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混凝土材料在海水侵蚀下的产物-钙钒石

已有 10652 次阅读 2009-1-5 18:32 |个人分类:学术研究|系统分类:科研笔记| 混凝土, 海水, 侵蚀, 硫酸盐

来力学所读博参与金属玻璃力学行为研究之前,我主要的研究方向是混凝土材料在海水侵蚀下的损伤破坏机理研究.硕士论文的题目是"海水侵蚀下混凝土材料的微结构演化及宏观力学性能的研究".下面是论文的摘要:

本文以淮河入海水道滨海枢纽工程混凝土抗侵蚀性研究为工程背景,对海水侵蚀条件下混凝土材料的微结构演化及宏观力学性能进行了研究。将连续损伤力学理论和细观力学理论结合,给出了考虑孔洞内压和基体损伤演化的混凝土材料的宏观本构关系,并且根据得到的本构关系提出了海水侵蚀下混凝土材料有效弹性模量的一个演化模型。
首先,采用微观实验方法对砂浆中的钙矾石的生长规律进行了研究,通过定量X衍射分析测定了钙矾石含量随侵蚀时间的演化规律。制备了纯钙矾石晶体,应用环境扫描电子显微镜(ESEM)的冷台状态原位观测了晶体的形成、生长规律,并且定期观察了不同浓度硫酸盐侵蚀条件下砂浆内部微观结构随侵蚀时间的演化规律。实验研究的成果为第四章的细观理论分析提供了依据和验证。
其次,采用普通硅酸盐水泥,分别配制了水灰比在0.4-0.8范围内的水泥砂浆试件,采用宏观的加速、对比腐蚀实验,研究了水泥砂浆材料在硫酸盐侵蚀条件下,其动弹性模量、抗压强度、线膨胀量和抗折强度随侵蚀时间的演化规律,并且通过微观实验(环境扫描电镜观测(ESEM)X射线衍射分析(XRD)以及能谱分析(X-EDS))分析了宏观力学性能演化的机理。分析表明:硫酸盐侵蚀混凝土材料,从而引起材料宏观力学性能演化这一过程本质上包含两个问题:一是化学问题即硫酸盐渗透导致钙矾石形成,引起混凝土材料凝聚性降低,导致强度降低;二是力学问题即钙矾石形成后,其自身的结构特性、力学性能以及生长对混凝土材料的相互作用导致混凝土材料中微损伤发展,引起材料宏观力学性能的演化,并最终使材料耐久性降低形成破坏。

最后,应用损伤力学和细观力学相关理论,研究了海水侵蚀环境下混凝土材料的宏观本构关系,并且基于本构关系提出了海水侵蚀下混凝土材料的有效模量演化模型。首先将钙矾石的影响等效为孔洞内压和基体内的微损伤,把混凝土材料看成两相模型——含内压的圆球形孔洞和含微损伤的固体基体;其次,在考虑孔洞内压的基础上,研究了海水侵蚀下混凝土材料的宏观本构关系,在该本构关系的研究中,考虑了损伤演化的影响;最后根据得到的本构关系提出了海水侵蚀下混凝土材料的有效模量演化模型。针对一维应力加载方式,对此有效模量模型进行了数值计算,并且应用此模型,选取一定参数对宏观实验结果进行了曲线拟合,拟合结果表明,此模型可以很好的描述已有的实验结果。计算结果指出:海水侵蚀初期,混凝土材料模量持续增长,接着经过一个相对长期的稳定阶段后,模量迅速下降,形成破坏。讨论了孔洞应力在一维应力加载方式下对混凝土材料宏观本构关系的影响。研究表明:孔洞应力不仅对材料的有效模量有一定的削弱作用,而且在材料中形成一个初应变(或者初应力),孔洞应力越大,此削弱作用越强,初应变(或者初应力)也越大。

当时这个研究工作对于我后来读博做科研的帮助还是蛮大的.通过上述的论文工作,一些的基本实验工具以及涉及到材料方面的研究手段都大致接触到了.有的甚至能够进行熟练的操作.记得当时的实验工作量很大,历时很长,这种侵蚀实验(虽然加速了),一般都是以月为单位周期计算的.当时这个工作是导师的新项目,就我一个人参与,整整做了1年半,每周都要把SEM,TG-DTA,XRD,无损检测,抗折,线膨胀几个实验轮一遍.

下面是当时的浸泡试样的箱子和一些养护中的试样:





这几年,基于我当时的实验工作,课题组通过理论分析,陆续有几篇不错(在工程领域)的文章发表(具体可以见我以前的文章),作为第二作者,我也是非常高兴,毕竟当时的工作没有白费,也得到了认可.

下面几篇文章中使用的我当时拍的电镜照片(版权所有):







不知道这里有没有同行.欢迎讨论讨论.

从混凝土材料的研究转到非晶态合金材料的研究,虽然跨度有点大.但是研究材料的一些基本过程还是相通的.而且,从结构无序这点来看,它们还是一家呢.虽然一个是微米甚至毫米尺度颗粒的无序,另一个是原子尺度的结构无序(如下图所示).

 



(Science 2007, Liu et al.)

https://blog.sciencenet.cn/blog-43310-208715.html

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