摘 要

在沿海或岛礁建设中，就地取材将珊瑚礁砂用于海工混凝土，但多用作骨料，珊瑚礁砂主要成分是碳酸钙，亦可用作混合材，面临着硫酸盐侵蚀问题，混凝土中存在早期裂纹将加速硫酸盐侵蚀，本文研究微裂纹在硫酸盐侵蚀中对以珊瑚礁砂和石灰石粉为混合材的水泥浆体抗侵蚀性能影响。通过调整珊瑚礁砂掺量（0、10%、20%、30%）的方式，在施加微压力、高温养护、干湿交替养护下产生裂纹，测定砂浆的抗压强度、收缩膨胀率、水化产物和孔径率分布等，与同掺量石灰石砂浆进行对比分析。结果表明，掺珊瑚礁砂的砂浆抗硫酸盐侵蚀性能优于掺石灰石，微裂纹存在时砂浆在硫酸盐侵蚀时强度损失更大。微裂纹存在情况下，掺入珊瑚礁砂的砂浆膨胀收缩率低。掺入珊瑚砂会增加砂浆孔隙率与临界孔径，微裂纹砂浆孔径普遍分布在0.1μm后，高温养护产生的孔隙更多。14天XRD结果表明掺珊瑚礁砂较石灰石水化生成更多钙矾石。

关键词：微裂纹 珊瑚礁砂 混合材 硫酸盐侵蚀

Effect of Early Micro-cracks on Sulfate Attack Performance of Limestone Cement Mortar

Abstract

In coastal or island reef construction, coral reef sand is used for marine concrete based on local materials, but it is mostly used as aggregate. Coral reef sand is mainly composed of calcium carbonate and can also be used as mixed materials. It faces the problem of sulfate erosion. Early cracks in concrete will accelerate sulfate erosion. This paper studies the effect of microcracks on the erosion resistance of cement paste with coral reef sand and limestone powder as mixed materials in sulfate erosion. By adjusting the dosage of coral reef sand (0,10%, 20%, 30%), cracks are generated under micro-pressure, high-temperature curing and alternate drying and wetting curing. The compressive strength, shrinkage expansion rate, hydration products and pore size distribution of mortar are measured and compared with limestone mortar with the same dosage. The results show that mortar mixed with coral reef sand has better sulfate erosion resistance than mortar mixed with limestone, and the strength loss of mortar in sulfate erosion is greater when microcracks exist. In the presence of microcracks, mortar mixed with coral reef sand has low expansion and contraction rate. Adding coral sand will increase the porosity and critical pore diameter of mortar. The pore diameter of microcracked mortar is generally distributed at 0.1μm, and more pores will be generated by high temperature curing. XRD results for 14 days show that more ettringite is produced by hydration of coral reef sand than limestone.

Key words: Microcrack; Coral reef sand; Mixed material; Sulfate attack

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 石灰石质材料在水泥混凝土中的应用 1

1.2 掺石灰石质混凝土抗硫酸盐侵蚀 2

1.3 微裂纹对侵蚀的影响 4

1.4 研究内容、目的 5

第二章 实验原料和实验方法 6

2.1 实验原料 6

2.2 主要实验仪器 8

2.3实验方法 9

2.3.1 实验设计 9

2.2.2 抗压强度测试 10

2.2.3 膨胀收缩率测定 10

2.2.4 XRD测试 11

2.2.5 压汞孔隙率测定 11

第三章 早期裂纹对混凝土抗侵蚀的影响 12

3.1 早期裂纹表征 12

3.2 微压力裂纹 12

3.3 高温养护裂纹 17

3.4 干湿交替养护裂纹 22

第四章 结论与展望 27

4.1 实验结论 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

石灰石质材料在水泥混凝土中的应用

大量使用的石灰石质材料，主要化学成分是碳酸钙，可以用在水泥混凝土中，能起到降低成本、促进研磨等作用，水泥生产中可能采用的石灰石质材料包括天然石灰石，珊瑚礁砂，贝壳等，其中天然石灰石最为常用。

石灰石的主要矿物组成是方解石，还混有些许白云石、石英和黏土矿物等杂质^[1]。主要化学性质是石灰石的在温度较高的条件下，易分解成氧化钙和二氧化碳。除了上述主要性质外还有其他的化学性质，例如：抗化学性、抗酸的性状和抗各种气体的性状^[2]。石灰石在自然界多呈显浅灰色或者黄褐色，比重大致为2.65～2.80。石灰石比较坚固，大块的石灰石（俗称片石）往往被用来当作建筑物的基，它的极限抗压强度在200至1500kg/cm³，莫氏硬度为2～3，以上都是石灰石的一些物理性质。另外石灰石的质地较为细腻，所以能吸收的水分较少，仅仅约为自身的5%，不过在其干燥状态下，吸收水分并不会引起自身的体积变化，而且石灰石吸收水分后，在寒冷状态下也不会因为冰冻破碎。

石灰石粉在水泥混凝土中的掺加方式大致上分为两种：一是石灰石取代骨料。二是石灰石粉取代部分水泥，以混合材加入水泥中^[3]。石灰石粉对水泥混凝土产生的影响不同分别对应于不同的掺入方式、不同掺量以及不同的掺入细度，在实验过程中应考虑研究条件不同带来的影响。石灰石的活性较低，但是掺入入水泥混凝土中往往起到一些改善作用，又恰好不对其本身的性能产生大的影响。掺入石灰石粉的改善作用有：1)石灰石粉的掺入将会提高C₃S的早期水化速度，早期放热速度快放热量大导致终凝提前^[4]，提高早期(3d)的强度。其加速作用主要源于两个方面：一方面石灰石会参与水泥化学反应生成水化产物碳铝酸钙^[5]，而且碳铝酸钙可以为水泥混凝土提供早期强度；另一方面石灰石在水泥的水化过程中起到了结晶核作用，诱导水化产物围绕石灰石粉粒析晶，加速水泥水化作用^[6]，这种作用的效果取决于石灰石粉颗粒细度，石灰石粉颗粒细度越细作用越明显，但这种加速效应仅仅在早期较为明显，28d后可以被忽略不计。2)石灰石粉还可以改善水泥混凝土的和易性，减少搅拌的泌水和离析等现象，尤其能改善自密实混凝土(selfcompacting concrete, SCC)的流变性质，能显著提高SCC拌合物的流动速度^[7]。3) 粒径小的石灰石粉掺入到水泥混凝土中，可以改善水泥孔结构，提高抗渗性^[8]，也有研究表明石灰石粉可增大水泥混凝土的孔隙率。4）当石灰石粉作为内掺一部分取代水泥以后，初期参与水化的水泥熟料较之前相对减少，水胶比例变大，混凝土坍落度也随着增大；混凝土体系的自由水含量也会随着石灰石粉细度产生变化，细度越大其中的自由水含量相对增加，且细度更大的石灰石粉填充效果更好^[9]。

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