内容简介
《干湿交替下硫酸盐侵蚀混凝土传输-反应机制演变》围绕干湿交替环境下混凝土硫酸盐侵蚀问题，从混凝土力学与断裂性能演变、离子传输-反应机制、水化硅酸钙凝胶微结构演化及多尺度传输模型等方面开展基于硫酸盐侵蚀的混凝土劣化机理研究，系统总结混凝土硫酸盐侵蚀机理与实验室加速试验及表征方法，提出模拟混凝土真实服役环境的干湿循环制度，揭示混凝土在硫酸盐物理结晶-化学腐蚀双重侵蚀下的跨尺度损伤机理，建立混凝土缺陷演变与力学性能强关联的传输模型。
精彩书摘
第1章绪论
长期以来，传统观念中混凝土是一种坚固、耐用的建筑材料，但随着基础设施的大规模兴建与混凝土结构服役环境的日益多样，大量混凝土结构因面临耐久性病害而损伤劣化，由此引发的安全隐患严重威胁到工程结构的服役性态（孙伟，2015）。综观国际混凝土科技发展历程，发达国家诸多在役工程结构已逐渐显露提前失效迹象。例如，美国自20世纪80年代起用于维护既有工程结构的经费占比已超过建筑行业总投入的50%，英国每年花费约207亿英镑用于海洋钢筋混凝土结构的加固与维修，日本服役20年以上的港口工程均出现结构腐蚀，严重影响交运枢纽运营。工程结构的耐久性和服役安全已经成为影响社会经济与可持续发展的关键问题（牛荻涛，2003）。
硫酸盐侵蚀是水工混凝土结构耐久性病害的主要原因，也是影响因素*广泛、劣化机理*复杂、危害性*严重的一种环境水侵蚀（Neville，2004；Santhanam et al.，2001）。侵入混凝土后，打破了原孔隙溶液与基体之间的平衡状态（Zouetal.，2021），以吉布斯自由能*小化为驱动发生一系列化学反应，致使钙矾石、石膏或碳硫硅钙石等膨胀性物质析出（刘赞群等，2017;左晓宝和孙伟，2009），从而引起混凝土微观结构劣化累积和细观裂隙萌生扩展，导致混凝土表层膨胀、剥落及宏观性能退化，而干湿交替作用是加速硫酸盐侵蚀效应*为显著的环境因素（Ikumietal.，2019；郭进军等，2018），如海洋环境、盐湖环境。水工混凝土结构（如顼、堤、隧洞、管道、桥梁等）在环境水浸泡下依靠扩散及毛细作用输送SO〗侵入混凝土基体，7JC位降低后借助水分的脱附与蒸发提升对流区混凝土中的浓度，固液、固固相变诱导生成的结晶产物的体积变形可达4～5倍（Steiger and Asmussen，2008；Neville，2004），显著提升了混凝土的劣化速率。图1.1绘制了干湿交替环境下硫酸盐侵蚀混凝土的基本机理。
硫酸盐在自然界中的分布极为广泛，海洋、河流、土壤及地下水中均含有大量可溶性硫酸盐。在我国，东南滨海地区，西北柴达木盆地和青海湖盆地的盐湖，西南酸雨覆盖区域的土壤，城镇的生活污水、工业废水，以及有机化合物分解物中都含有较高浓度的硫酸盐。例如，南海海区的海水平均盐度约为3.4%，硫酸盐是除氯盐外浓度*高的可溶性盐类，质量浓度约为2700mg/L（李秀珍等，2011）;青海盐湖卤水中硫酸根离子的质量浓度超过22290mg/L，是海洋环境下硫酸盐质量浓度的8倍以上（余红发，2004），属强腐蚀等级。近年来，由硫酸盐侵蚀造成的水工混凝土结构提前失效事故屡见不鲜，如新疆某水电站左现肩弓I水洞的竖井混凝土建设半年后因硫酸盐结晶膨胀、侵蚀产生严重结构性腐蚀（邓铭江等，2000），甘肃盐锅峡水电站的14个顼段长期遭到硫酸盐侵蚀，多个部位的混凝土强度接近于零（高培伟等，2005）。
