3675|抗盐渍混凝土材料设计研究外文翻译资料
2022-09-18 17:34:39
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1.引言
混凝土受硫酸盐的侵蚀而进行重组其内部微观结构。这些变化会直接影响材料的工程性质。例如,混凝土发生硫酸盐侵蚀通常被发现出现膨胀、剥落和开裂等现象。也有压倒性的证据表明,破裂也会导致混凝土的力学性能的显著降低。许多结构受硫酸盐侵蚀通常需要修理,或者在最严重的情况下需要部分重建。
鉴于硫酸盐侵蚀的有害影响,在传统上建筑规范有指定的预防措施来保护混凝土以应对这种类型的破裂。典型的北美建筑规范中包含的措施归纳如表1所示。可以看出，水泥型号的选择（ASTM I型，II型，V型或等同物）和水/水泥的选择（W= C）的比率按曝露条件的严重程度而有所不同。
应该强调,有关混凝土暴露在微量的硫酸环境中的标准(即土壤含有少于0.10%的水溶性硫酸盐或环境中SO4浓度低于150 ppm)相对模糊。尽管建筑规范通常强调混凝土渗透性的重要性,以防止水分和离子的渗透,没有任何一个包含特定的限制有关最大的w = c比率，应该选择混凝土制品暴露于硫酸盐中可以忽略不计的水平(见表1) 。这是不幸的,因为许多作者强调,尽管分析表明地下水或土壤硫酸盐含量较低，但仍可能存在潜在的破坏性。根据DePuy公司的研究，这是明显的当混凝土暴露于湿交替的条件下。
本研究旨在提供对混凝土在弱硫酸盐环境中具有的潜在危害的具体解决方案。 目前有一种数值模型，叫做STADIUM，用于研究降解机理。该模型考虑了离子和液相和固相的（部分）饱和系统中的化学平衡的耦合传输。先前的研究表明，由该模型模拟的水化水泥受硫酸盐侵蚀及钙浸出的实验数值媲美实际实验测量的结果。
2.数值模型的说明
2.1.各种传输过程的描述
STADIUM目前已经发展到可以预测非饱和多孔介质中离子的传输。例如将在下面的小节讨论的，该模型还可以说明溶解/沉淀反应的传输机制。
该模型对不同传输机制的描述依赖于均化技术。这种方法首先需要在孔隙尺度编写所有的基本方程。然后这些方程描述在宏观尺度上的传输机制的表征体元（REV）。更多有关在孔隙尺度上的传输方程和均化技术的详细信息可参见【24-26】.
在该模型中，离子被认为是在液相中自由移动的或者结合在固相当中。在液相中离子在孔隙尺度的运输可以用添加平流项的扩展方程Nernst-Planck所描述。这个公式在REV整合后，传输方程成为方程式(1)，其中，theta;s是材料的固体含量,Ci是物种在水中的浓度,Cis是固相的浓度,theta;是体积含水量,Di是扩散系数,Zi是价的物种数量,F是法拉第常数,R是理想气体常数,T是液体的温度,Psi;是电势,gamma;i是化学活度系数和nu;x是流体的速度。
方程（1）必须为每种离子在本系统写入。根据以往的经验[ 21–23 ] 表明水化水泥材料（在氯离子和镁离子的环境）的行为可以通过考虑六种不同的离子来可靠地描述：OH-,Na ,K ,SO42-,Ca2 和AL(OH)4-。
通常有多种方法可以计算化学活性系数。然而，经典模型如Debye–Huckel或Davies无法可靠地描述高浓度电解质如硬化水泥浆体孔隙的热力学行为。Davies修正方程被发现具有良好的计算结果。
其中I是溶液的离子浓度。
A和B是与温度有关的参数。在公式（2）中的参数Ai取决于离子种类。它们的值（米）是OH- 3*10-10,Na 3*10-10,K 3.3*10-10,SO42- 1*10-10,CL- 2*10-10以及Ca2 1*10-13。
完成最后一个关联才能完成方程系统，并计算出方程（1）的电势Psi;。这可通过泊松方程计算得出，其中涉及的电势可通过各个离子浓度来确定。在这里给出该方程的一般形式：
其中N是离子的物质的量，theta;是介质的介电常数，这种情况下介质是水，tau;是多空网络的曲率。曲率系数的物理意义将会在[25,26]中讨论。
出现在公式（1）中的流体速度nu;x ，水在多孔固体干燥/湿润周期中在驱动力和毛细管力的作用下做的运动可由扩散方程来描述。
其中Dw是水的非线性扩散系数，这个参数根据材料的含水率而变化。
