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1、编号河南理工大学第*期“步步高”大学生科技攀登计划结项报告 水泥矿物固化氯离子的性能研究立 项 人：所在单位：联系电话：参与学生：完成时间：摘 要氯离子是引起混凝土中钢筋锈蚀的重要原因，然而氯离子被固化后则可有效地延缓钢筋锈蚀。因此，研究氯离子在水泥基材料中的固化规律，对提高钢筋混凝土的使用寿命将有重要的意义。为了研究水泥基材料固化氯离子的能力，本文首先选择合理的烧成制度制备纯水泥单矿（C3S、C2S与C3A），并采用XRD衍射仪对烧结物进行微观分析；其次，把制备的水泥单矿物掺入到水泥中，研究掺入一定量的单矿物后，不同水泥基材料在水化程度不同时它们固化氯离子的能力；最后研究在水泥中掺入不同的混
2、合材粉煤灰和矿渣，研究它们固化氯离子的能力。实验结果表明：（1）在水泥单矿（C3A）烧成中，原料、烧成炉中垫板材料、压片时原料成型溶剂、压片的形状、压片的成型压力和温度制度等对单矿的烧成都有一定的影响；（2）在同等掺量的条件下，C3A固化氯离子的能力大于C3S固化氯离子的能力；（3）当溶液的PH值（本实验PH取12.5）固定时，单矿水化产物对氯离子的固化能力与溶液中氯离子的浓度值有很大关系。溶液中氯离子的浓度值越高，其固化能力越强；（4）当溶液为碱性且PH值（12.5）保持不变时，单位质量C4AH13、AFm和AFt晶体对氯离子的固化能力依次降低。关键词：水泥基材料；水泥单矿；氯离子；固化Ab
3、stract The Chloride ion is an important reason for corrosion of reinforced concrete, while it can delays the reinforcement corrosion effectively after the chloride ions are cured. As a result, it is necessary to study the chloride binding capacity of element-based, which will be of significance in i
4、mproving the service life of concrete.The ability of cementatious materials curing chlorine ions, first choice reasonable burning schedule to prepare o study pure cement single mine(C3S、C2S and C3A), and conduct micro-analysis to sinter by XRD; and then put the pure cement single mine into the cemen
5、t, research the ability of curing chlorine ions of different cementations materials in different degree of hydration with different cement single mine volume; last research the ability of curing chlorine ions with different fly ash and slag powder volume in cement.The results show that： (1) a single
6、 mine in the cement (C3A) firing, the raw material, firing furnace plate material, pressure films forming material solvent, tablet shape, tablet molding pressure and temperature of system-on-one Mine has a certain influence on firing; (2) the ability of curing chlorine ions of C3A is greater than C3
7、S with content in the same conditions;(3) When the solution PH value (PH in this experiment taking 12.5) is fixed, single mineral hydration products of the curing ability chloride solution concentration of chloride ion in a great relationship. Chloride ion concentrations higher the curing capability
8、; (4) When the solution is alkaline and PH value (12.5) remain unchanged, the unit mass C4AH13, AFm and AFt crystals on the curing ability of chloride in turn lower.Key words： Cementitious materials；Chloride；Cement single mine；Binding目 录1 绪论11.1课题研究背景及目的11.1.1 课题研究的背景11.1.2 研究的目的及意义21.2水泥基材料固化氯离子的研究