21世纪以来，我国的基础设施建设取得了历史性成就，城镇化高速发展，整体水平实现跨越式提升，有力支撑、保障了经济社会发展。依据国家“十四五”发展规划，水利、土木、交通等基础设施的建设重心正逐渐由中东部地区向西北、西南地区转移。在“西部大开发”新格局稳步推进的背景下，川藏铁路、南水北调西线、雅鲁藏布江水电开发、额尔齐斯河流域开发等一大批跨区域资源配置工程将为西部地区破除发展瓶颈蓄势聚能。同时，随着“海洋强国”重大国家战略的部署，我国海洋（水工）建筑的建设规模日趋增大，渤海海峡跨海通道、台湾海峡大桥、琼州海峡跨海通道和南海岛礁建造等千亿级工程将为国家海洋属性增长发挥重要推动作用。然而，“进藏”“跨海”等重大战略工程的结构混凝土面临严酷服役环境的挑战（图1.2）。针对胁迫水工混凝土结构服役行为的病损灾变因素，研究侵蚀环境下水工结构混凝土性能的演变规律及劣化机理，对于推动国家碳达峰碳中和目标的实现和提升水工结构混凝土的耐久性并延长其服役寿命具有重要的工程意义。
综上所述，本书针对干湿循环下硫酸盐侵蚀水工混凝土的耐久性退化问题展开研究。考虑到温-湿-盐耦合赋存服役环境下，so〗-会通过单一及协同作用以纳一微一细一宏多尺度的损伤为源头进行劣化驱动，导致混凝土材料的性能演化呈现多尺度耦联的特征（图1.3），水工结构混凝土的服役性态与硫酸盐侵蚀环境因素之间多为非解析函数关系，因此，跨尺度分析混凝土材料的时空演变特征，揭示干湿循环下硫酸盐侵蚀混凝土的多尺度损伤机理是研究水工混凝土材料与结构耐久性设计的基础问题。**，进行干湿循环制度影响下的硫酸盐侵蚀混凝土力学性能试验，分析干湿循环参数对混凝土性
能劣化的影响规律；第二，借助离子色谱仪（ion chromatograph，IC）、电子探针显微分析仪（electron probe microanalyzer，EPMA）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析仪、透射电镜（transmission electron microscope，TEM）和固体核磁共振（solid state nuclear magnetic resonance，SSNMR）波谱仪等微观测试仪器对干湿循环损伤混凝土的
微
目录
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第1章 绪论 1
第2章 混凝土硫酸盐侵蚀研究 4
2.1 硫酸盐侵蚀机理 4
2.1.1 外部硫酸盐侵蚀 4
2.1.2 内部硫酸盐侵蚀 10
2.1.3 硫酸盐侵蚀混凝土的膨胀劣化 10
2.2 硫酸盐扩散-反应模型 12
2.3 硫酸盐侵蚀加速试验方法 16
2.3.1 电场 17
2.3.2 温度与浓度 17
2.3.3 pH 18
2.3.4 侵蚀制度 18
2.4 本章小结 20
第3章 硫酸盐侵蚀混凝土的表征方法 21
3.1 宏观尺度表征方法 21
3.1.1 膨胀变形 21
3.1.2 动弹性模量 22
3.1.3 水饱和度 22
3.2 细观尺度表征方法 23
3.2.1 孔结构 23
3.2.2 硫酸盐测定与表征方法 23
3.2.3 硫酸根离子浓度测试 25
3.3 微观尺度表征方法 29
3.3.1 形貌分析 29
3.3.2 物相组成分析 30
3.3.3 化学结构分析 30
3.4 本章小结 31
第4章 干湿交替下硫酸盐侵蚀混凝土的力学性能演化机理研究 32
4.1 混凝土干湿循环研究现状 32
4.1.1 干湿循环的定义与侵蚀机理 32
4.1.2 硫酸盐侵蚀下的干湿循环方式 33
4.1.3 侵蚀试验下的干湿循环制度 35
4.2 试验概况 36
4.2.1 试验材料与配合比设计 36
4.2.2 试验方法 39
4.3 不同干湿比下硫酸盐侵蚀混凝土的损伤效应和机理 41
4.3.1 干湿比对硫酸盐侵蚀混凝土力学性能演化规律的影响 41
