论文总字数：17798字

摘 要

本文旨在比较分析不同珊瑚砂水泥砂浆在硫酸盐侵蚀情况下的工作性能，以期寻找到能够满足各项实际需求指标的珊瑚砂混凝土。为此，实验从已有文献资料出发，通过合理的颗粒级配制备了不同配比的珊瑚砂水泥砂浆，并测定了其早期强度。本文还结合了硫酸盐侵蚀机理，着重探讨了珊瑚砂水泥砂浆中可能发生的4种硫酸盐侵蚀类型，并给出了合理的性能预测。相关结果表明，用硫铝酸盐水泥以合适的水灰比、较低的水泥珊瑚砂配合比配置的珊瑚砂水泥砂浆，能够凭借其较高的致密度和反应难度，最为有效地延缓各型硫酸盐侵蚀反应速率，成为硫酸盐侵蚀环境中较为理想的建筑材料。

关键词：珊瑚砂混凝土 硫酸盐侵蚀 石膏侵蚀 碳硫硅钙石

目 录

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1文献综述 1

1.2研究思路 4

第二章 实验原料、仪器及步骤 6

2.1原料 6

2.2实验仪器 8

2.3实验设计 8

2.4材料性能测试方法 10

2.4.1抗压强度测定 10

2.4.2膨胀收缩率 10

2.4.3孔隙率 10

第三章 珊瑚砂水泥砂浆早期性能与硫酸盐侵蚀性能 12

3.1珊瑚颗粒级配、吸水率及水泥砂浆早期性能 12

3.1.1颗粒级配的基本概念和原理 12

3.1.2实验级配 13

3.1.3珊瑚砂吸水率 13

3.1.4珊瑚砂水泥砂浆早期性能 13

3.2珊瑚砂水泥砂浆硫酸盐侵蚀性能（预测） 14

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

1.1文献综述

随着我国海洋经济建设需求的扩大，远海岛礁建设中混凝土的应用被提上了议程。远洋海岛上无法获得淡水、碎石、河砂等建筑材料，而长途运输则受到距离和自然条件的制约。一些发达国家很早就开始研究使用珊瑚砂骨料代替河砂制备珊瑚砂混凝土，关于珊瑚砂水泥砂浆物理性质和微观结构方面的研究已成为了当下的热点。碳酸钙构成了珊瑚砂化学组成中的绝大部分，而文石或高镁方解石则支撑起了其主要的矿物组成^[1]。珊瑚砂的孔隙率极为可观，其孔体积接近总体积的一半。根据珊瑚砂孔隙在颗粒中分布位置的差异，可将其划分为外部孔与内部孔。作为天然轻骨料的一种，珊瑚砂的自身特质显然将在珊瑚砂混凝土的各项工作性能中发挥决定性的影响。

在对硂进行工艺设计时，珊瑚砂水泥砂浆的抗压强度是最为基础的参考数值之一。Arumugam和Ramamurthy对珊瑚砂骨料的物理性质进行了系统地研究^[2]。珊瑚砂骨料与河砂骨料相比，具有更低的密度、更高的吸水率和更低的表面光滑度。较小的细度模量也是其重要特征之一。以相同的措施制备普通水泥砂浆和珊瑚砂水泥砂浆时，有研究表明，二者的抗压强度基本相同，而珊瑚砂混凝土的抗折强度略低。Cheng等人^[4]测试了珊瑚砂混凝土试样在3、7和28天的抗压强度。他们认为，普通骨料混凝土与珊瑚砂骨料混凝土相比较而言，后者因其内部固化促进了水泥的水化作用，从而表现出了更高的早期强度发展。此外，珊瑚砂骨料的细度模数小于河砂，骨料和水泥浆之间的空隙更易被填充，从而使混凝土结构致密。汤杰等人^[5]发现，增加1-2mm珊瑚细砂的掺量有助于充分填充混凝土内部的空隙。显然，这一举措大幅度提高了珊瑚砂水泥砂浆的致密性和强度。然而，珊瑚砂骨料较高的孔隙率注定了用其制备砂浆必将有着较大的收缩率。这使得珊瑚砂混凝土的长期强度难以满足实际需求。将珊瑚砂骨料配合辅助胶凝材料后，后者的活性组分将与水泥中的CH等反应生成水化硅酸钙、钙矾石等产物，对珊瑚砂水泥砂浆后期抗压强度的增加有较大助益。

骨料和珊瑚混凝土的生产与常规的集料和混凝土技术相似。据已有的现场评估表明^[6]，珊瑚砂混凝土最明显的结构劣化之一是与钢筋腐蚀相关的混凝土开裂和剥落。不管是在珊瑚砂混凝土中还是在常规河砂混凝土中，钢材可能的侵蚀机理均为电化学氧化还原反应，反应的氧化或阳极部分反应式为：

