基于离子络合剂的裂缝自修复技术在海工混凝土中的作用及其机理研究

论文摘要

混凝土结构在施工和服役过程中,极易产生不同尺寸的裂缝。裂缝加速海洋环境中侵蚀性离子向混凝土内部扩散的速度,严重影响钢筋混凝土的耐久性。混凝土裂缝自修复技术是解决开裂海洋工程混凝土耐久性问题的途径之一。然而,目前大部分针对裂缝自修复的研究都在淡水条件下开展,未考虑海水中多离子对自修复过程的影响。要使裂缝自修复能最大程度地提高开裂海工混凝土的耐久性,就必须使混凝土具备快速且完全的自修复能力。本课题提出了基于离子络合剂“捕捉”海水离子以促进沉淀物在裂缝中形成从而提高自修复效果的思路,对比分析不同离子络合剂及掺量对混凝土裂缝自修复的提升效果,阐明了海水离子和离子络合剂对裂缝自修复的共同作用机理。具体研究内容和结果包括:（1）探究了海水离子在没有离子络合剂存在的条件下对裂缝自愈合的影响。实验结果表明海水中的Mg2+离子对水泥净浆裂缝自愈合有明显的促进作用,在海水浸泡条件下裂缝内部形成大量以Mg（OH）2为主的自愈合产物,而海水中的SO42-和Cl-对裂缝自愈合过程几乎没有影响。在12小时浸泡和12小时干燥的干湿循环条件下,裂缝吸收海水及海水从裂缝中蒸发的过程促进了自愈合产物中Mg（OH）2和CaCO3形成,促使裂缝愈合率提高,而干燥时间较长的干湿循环制度（1小时浸泡和23小时干燥）不利于裂缝自愈合。相比于初始宽度为150μm的裂缝,在初始宽度为400和600μm的裂缝中,海水离子和干湿循环条件对自愈合过程的促进作用更加显著。较大的裂缝宽度在浸泡过程中有利于海水离子进入裂缝,且在干燥过程中有利于海水的蒸发,从而进一步促进自愈合产物的形成。（2）深入研究了基于离子络合剂的裂缝自修复技术在海水中对裂缝自修复的提升作用及机理。在海水浸泡条件下,三乙醇胺对水泥净浆的裂缝自修复效果有显著的促进作用。实验证明,对于含1.5%三乙醇胺的水泥净浆,初始宽度为400μm的裂缝在海水中浸泡2天即可完全自修复。通过对自修复1天后的产物进行表征发现,Mg（OH）2相对含量高达66%。通过模拟试验证实了三乙醇胺可迅速提高溶液的碱度,OH-离子增多,与海水中高浓度Mg2+离子共同作用,从而使得Mg（OH）2在裂缝口局部位置首先达到饱和状态并快速析出沉淀,实现裂缝快速且完全愈合;随着自修复时间的延长,由于空气中的CO2不断地溶于海水,并扩散迁移至裂缝中与基体中溶出的Ca2+反应形成CaCO3沉淀,以至CaCO3在自修复产物中的含量由最初的14%增加至自修复28天的33%。此外,根据文献报道三乙醇胺可使净浆基体中Ca（OH）2的晶粒尺寸减小且使其结晶度降低,使得直接暴露在裂缝表面的Ca（OH）2增多且更容易溶解,进而促进Mg（OH）2等修复产物的形成。（3）探究了离子络合剂对水泥基材料基本性能的影响。目前三乙醇胺的掺量通常在0.2%以内,鉴于其对海水中水泥净浆裂缝自修复的促进作用,本研究探索了三乙醇胺更大掺量的可能性。因此,研究了掺量为1.5%的三乙醇胺对水泥基材料基本性能的影响,发现掺入1.5%的三乙醇胺使浆体的屈服应力增大,对浆体工作性能产生极大的负面影响;水泥净浆的终凝时间延长;增大硬化浆体的最可几孔径,且会增加一定量的大孔;各龄期的水泥胶砂强度降低。但通过掺入0.05-0.1%缓释型聚羧酸减水剂后可有效改善三乙醇胺引起的负面作用,基本满足国家标准规定的技术指标。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 混凝土裂缝自修复研究现状

