摘 要

冻融侵蚀对混凝土工程的侵蚀破坏是极为严重的一个因素，因此研究冻融侵蚀对水泥基材料的研究十分有必要。而且遍观之前国内外关于冻融对高强度混凝土材料力学性能研究并没有进行，因此本课题的研究对于高性能水泥基海工材料在冻融条件下的性能变化有很大的开创性意义。

本课题实验研究中，通过对经过循环侵蚀的试件进行质量损失、抗压强度、膨胀率测试，并与普通材料对比，确定高性能材料具有各项优于同实验条件下的普通材料试件，为以后海工材料选用具有指导性作用。通过对试样进行XRD和电子显微表征，可以确定Ca(OH)₂损失转变生成钙矾石对混凝土材料性能影响巨大。如何降低Ca(OH)₂转变，可以极大提升混凝土性能。

关键词：氯离子侵蚀 硫酸盐侵蚀 冻融循环 质量损失 抗压强度 膨胀率

Effect of Freeze - thaw Cycling on Mechanical Properties of Cement - based Marine Materials

Abstract

Frozen-thaw erosion is a very serious factor in the erosion and damage of concrete engineering. Therefore, it is necessary to study the freeze-thaw erosion on cement-based materials. However, the research on the mechanical properties of high-strength cement-based marine materials under freezing and thawing conditions is of great significance for the study of the mechanical properties of high-strength concrete materials at home and abroad.

In the experimental study of this subject, the quality loss, compressive strength and expansion rate of the specimen subjected to cyclic erosion were compared with those of ordinary materials, and the high-performance materials were found to be superior to those of ordinary materials under the same experimental conditions , For the future selection of marine materials have a guiding role. Through the XRD and electron microscopic characterization of the samples, it can be determined that Ca (OH)₂ loss and conversion of ettringite has a great influence on the properties of concrete. How to reduce the Ca(OH)₂ conversion, can greatly enhance the performance of concrete.

Key words：Chloride ion erosion ,Sulfate attack ,Freeze-thaw cycle

Quality loss, Compressive strength, Expansion rate

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 海水侵蚀对水泥基海工材料力学性能影响 2

1.2.1 氯离子对水泥基海工材料的侵蚀 2

1.2.2 硫酸盐对水泥基海工材料的侵蚀 2

1.3 冻融对水泥基海工材料力学性能研究进展 3

1.3.1 国内研究进展 3

1.3.2 国外研究进展 4

1.5 研究内容和技术路线 5

1.5.1 研究内容 5

1.5.2 技术路线 6

第二章实验原材料及方法 6

2.1模拟海水配置 6

2.2 实验原材料 6

2.3 实验器材 7

2.4 试验方法 8

2.4.1 实验前准备 8

2.4.2 成型流程 9

2.4.3 养护制度 9

2.4.4 抗压强度测试 9

2.4.5 膨胀率测试 9

2.4.6 质量测试 9

2.5 试验方案 10

3.1 试样质量变化 11

3.2 抗压强度变化 11

3.3 膨胀率变化 12

3.4 微观结构分析 13

3.5 X射线衍射分析 21

4.1 实验结论 23

4.2 未来展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景

自19世纪水泥问世，到现代，水泥早已成为传统材料中的一员，而且随着混凝土的广泛使用，水泥材料已经成为当代各种大型建筑基础材料。90年代召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，有学者做了题为“混凝土耐久性—年进展”的主题报告，报告中表明，氯离子对钢筋的锈蚀、冻融循环下的混凝土侵蚀、混凝土使用环境中物理化学作用^[1]都是对混凝土材料侵蚀有着极其重大的影响。其中冻融侵蚀对混凝土工程的侵蚀破坏是极为严重的一个因素，冻融侵蚀对水泥基材料性能影响的研究非常重要。而且遍观之前国内外关于冻融对高强度混凝土材料力学性能研究并没有进行，因此本课题的研究对于高性能水泥基海工材料在冻融条件下的性能变化有很大的开创性意义。

在冬天严寒条件下，周期性的冰冻和融化使混凝土材料遭受很大的侵蚀破坏，这些循环混凝土的耐久性^[2]有着非常大的影响，特别是在北方更加寒冷的地区，混凝土材料的耐久性与其在冰天雪地中的冻融环境密切相关。严寒地区混凝土建筑设施如:混凝土桥墩、公路、海洋作业时候的基础平台、大坝等等都要承受着冻融侵蚀。根据之前的全国海工建筑设施在使用的年限调查中^[3],数据资料显示，在调查中的三十多座大型混凝土建筑工程、四十多多座小型混凝土工程中，超过百分之二十的水工建筑设施都存在冻融侵蚀导致设施破坏的问题，这些问题主要集中在靠近北方的寒冷地区的混凝土设施中。在冬季严寒尤其靠北的地方，很大部分的水工混凝土建筑设施，整体或者一些部位都遭受了冻融循环而导致的结构损伤。除了特别靠近北方的严寒地区以外，位于东部地区的混凝土建筑设施，也会出现轻微程度的冻融破坏。根据80年代美国在关于冻融侵蚀造成的损失调查统计中，超过五十多万座桥体，尤其是桥墩，在冻融循环中出现腐蚀现象，有接近十万座桥需要整修，维修费用惊人。据统计仅在1978年一年，因为冻融侵蚀破坏造成的桥体整修费用损失已经达到了百亿美元之巨^[4].而且这些结果并未算上小型水利设施，如果加上更加普遍和数量难以统计的小型水泥设施那么经济损失要大得多。如果能在冻融破坏上对水泥基海工材料力学性能研究取得突破，那么将节省巨大的人力物力成本，意义重大。

冻融循环的热胀冷缩会导致混凝土外部开裂脱落，形成不可逆转的裂缝，空气或者介质中的酸性气体，二氧化碳等就会进入到混凝土孔隙中，造成混凝土的钢筋锈蚀，生成产物体积增大，导致混凝土内部产生应力，从而使混凝土开裂，开裂的混凝土又会引入更多气体，如此循环，直到混凝土中的结构反应殆尽，此时混凝土也失去了各项性能。所以如果想增强混凝土使用年限，就必须要加强混凝土在冻融条件下的各种性能变化，得到切实有效的科学依据，用于指导以后的生产。

1.2 海水侵蚀对水泥基海工材料力学性能影响

除却冻融破坏外，海水中的离子对水泥基海工材料的影响也尤为重要。海水中存在大量盐离子，除了海水在力学上的冲击外，更多的是这些离子对水泥基建筑设施造成的破坏。海水中含有丰富的离子如氯离子、镁离子、硫酸根等，这些离子存在的量占了海水中离子的绝大部分。

1.2.1 氯离子对水泥基海工材料的侵蚀

水泥基海工材料通常并不是单独使用，而是掺入钢筋混凝土加强其使用效能，混凝土中的钢筋腐蚀跟海水中的氯离子关系很大，正是氯离子的存在促进了水泥混凝土中的钢筋的锈蚀。氯离子本来就存在于一些水掺杂物中，还有一种就是海水中的氯离子通过各项途径渗透到混凝土内部孔隙中。氯离子一旦渗透到混凝土内部，就会与水泥的水化产物发生复杂的物理化学反应，生成的产物通常体积膨胀很多，导致了混凝土内部过大的压应力。

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