含有大掺量粉煤灰的水泥基材料溶蚀动力学特征及微结构稳定性研究

Dissolution is one of the main deterioration phenomenon for cement-based materials at late ages. The addition of fly ash tends to make the dissolution process and deterioration mechanism be much more complicated. Now most attention is paid to the dissolution characteristics of pure cement paste. The research on the dissolution dynamic characteristics and microstructure stability of cement-based materials containing high volume fly ash is obviously insufficient.In this study, many advanced test methods, such as HCl selective dissolution method, XRD-Rietveld Whole Pattern Fitting, MIP, TG, NMR, FTIR, and SEM-EDS, will be used to study the dissolution dynamic characteristics of cement-based materials containing high volume fly ash. The hydration-hardening-dissolution process will be described. The influence of fly ash on the microstructure evolution process of hardened cement-based materials and the mechanism of deterioration due to dissolution will be revealed. The relationship between the maximum adding amount of fly ash and the microstructure stability of cement-based materials under the condition of dissolution will be investigated in order to identify the maximum percentage of fly ash in the cementitious binder based on the dissolution prevention. The results of this study provide the theoretical basis for the durability design of modern hydraulic concrete structure and the application of fly ash to cement-based materials.

溶蚀是水泥基材料耐久性破坏的常见方式，粉煤灰的大量掺入使得水泥基材料的溶蚀过程与劣化机理变得极为复杂。目前对含有大掺量粉煤灰的水泥基材料溶蚀动力学特征与微结构稳定性少有研究，对于从胶凝材料水化-硬化-溶蚀脱钙反应进程的角度来研究粉煤灰对水泥基材料微结构形成与劣化时的正负作用更是鲜有报道。本项目拟采用盐酸选择溶解、XRD-Rietveld全谱拟合、MIP、TG、NMR、FTIR、SEM-EDS等先进测试技术与方法，研究含有大掺量粉煤灰的水泥基材料的溶蚀动力学特征，探讨胶凝材料水化-硬化-溶蚀劣化进程中粉煤灰对水泥基材料硬化浆体微结构演变过程的影响并揭示其溶蚀劣化机理，探明溶蚀条件下粉煤灰的极限掺量与水泥基材料微结构稳定性的关系，判定微结构失稳的边界条件，建立含有大掺量粉煤灰的水泥基材料微结构溶蚀失稳模型。这将对现代水工混凝土结构耐久性设计及粉煤灰在水泥基材料中的合理利用具有重要指导意义。

溶蚀是水泥基材料耐久性破坏的常见现象，矿物掺和料的大量掺入使得水泥基材料的溶蚀过程与劣化机理变得极为复杂。针对掺有粉煤灰的水泥基材料溶蚀研究存在的争议性问题，采用NH4NO3溶液加速溶蚀的方法，对其溶蚀深度、钙累计溶出量、抗压强度等宏观溶蚀特征展开了研究，并借助XRD、SEM、TG以及MIP等先进手段对其微观结构的劣化特性进行了分析；在此基础上，依次从固相溶解顺序、固相脱钙动力学特征、孔结构劣化三个方面揭示了复合水泥基材料的溶蚀劣化机理。主要研究内容和结论如下：（1）随溶蚀龄期的延长，水泥基材料皆出现了劣化现象；在溶蚀初期，各掺和料具有很好的填充作用，可在一定程度上阻碍溶蚀的进程；当粉煤灰掺量不超过35%时，具有抗溶蚀的效果，其中掺20%时最佳。（2）在浆体内部，溶蚀首先发生在原有孔隙孔壁区域，随后才逐渐深入到固相产物之中，而浆体中C-S-H凝胶等水化产物溶蚀脱钙增加的孔体积的主体，并不都是独立存在的小孔，而是原孔合并、扩容后大孔的一部分；另外，这部分孔体积的增加，还表现为浆体的连通性增大，对孔结构的危害不可忽视。在整个溶蚀过程中，CH表现得较为敏感，首先其晶型发生了改变，随后晶体形状出现畸变，最后溶解消失；在浆体的水化产物中，AFt、AFm以及（III）型C-S-H相对CH、（I）及（II）型C-S-H具有较强的抗溶蚀特性。（3）从体系所处的温度环境、两种介质的运动状态、两种介质的各自属性以及两种介质间的界面特性四个方面对溶蚀影响因素进行了划分。从动态平衡的角度对C-S-H溶蚀起点、溶蚀劣化过程进行了论述论证，指出C-S-H等水化产物的溶蚀起点与CH相同，只是在宏观上表现为滞后性，但CH的存在可抑制其它水化产物的溶出。