侵蚀性离子对混凝土材料中Al掺杂C-S-H凝胶微结构和性能的影响机理

C-S-H gel, the main hydration product of concrete materials, affects the mechanical properties and long term durability of the concrete. During the hydration of cementitious materials in concrete, Al3+ ion can enter into the molecular structure of C-S-H gel and form the Aluminum substituted C-S-H gel, in which the substitution amount and coordination state of Aluminum affect the microstructure and properties of the gel. To prove the formation mechanism of Aluminum substituted C-S-H gel and its microstructure evolution under the attack of corrosive ions, this project is about to study the effects of cementitious materials composition and hydration environment on the microstructure and properties of Aluminum substituted C-S-H gel, using test methods such as NMR, TEM-EDS and DSI. On the basis these research, this project is going to further study the effects of corrosive ions attack (separate or coupling) on the microstructure, mechanical properties and chloride absorption/fixation property of Aluminum substituted C-S-H gel, to find out the microstructural features of the Aluminum substituted C-S-H gel which shows favorable mechanical properties and chloride absorption/fixation property in seawater environment. Finally, the approach to increase the concrete durability based on the modification of microstructure of the pastes was propose. The achievements can provide as a theoretical reference for the development of marine cement and design of durable concrete.

C-S-H凝胶是混凝土材料的主要水化产物（占60%~70%），影响着混凝土的力学和耐久性能。在混凝土胶凝浆体水化过程中，Al3+可进入C-S-H凝胶结构中形成Al掺杂C-S-H凝胶，Al3+的掺杂量和配位状态影响其微结构和性能。本课题针对Al掺杂C-S-H凝胶微结构形成机制和侵蚀性离子（Mg2+、SO42-、Cl-）作用下微结构演变机理尚未明确的问题，采用NMR、TEM-EDS、DSI等现代测试技术，研究胶凝材料组成和水化环境对Al掺杂C-S-H凝胶微结构和性能的影响机理。并在此基础上，研究侵蚀性离子单独和耦合作用对Al掺杂C-S-H凝胶微结构、力学性能和氯离子吸附固化性能的影响机制。探明海水侵蚀环境下具有良好力学性能和氯离子吸附固化性能的Al掺杂C-S-H凝胶微结构特征，提出基于胶凝浆体微结构调控的混凝土耐久性提升方法。研究成果可为海工水泥的开发和耐久性混凝土的设计提供参考依据。

在混凝土胶凝浆体水化过程中，Al3+可进入C-S-H凝胶结构中形成C-A-S-H凝胶，Al3+掺杂量和配位状态影响其微结构和性能。本课题采用NMR、DSI等现代测试技术，研究了胶凝材料组成和水化环境对C-A-S-H凝胶微结构和性能的影响机理以及离子侵蚀条件下其微结构演变。结果表明水泥熟料矿物、粉煤灰、矿渣等所含的Al均可随水化进入C-A-S-H凝胶，由于含Al胶凝材料成分和活性差异，C-A-S-H凝胶的Al[4]/Si和MCL不同，随含Al胶凝材料活性和养护温度增加，Al更易进入C-A-S-H凝胶，Al[4]/Si增加。Al以4、5和6配位存在于C-A-S-H凝胶中，其中Al[4]处于桥硅氧四面体位置桥接断裂的硅氧链，促进C-A-S-H凝胶MCL增加、力学性能增强。SO42-侵蚀导致C-A-S-H凝胶MCL增大，Ca/Si和Al[4]/Si降低，力学性能退化，其变化幅度随着SO42-浓度增加，以及C-A-S-H初始Ca/Si的增加和Al[4]/Si的降低而增大。率先从C-S-H 凝胶的角度揭示了SO42-侵蚀导致混凝土破坏的机理。Mg2+侵蚀对C-A-S-H凝胶微结构和性能影响规律与SO42-相似；Cl-侵蚀对C-A-S-H微结构和力学性能影响不明显；Mg2+与SO42-耦合侵蚀，存在相互促进的作用，较Mg2+或SO42-单独侵蚀严重。此外，矿物掺合料改善了侵蚀环境下混凝土中C-A-S-H微结构稳定性，抑制其力学性能退化，这是矿物掺合料提升混凝土抗侵蚀性能的重要原因。低Ca/Si和高Al/Si下，C-A-S-H凝胶形成交联结构可增强其微结构稳定性，减弱其在侵蚀环境下的微结构演变。压蒸养护促进了硅灰、粉煤灰的硅氧网络水解，并与C3A水化反应并形成低Ca/Si、高Al掺杂的交联C-A-S-H凝胶，部分转化为Tobermorite晶体，提高其在SO42-侵蚀下的微结构稳定性。侵蚀性离子传输抑制剂和盐结晶抑制剂等加入有效改善了胶凝浆体内部的孔结构，降低早龄期侵蚀离子侵入浆体中的量，可削弱海水侵蚀对C-A-S-H凝胶的脱铝、脱钙作用，延缓其微结构演变，提升C-A-S-H凝胶的微结构耐久性。.项目成果对于丰富离子侵蚀下混凝土胶凝浆体中C-A-S-H凝胶的微结构形成和演变理论，基于微结构调控的海工混凝土胶凝材料设计具有重要意义，并成功应用于黄茅海跨海通道等实际海洋桥梁工程。