9、现状21.2.1 固化氯离子机理的研究21.2.2 水泥的矿物组成对固化氯离子性能的影响31.2.3 混合材对水泥基材料固化氯离子性能的影响51.2.4外界环境对水泥混凝土固化氯离子性能的影响61.3 研究内容62 试验原材料与试验方法82.1原材料82.2 试验仪器82.3试验方法92.3.1 高温法制备C3A和C3S单矿92.3.2 化学滴定分析102.3.3 微观检测方法102.4 氯离子固化能力的测试112.4.1现有的测试方法112.4.2 氯离子浓度的测试123 实验结果与分析143.1 单矿烧成分析143.1.1 矿物烧成程度分析143.1.2单矿物的微观分析153.2 单矿物水
10、化生成的C4AH13、AFt和AFm晶体的微观分析173.3 AFt、AFm、C4AH13晶体转化为F盐的微观分析203.4 水泥单矿水化产物对固化外来氯离子能力研究233.4.1 C4AH13晶体固化氯离子能力分析233.4.2 AFt晶体固化氯离子能力分析243.4.3 AFm晶体固化氯离子能力分析264 结论与展望284.1 结论284.2 展望28参考文献29致谢311 绪论1.1课题研究背景及目的1.1.1 课题研究的背景自19世纪20年代波特兰水泥问世以来，混凝土和钢筋混凝土结构在土木工程中得到广泛的应用。混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，造价较低，是土木工程设计的首选形式1。但
11、混凝土中钢筋锈蚀己成为全世界土木工程界所关注的重大技术问题，被认为是当今影响混凝土结构耐久性24的首要原因，而氯离子腐蚀又是引起钢筋锈蚀的首要原因。纵观全世界都存在着广泛的腐蚀环境。1.道路化冰盐：大量使用的氯化钠和氯化钙，使得氯离子渗入混凝土，引起钢筋锈蚀破坏，而桥梁道路却未采取应有的防护措施。2.海洋环境：大规模的建设都集中于沿海地区，海边的混凝土工程由于长期受到氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重，海水、海风、海雾中的氯盐和不合理的使用海砂，是造成钢筋混凝土结构不能耐久的主要原因。3.盐湖、盐碱地： 沿海地区的盐碱地多以含氯盐为主，内陆盐碱地，有的以含氯盐为主(如青海)，有的以含硫
12、酸盐为主，多数情况是含混合盐。这些地域钢筋混凝土结构已经受到很强的腐蚀。4.工业环境： 工业环境中的建筑物，由于酸、碱、盐等的影响，其钢筋锈蚀破坏十分普遍与严重，有调查报告表明，大多数工业建筑达不到设计寿命的年限，目前正在进入大规模修复的时期，并且破坏相当严重（如图1-1-1）。图 1-1-1 锈蚀的钢筋1.1.2 研究的目的及意义钢筋腐蚀的主要原因，一般分成三种：混凝土碳化、氯离子引起的钢筋去钝化和酸性物质引起的钢筋锈蚀5。通常认为由氯离子引起的钢筋去钝化最为直接、严重和普遍。一般混凝土孔隙中的水分都是以饱和氢氧化钙溶液的形式存在，pH值为12.513.5，在这样的强碱性环境中，钢筋表面会迅
13、速形成非常致密的腐蚀产物膜，使腐蚀难以继续进行。但当PH值下降并有氯离子存在时，钢筋钝化膜会迅速发生破坏。在混凝土诸多性能中，混凝土的渗透性和侵蚀性离子的扩散系数对耐久性的影响极大，被认为是衡量混凝土耐久性的重要综合指标。外部的氯离子是通过混凝土内部的孔隙和微裂缝系统从周围环境向混凝土内部传递的。传输过程是一个非常复杂的物理、化学过程，混凝土材料本身对氯离子具有一定的固化作用。但随着研究工作的深入，氯离子的固化机理己成为一项有别于钢筋锈蚀研究的独立课题，对提高混凝土的使用寿命将有重要的意义，同时为高抗氯盐侵蚀的水泥基材料设计提供理论依据。本文采取高温法制备单矿，开展水泥单矿固化氯离子性能的研究
14、，这必将为硅酸盐水泥的研究、Cl-固化机理、矿物掺料的作用机理以及外加剂的作用机理等方面的研究提供新的物质条件和基础。1.2水泥基材料固化氯离子的研究现状1.2.1 固化氯离子机理的研究根据已有的氯离子固化理论，混凝土中的氯离子可区分为两种形式：一是溶解于混凝土孔隙溶液中的游离(自由)的氯离子;二是被水泥组分或水化产物结合(固化)的氯离子。氯离子的物理固化主要是指水泥基材料对氯离子的物理吸附作用，如水化硅酸钙（C-S-H）凝胶表面吸附氯离子，由于水泥基材料中C-S-H凝胶量远大于C-A-H，所以物理固化占很大的比重，有报道随C/S比增大吸附氯离子的能力增大6。也有研究报道C-S-H中的C/S比
15、在1.5时，它吸附氯离子的能力最大7。MRJones等人提出了Friedel盐形成机理8，机理一，离子交换机理，AFmOH通过离子交换转化成Friedel盐，对于氯化钠，由于氯离子进入AFm结构，在混凝土的液相中Na+的浓度增大，为了补偿电荷平衡，OH-从AFm-OH释放出来，即Cl-bound=OH-released。机理二，吸附机理，Friedel盐由两个结构层组成，氯离子被吸附进入结构层，平衡其电荷，钠离子则离开孔溶液被吸附到固相中，它可能被C-S-H凝胶吸附。有学者认为对氯离子的物理吸附主要是通过双电层来完成的。扩散进混凝土的氯离子势必会挤入紧密层或漫散层，游离的氯离子通过电荷作用稳定下来，形成了新的相对稳定的双电层。这一方面对氯离子的扩散起了阻碍作用，另一方面对氯离子产生了物理吸附作用，降低了混凝土孔溶液中游离氯离子浓度，延长了混凝土的使用寿命。但是这种物理吸附毕竟是靠电荷引力来维持平衡的。这种电荷引力相对较弱，容易被破坏，随着混凝土使用寿命的增长，扩散进来的氯离子越来越多，而能挤入紧密层的异电离子是有限的，双电层对氯离子的这种吸附能力会越来越弱.但是，当混凝土的孔隙结构细化，孔径分布趋于优化，则这种物理吸附作用是相对持久的。氯离子的化学固化指得是氯离子与某一水泥组分或水化相之间发生了化