4.3.2 干湿比对混凝土硫酸盐侵蚀机理的影响 45
4.4 不同循环周期下硫酸盐侵蚀混凝土的损伤效应和机理 54
4.4.1 循环周期对硫酸盐侵蚀混凝土力学性能演化规律的影响 54
4.4.2 循环周期对混凝土硫酸盐侵蚀机理的影响 66
4.5 不同干燥条件下硫酸盐侵蚀混凝土的损伤效应和机理 74
4.5.1 干燥条件对硫酸盐侵蚀混凝土力学性能演化规律的影响 74
4.5.2 干燥条件对混凝土硫酸盐侵蚀机理的影响 76
4.6 本章小结 82
第5章 干湿交替下硫酸盐侵蚀混凝土的断裂性能演化机理研究 84
5.1 断裂力学研究现状 84
5.1.1 断裂力学发展 84
5.1.2 混凝土断裂力学研究现状 84
5.1.3 混凝土断裂试验方法及研究现状 85
5.2 断裂性能研究试验概况 89
5.2.1 原材料 89
5.2.2 试验设计 91
5.2.3 试验原理和方法 95
5.3 硫酸盐侵蚀环境下掺合料混凝土力学性能研究 100
5.3.1 混凝土受硫酸盐侵蚀后的抗压强度变化规律 100
5.3.2 混凝土受硫酸盐侵蚀后的劈拉强度变化规律 105
5.3.3 混凝土受硫酸盐侵蚀后的质量变化 108
5.4 硫酸盐侵蚀环境下掺合料混凝土断裂性能研究 109
5.4.1 断裂韧度结果与分析 109
5.4.2 断裂能结果与分析 119
5.5 本章小结 123
第6章 干湿循环制度下硫酸根离子传输-反应机制研究 124
6.1 干湿循环制度对硫酸根离子传输行为的作用机制 124
6.1.1 水溶态硫酸根离子分布 124
6.1.2 酸溶态硫酸根离子分布 126
6.2 干湿循环制度对硫酸根离子传输-反应的影响机理 130
6.2.1 扩散系数的时变性 130
6.2.2 硫酸盐的传输效率分析 134
6.2.3 硫酸根离子传输-反应机理分析 137
6.3 干湿循环制度下硫酸根离子传输数值模拟分析 139
6.3.1 传输模型的建立 140
6.3.2 数值实现 143
6.3.3 数值模拟结果与验证 147
6.4 本章小结 157
第7章 干湿交替作用下C-(A)-S-H凝胶微结构演化研究 158
7.1 合成C-(A)-S-H凝胶的基本性质 158
7.1.1 合成方法 158
7.1.2 非**成核理论 159
7.1.3 凝胶结构与形貌特征 160
7.2 硫酸盐干湿循环下C-S-H凝胶微结构的演化规律 163
7.2.1 硫酸盐干湿循环侵蚀对C-S-H凝胶组成的影响 163
7.2.2 硫酸盐干湿循环侵蚀对C-S-H凝胶结构的影响 169
7.3 硫酸盐干湿循环下C-A-S-H凝胶微结构的演化规律 175
7.3.1 硫酸盐干湿循环侵蚀对C-A-S-H凝胶组成的影响 175
7.3.2 硫酸盐干湿循环侵蚀对C-A-S-H凝胶结构的影响 181
7.4 硫酸盐侵蚀C-(A)-S-H凝胶结构的动力学特性 189
7.4.1 模型描述与参数设置 190
7.4.2 结构演变 191
7.4.3 扩散过程 193
7.5 本章小结 194
第8章 考虑微结构损伤的硫酸根离子多尺度传输模型 196
8.1 多尺度传输模型研究现状 196
8.1.1 孔隙结构—耐久性耦合关系研究进展 196
8.1.2 多尺度孔隙网络渗透性理论瓶颈 197
8.1.3 分形理论在孔隙网络表征中的应用 198
8.2 考虑微损伤演化的多尺度传输模型构建 199
8.2.1 孔隙分形表征模型构建 199
8.2.2 干湿循环下硫酸盐多尺度传输模型 202
8.2.3 数值实现与
试读
第1章绪论