为完成该模型，必须考虑液相的质量守恒。
可以看到，水分传输（液体）由材料的含水量的变化来描述。应该强调的是，使用材料的水含量作为状态变量对于这个问题在边界条件的处理的解释具有有重要的意义。由于后者通常用相对湿度来表示，因此需要做出转换。这可以通过使用吸附/解吸等温线来转换。
系统的非线性方程组必须进行数值求解。使用有限元分析技术解决数值问题的信息可参见【30.、31】。
2.2. 化学平衡步骤
方程（1）中左侧的第一项（其中Cis出现）证明溶液和固体之间具有离子交换。它可以被用来模拟传输过程中的沉淀/溶解反应的影响。存在于该材料中的各种固体相的化学平衡是通过考虑在该位置的所有离子物质的浓度来验证每个节点的有限元网格。如果化学平衡状态没有达到，应修正相应的浓度和固相含量。
例如，氢氧化钙（或羟钙石）的平衡常数是由
其中，大括号{...}注明的是化学活性。如之前所提到的，方程（7）必须验证系统的每一个节点。如果，由于传输过程中溶液中是局部过饱和或不饱和，就以离子浓度进行修正来达到化学平衡。这个过程应用在系统中的各个固相的每个节点中。
经验【21，23】已经表明,水化水泥系统暴露在浓度相对较低的硫酸钠(Na2SO4)溶液的表征方法可以通过考虑五种不同的固体阶段来表征,即:氢氧化石,C-S-H,钙矾石,水榴石和石膏。 表2中列出了这些阶段,连同他们的平衡常数[33]。
显然，异常结晶相的处理如C-S-H的处理存在一定的问题。如可在表2中看出，表观平衡常数取决于C-S-H。这个常数的值是建立在以前公布的水化水泥系统的热力学稳定性的基础上的【34、35】。 假设C-S-H的溶解（所谓的脱钙过程）进行的是钙离子和氢氧根离子的释放（钙离子与氢氧根离子比例为一比二，以保持电中性）最后剩余一个硅胶。这种方法与Faucon使用核磁共振（NMR）谱和 Moossbauer谱（如NMR）分析C-S-H脱钙过程的成分结果一致。
化学反应还可以通过影响其孔隙结构来改变运输材料的性质。从而减少该离子扩散的部分。这可能会影响材料的扩散系数。由Garboczi和Bentz提出的使用方程考虑了这种效应。
其中phi;cap是胶凝材料的毛细管孔隙度， Dui 是离子物质i在游离溶液中的扩散系数(相对于其多孔固体中的扩散系数)， H是 Heaviside函数，例如 H(x)=1 , x gt; 0 和 H(x)=0 , xle;0.该材料的初始毛细管孔隙可以使用以下关系来计算
其中w=c是胶凝剂的水胶比，alpha;是水合水泥（0le;alpha;le;1)的等级，化学反应对材料的毛细管孔隙度可以计算如下:
其中，Vs是一个给定的固相的体积水泥浆体的单位体积，M是固相的总数。根据这种方法，校正因子G乘以每个离子的扩散系数Di是由下式确定的
方程式(10)和(11)的应用是用来解决水化水泥系统中C-S-H脱钙过程的扩散性能表现出的问题。在本次调查的结构内，校正因子G的值在脱钙系统中已经完全被任意固定为10。敏感性分析表明,该因子的值(对于脱钙C-S-H)对降解的动力学几乎没有影响。
材料的特性
为了得到运行所需要的输入数据模型，六种不同的混凝土混合物被投入和测试，测试变量包括的水泥类型（CSA型10和CSA类型50）以及w = C比（0.45，0.65和0.75）。六种混凝土混合物的特性列在表3，两种水泥的化学和矿物学成分概括于表4。
所有的混合物都用一种天然含硅的沙子和一种粉碎的花岗岩石材制备。用于制备混凝土的粗骨料混合物的最大尺寸是14毫米。
在逆流锅制备所有的混合物（容量 =0.1立方米），骨料（粗砂和细砂）和水泥在搅拌机里第一个被加入，并混合1分钟来使材料均匀化。然后将水加入到干的材料中，这一过程经过30秒。混凝土最初被混合3分钟，然后暂停3分钟，混凝土再混合2分钟。为了模拟连续混合，在20分钟内将混凝土每5分钟混合30秒。
新鲜的混凝土混合物投放在塑料模具（直径为100毫米，高度为200毫米）中。模具按照 CSA A23.2–3C（加拿大版 ASTM C192/C 192M-95）的要求分别由三个层次连接，样品铸造大约24小时后脱模，并密封在铝箔91天，以避免与周围环境中的任何水分交换。
