，申请国家发明专利11项（授权5项）。