1.2.1 混凝土裂缝自身愈合

1.2.2 基于粘结剂的裂缝自修复

1.2.3 基于微生物的裂缝自修复

1.2.4 基于矿物添加剂的裂缝自修复

1.2.5 基于离子络合剂的裂缝自修复

1.2.6 混凝土裂缝自修复的评估方法

1.3 海水环境中混凝土裂缝自修复技术存在的问题

1.5 研究内容、目的及意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究目的及意义

第二章实验原材料与测试方法

2.1 原材料

2.2 试样制备

2.3 自修复条件

2.4 裂缝自修复的效果评估

2.4.1 表面裂缝愈合率

2.4.2 抗渗透性

2.5 裂缝自修复产物的表征

2.6 离子络合剂在水泥净浆中的存在状态及作用机理的模拟实验

2.6.1 离子络合剂在水泥净浆中的存在状态及含量

2.6.2 离子络合剂在自修复过程中作用机理的模拟实验

2.7 水泥基材料基本性能的测试

2.7.1 新拌浆体的流变性能

2.7.2 凝结时间

2.7.3 水泥硬化浆体孔结构分析

2.7.4 水泥胶砂强度

第三章海水环境对水泥净浆裂缝自愈合的影响

3.1 海水中离子对水泥净浆裂缝自愈合的影响

3.1.1 海水中离子对裂缝愈合率的影响

3.1.2 海水环境中离子对裂缝自愈合产物的影响

3.1.2.1 裂缝自愈合产物的形貌

3.1.2.2 裂缝自愈合产物的矿物组分及其相对含量

3.2 海水环境中干湿循环对水泥净浆裂缝自愈合过程的影响

3.2.1 海水环境中干湿循环作用对裂缝自愈合率的影响

3.2.2 海水环境中干湿循环对裂缝自愈合产物的影响

3.2.3 海水环境中不同干湿循环制度对自裂缝愈合过程的影响

3.3 不同修复条件下裂缝宽度对水泥净浆裂缝自愈合的影响

3.4 海水环境中硅酸盐水泥净浆裂缝自愈合机理

3.5 本章小结

第四章海水环境中基于离子络合剂的水泥净浆裂缝自修复机理及效果

4.1 引言

4.2 海水环境中离子络合剂对裂缝自修复的作用

4.2.1 海水环境中离子络合剂类型对裂缝自修复的作用

4.2.2 海水环境中离子络合剂的掺量对裂缝自修复的提升作用

4.3 海水环境中离子络合剂对裂缝自修复的作用机理研究

4.3.1 海水环境中基于离子络合剂自修复技术的裂缝自修复产物

4.3.1.1 裂缝自修复产物的形貌

4.3.1.2 裂缝自修复产物的矿物组成及相对含量

4.3.2 离子络合剂在水泥净浆中的存在状态及作用机理研究

4.3.2.1 离子络合剂在水泥净浆中的存在状态

4.3.2.2 离子络合剂促进氢氧化镁形成的作用机理

4.4 海水环境中离子络合剂的作用机理

4.5 海水环境中离子络合剂对水泥净浆裂缝自修复的提升作用

4.5.1 含离子络合剂的水泥净浆裂缝自修复对抗渗性能的提升作用

4.5.2 含离子络合剂的水泥净浆的最大裂缝自修复能力的探究

4.5.3 离子络合剂对干湿循环条件下裂缝自修复的提升效果

4.5.4 离子络合剂对裂缝自修复提升作用的长期有效性

4.6 本章小结

第五章离子络合剂对水泥基材料基本性能的影响

5.1 离子络合剂对新拌硅酸盐水泥净浆流变性能的影响

5.2 离子络合剂对硅酸盐水泥净浆凝结时间的影响

5.3 离子络合剂对硅酸盐水泥硬化浆体孔结构的影响

5.4 离子络合剂对水泥胶砂强度的影响

5.5 本章小结

结论

1.研究成果

2.创新点

3.展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘昊

导师: 余其俊

关键词: 海水离子,裂缝自修复,离子络合剂,提升作用,机理

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 华南理工大学

分类号: P75

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001040

总页数: 91

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