湿热高盐海洋环境下多元水泥基材料化学-物理稳定性研究

The climate environment in mid-ocean has characteristics of hot, humid, high-salinity and strong-sunshine. Combined with other erosive mediums(Cl-, SO42-, Mg2+, etc.) in seawater, these environmental factors will cause physical and chemical damages to marine concrete structures, which makes it quite necessary and urgent to design and prepare high-stability cement-based materials, then applied them to ocean engineering. The project is mainly focus on chemical and physical stability of concretes with different types of mineral admixtures in mid-ocean, in which the interactions between hydration products of hardened cement paste and common ions in seawater are emphasized. The synergistic effect of erosive mediums(Cl-、SO42-, Mg2+, etc.) on hydration products will be explored. Chemical reactions history of aluminum phase in cement and mineral admixtures with seawater will be compared. By controlling the formation and transformation condition of ettringite under certain circumstances, building an equilibrium between components to maintain hydration products’ stability will be achieved. On the base of previous work, comprehensively taking wet-dry cycle, salt crystallization and other physical changes into consideration to establish the multi-factor model about the stability of multivariate cement-based materials. Combined with exposure test data and numerical simulation analysis, a cementitious material system with excellent chemical and physical stability will be constructed. The newly established material system will be verified under practical or similar ocean environment, which will provide scientific evidences for the preparation of high-performance and long-lifespan concrete that serves in ocean engineering.

远海气候环境具有“高温、高湿、高盐、高日照”的特点，这些环境因素与海水中的氯、硫酸根、镁离子等侵蚀性介质相结合，使海工混凝土结构发生不同程度的物理和化学失效。因此，设计、制备高稳定性水泥基材料并用之于远海工程十分必要和迫切。本项目拟开展远海环境下多元水泥基材料化学和物理稳定性的研究，重点探讨海水中常见阴离子和阳离子与水泥基硬化体水化产物相互作用的机制，探明氯离子和硫酸根离子等侵蚀介质对水化产物作用的协同效应；对比分析水泥中的铝相和矿物掺合料中的铝相在海水中化学反应的历程；通过对特定环境下钙矾石形成和转化条件的控制，建立维持水化产物化学稳定的组分间平衡关系。在此基础上，综合考虑干湿循环、盐析晶等物理变化，建立多元水泥基材料稳定性多因素影响模型，结合暴露试验数据和数值模拟分析，构建高稳定性多元水泥基材料体系，并在接近远海环境下进行验证，为建造高性能长寿命海工水泥混凝土结构提供科学依据。

随着海洋资源的开发与岛礁建设，越来越多混凝土结构件走向深远海。海洋环境中离子侵蚀对水泥基材料存在长期威胁并造成永久破坏，厘清侵蚀离子与水泥基材料相互作用过程并建立合理的防御体系是保证水泥基材料服役性能与使用寿命的必由之路。.本基金项目全面研究了海水与干湿循环对水泥混凝土侵蚀过程，发现体系化学组成满足特定方程时可获得最好的氯离子固化能力，氯离子结合量随着石灰石粉与偏高岭土比例的降低明显降低，石膏对弗里德尔盐形成不利并导致固化氯减少。适量氢氧化钙利于铝质熟料矿物溶解，从而促进AFm形成，使得更多氯离子进入AFm层间形成弗里德尔盐。镁离子侵蚀促使AFm分解，其释放出的硫酸根与AFm结合进一步形成AFt，而释放的铝酸根与镁离子结合形成水滑石。部分水滑石由AFm释出铝酸根而生成，一部分由AFt分解释放，镁离子侵蚀以化学形式固定下铝元素从而提升了铝元素稳定性。同时镁离子侵蚀提升了C-A-S-H分支取代位铝分布，并且缓解了C-A-S-H硅链桥位嵌入位铝分布的降低。海水干湿循环致水泥基材料劣化包括性能改善、性能稳定和性能劣化三阶段。而镁离子和镁离子+硫酸根离子存在于氯盐环境下，加速氯离子传输。当外界硫酸根离子存在时，会对砂浆中氯离子传输表现出先降低后增大的趋势。明确了侵蚀过程中基体孔结构对离子侵蚀过程的核心控制作用，表明水泥基材料孔结构是控制海水侵蚀下离子反应程度、体积膨胀变化的核心因素。发现紫外线的照射加速水泥基材料的碳化并降低其表面粗糙度。探明了基体矿物组成对离子侵蚀过程的反应过程调控作用，在本基金项目研究中设计并改进了两个高稳定性长寿命远海水泥基胶凝材料体系，并初步验证了其抗侵蚀能力的优越性。.本基金项目实施过程中，共发表相关学术论文42篇，其中作为第一标注且被SCI检索的论文26篇；申请发明专利2件，其中获授权1件；结合本项目共培养博士研究生3人（其中2人已毕业），硕士研究生2人。