Fe → Fe² 2e^-

还原或阴极部分反应式为：

O₂ 2H₂O 4e^- → 4(OH)^-

氧化还原反应平衡后腐蚀才得以进行。使用高质量、低渗透性的混凝土将有助于降低氧气和氯离子向金属表面的传输速率，由此就可以控制氧化还原反应的反应速率。这便对珊瑚砂砂浆在渗透性等方面的表现提出了较高要求。珊瑚砂水泥砂浆的渗透性由其内部的孔隙率和连通性所表露，混凝土孔结构的总体状态由毛细吸水率所决定。一般情况下，较高的吸水率反映出混凝土中有着较高的孔隙率和渗透性。K. Mermerdas^[7]的研究表明，珊瑚砂混凝土的毛细管吸水率与碳化深度的变化趋势相似。在7天的早期阶段，珊瑚砂混凝土显示出了比河砂混凝土更低的毛细管吸水率和碳化深度。但是，在28天时，珊瑚砂混凝土的毛细管吸水率和碳化深度的结果高于河砂混凝土。

珊瑚砂砂浆的氯离子扩散系数也应控制在一个合理的范围内。有实验表明，0.2%浓度的氯化钠溶液会对钢材的钝化效应产生显著影响，极大削弱了珊瑚砂钢筋混凝土在实际运用中的耐久性。珊瑚砂混凝土的氯离子交换作用与溶液盐浓度有关，溶液盐度与侵蚀作用两者呈正相关。此外，随着珊瑚砂孔隙的增加，离子渗透性预计也将不断提高。然而，Sun等人^[4]研究了3、7、14和28天时珊瑚砂水泥砂浆的氯离子扩散系数。研究表明，在所有测试龄期中，珊瑚砂混凝土都能够比河砂混凝土更好地抵抗氯离子渗透，且氯离子的渗透性与珊瑚砂混凝土的吸水和碳化特性无关。另外，已经证明，高炉矿渣和偏高岭土的掺入将导致珊瑚砂混凝土的氯化物扩散系数降低70%以上。其可能的原理是珊瑚砂骨料压缩了水泥砂浆的孔隙结构，反而大大降低了珊瑚砂水泥砂浆的离子渗透性。辅助胶凝材料的掺入则进一步改善了空隙网络并减少了氯离子渗透通道。除此之外，随着氯离子渗透性的下降，珊瑚砂混凝土的吸水性和抗压强度也得到了一定程度上的改善。

已有研究结果表明，延长固化时间对掺有辅助胶凝材料的河砂骨料水泥砂浆的干燥收缩率影响有限。然而，Cheng等人^[4]研究了混凝土试样49天内的干燥收缩特性。他们发现在7天后，珊瑚砂混凝土与河砂混凝土的干燥收缩率呈现出了显著的差异化趋势。珊瑚砂混凝土的干燥收缩率迅速发展并将干燥收缩值保持在了一个相对更高的水平。Li等人^[8]的研究表明，随着试样中珊瑚砂骨料的质量占比的上升，珊瑚砂骨料混凝土的干燥收缩率也不断上升。珊瑚砂骨料的低刚度、高吸水率和高孔隙率等特性可能与这一研究结果相关联。Zhang ^[9]等人对掺有高炉矿渣和减水剂的砂浆进行了研究。他们通过观察微观结构，发现砂浆的干燥收缩率与孔体积显著相关。随着毛细孔体积的变大，试样的干燥收缩率也不断变大，而中孔较小的孔体积则能够有效地降低干燥收缩率。因此，Cheng等人^[4]在制备珊瑚砂混凝土时又增设了掺有辅助胶凝材料的实验组。进一步的实验结果显示，其干缩率相较于未掺杂的珊瑚砂水泥砂浆而言有一个显著下降。现有理论认为，二次火山灰反应形成的额外水化产物相及其填料效应，导致了干燥收缩率的降低。而早期发生的内部固化也在降低干燥收缩率方面发挥了相应的作用。此外，在河砂骨料混凝土中，减水剂的加入显著抑制了干燥收缩应变曲线的上升。这是因为减水剂的使用可以使孔结构重新分布，令50 nm以下的中孔成为孔结构的主体组成部分，最终使得珊瑚砂混凝土的干缩曲线始终无法大幅升高。在一定范围内，减水剂的掺量越高，干燥收缩率越小。综上所述，本实验还将探究减水剂掺量对珊瑚砂水泥砂浆各项工作性能的影响。

大量研究表明，硫酸盐侵蚀的发生与水泥组分中的C₃A密不可分。在珊瑚砂水泥砂浆硬化时，C₃A与周围环境中的硫酸盐发生了一系列的物理化学变化，生成的过量钙矾石使得混凝土膨胀开裂。此外，硫酸盐侵蚀的发生还与混凝土中所含的碳酸钙质材料或环境中存在的可溶性碳酸盐密切相关^[10]。MgSO₄型硫酸盐侵蚀因其巨大的破坏性，更是值得引起警惕。尹耿等人^[11]进一步研究了矿物掺合料在超细水泥基材料中的影响。他们发现掺入的辅助胶凝材料显著放缓了混凝土和硫酸盐间的反应速率。更高的辅助胶凝材料掺量使得硂能够更为有效地抵抗上述类型的硫酸盐侵蚀。更深入的珊瑚砂水泥砂浆硫酸盐侵蚀反应机理将在下文中着重讨论。

请支付后下载全文，论文总字数：17798字