在固化期结束时，切断25毫米厚的圆盘被用于氯离子的迁移测试。迁移试验被用来确定各种混合物中的离子种类的扩散系数。在测试之前，所有样品第一次浸渍在300毫摩尔/升的NaOH溶液中并真空饱和约48小时。在饱和期之后，如图1所示将样品安装在一个由两个舱室（个人能力31）组成的迁移室中，上游舱由300毫摩尔/升的NaOH溶液和500毫摩尔/升的NaCl溶液所填充，将300毫摩尔/升的NaOH溶液置于下游舱。试验溶液的高pH值有助于减少实验过程中微结构变化的风险。然后进行迁移设置，施加约12伏的电势以加速氯化物通过样品。在试验的整个持续期间保持23摄氏度的恒定温度。
在历时大约5天的试验中，通过该系统中的循环电流被定期测量。STADIUM的一个特殊版本叫STADIUM-ACC，是用来分析迁移测试数据和计算扩散系数。关于该分析更多的信息可以在其他地方找到（见
[39]），结果总结于表5和表6。
根据由Longuet et al[40]和Diamond[41]中描述的方法提取每个混合物的孔隙溶液。样品置于提取室并在压力大约300兆帕下粉碎。通常情况下，提取2-5毫升孔隙溶液，为了避免暴露于大气中将该溶液通过漏极环和信道递送，并在注射器中恢复。在提取试验不久后进行了孔隙溶液的化学分析，为了遵守电中性的状态将溶液的成分进行了调整，电中性间的细微差别能够产生由于与提取步骤相关联的实验误差，调整后的孔隙溶液的数据在表5和6中给出。
另一系列的样品根据STM C642的要求，进行了孔隙率测量。结果也示于表5和表6。
六种混合物的水的扩散系数在核磁共振成像（NMRI)的基础上进行估计，测量结果执行在砂浆混合物上。模拟中使用的水的扩散系数总结在表5和表6。
为了运行模型，必须知道初始的该材料中的每个固相的量。计算氢氧化钙和C-S-H的初始量，通过假设包含在水泥中的C2S和C3S完全水合（alpha;=1），并使用以下公式：
通过考虑所有已经与反应的加入到水化水泥的石膏计算钙矾石（▪▪▪)的初始量,剩余的和包含在中50％的氧化铝，被假设已经反应以形成水榴石（▪▪)。计算出的数量示于表5和表6。
4.数值模拟的描述
4.1 基本信息
对混凝土板在被硫酸盐污染的土壤的典型案例中的所有数值模拟进行了审议。在所有情况下，板坯的厚度固定在15厘米，板坯的底部部分是被认为直接与土壤接触（包含和离子）。此外，有人认为板坯的顶部表面上是毫无覆盖的，并直接与外部环境相接触。
所有的模拟是在假设混凝土板保持在等温条件25℃下进行的。此外，碳化作用的影响在数值模拟中不被考虑。
4.2 边界条件
在所有的数值模拟，边界条件在混凝土的整个使用寿命期间保持恒定。并且考虑两种类型的曝露条件。在第一种情况中，底部的（饱和的）混凝土板的表面被假设处于与一个完全饱和的土壤直接接触（相湿度等于100％）的状态中。板坯上方的空气也被保持在100％的相对湿度。在该初始情况下，离子基本上通过扩散运输，水通量通过毛细管吸入是零运输。
在第二种模拟过程中，板坯的底部部分被假定为处于与一个部分饱和土壤（相对湿度等于90％）和上坯上部保持在75％相对湿度的空气接触的状态中。第二种情况下，离子通过扩散和平流（毛细吸入）在部分饱和的混凝土中传输。
在所有情况下，与混凝土板接触的土壤被认为是被硫酸钠溶液污染。模拟在五种不同浓度的中运行，浓度范围为0〜30毫摩尔/升（i.e. 浓度范围为0〜60毫摩尔/升),其他所有离子的浓度（除和）假设为等于零。在所有的模拟中，邻近板坯的上部的离子通量被认为是零。
4.3 初始条件
在所有模拟中，混凝土被认为进行初始损坏。为了建立一个参考点电位的初始值Psi;在材料的任何部位都设定为零。在模拟期间板坯下半部分的电势也被维持在零。孔的初始成分溶液和所有的混合物的孔隙率在表5和6中给出。
数值模拟的结果
数值模拟表明，混凝土曝露于弱硫酸钠环境中可能会导致其内部微结构产生一个重要的重组。一个典型的例子示于图2。给出了一个CSA50型水泥并已经被暴露在饱和条件下10毫摩尔硫酸20年的0.65W /C比混凝土中的氢氧化钙（氢氧），C-S-H，钙矾石，水榴石和石膏的分布。如图所示，该图的左侧对应于与土壤（底下一部分）直接接触的板坯的表面。
图2表示混凝土的内部微观
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