长期以来，传统观念中混凝土是一种坚固、耐用的建筑材料，但随着基础设施的大规模兴建与混凝土结构服役环境的日益多样，大量混凝土结构因面临耐久性病害而损伤劣化，由此引发的安全隐患严重威胁到工程结构的服役性态（孙伟，2015）。综观国际混凝土科技发展历程，发达国家诸多在役工程结构已逐渐显露提前失效迹象。例如，美国自20世纪80年代起用于维护既有工程结构的经费占比已超过建筑行业总投入的50%，英国每年花费约207亿英镑用于海洋钢筋混凝土结构的加固与维修，日本服役20年以上的港口工程均出现结构腐蚀，严重影响交运枢纽运营。工程结构的耐久性和服役安全已经成为影响社会经济与可持续发展的关键问题（牛荻涛，2003）。
硫酸盐侵蚀是水工混凝土结构耐久性病害的主要原因，也是影响因素*广泛、劣化机理*复杂、危害性*严重的一种环境水侵蚀（Neville，2004；Santhanam et al.，2001）。侵入混凝土后，打破了原孔隙溶液与基体之间的平衡状态（Zouetal.，2021），以吉布斯自由能*小化为驱动发生一系列化学反应，致使钙矾石、石膏或碳硫硅钙石等膨胀性物质析出（刘赞群等，2017;左晓宝和孙伟，2009），从而引起混凝土微观结构劣化累积和细观裂隙萌生扩展，导致混凝土表层膨胀、剥落及宏观性能退化，而干湿交替作用是加速硫酸盐侵蚀效应*为显著的环境因素（Ikumietal.，2019；郭进军等，2018），如海洋环境、盐湖环境。水工混凝土结构（如顼、堤、隧洞、管道、桥梁等）在环境水浸泡下依靠扩散及毛细作用输送SO〗侵入混凝土基体，7JC位降低后借助水分的脱附与蒸发提升对流区混凝土中的浓度，固液、固固相变诱导生成的结晶产物的体积变形可达4～5倍（Steiger and Asmussen，2008；Neville，2004），显著提升了混凝土的劣化速率。图1.1绘制了干湿交替环境下硫酸盐侵蚀混凝土的基本机理。
硫酸盐在自然界中的分布极为广泛，海洋、河流、土壤及地下水中均含有大量可溶性硫酸盐。在我国，东南滨海地区，西北柴达木盆地和青海湖盆地的盐湖，西南酸雨覆盖区域的土壤，城镇的生活污水、工业废水，以及有机化合物分解物中都含有较高浓度的硫酸盐。例如，南海海区的海水平均盐度约为3.4%，硫酸盐是除氯盐外浓度*高的可溶性盐类，质量浓度约为2700mg/L（李秀珍等，2011）;青海盐湖卤水中硫酸根离子的质量浓度超过22290mg/L，是海洋环境下硫酸盐质量浓度的8倍以上（余红发，2004），属强腐蚀等级。近年来，由硫酸盐侵蚀造成的水工混凝土结构提前失效事故屡见不鲜，如新疆某水电站左现肩弓I水洞的竖井混凝土建设半年后因硫酸盐结晶膨胀、侵蚀产生严重结构性腐蚀（邓铭江等，2000），甘肃盐锅峡水电站的14个顼段长期遭到硫酸盐侵蚀，多个部位的混凝土强度接近于零（高培伟等，2005）。
21世纪以来，我国的基础设施建设取得了历史性成就，城镇化高速发展，整体水平实现跨越式提升，有力支撑、保障了经济社会发展。依据国家“十四五”发展规划，水利、土木、交通等基础设施的建设重心正逐渐由中东部地区向西北、西南地区转移。在“西部大开发”新格局稳步推进的背景下，川藏铁路、南水北调西线、雅鲁藏布江水电开发、额尔齐斯河流域开发等一大批跨区域资源配置工程将为西部地区破除发展瓶颈蓄势聚能。同时，随着“海洋强国”重大国家战略的部署，我国海洋（水工）建筑的建设规模日趋增大，渤海海峡跨海通道、台湾海峡大桥、琼州海峡跨海通道和南海岛礁建造等千亿级工程将为国家海洋属性增长发挥重要推动作用。然而，“进藏”“跨海”等重大战略工程的结构混凝土面临严酷服役环境的挑战（图1.2）。针对胁迫水工混凝土结构服役行为的病损灾变因素，研究侵蚀环境下水工结构混凝土性能的演变规律及劣化机理，对于推动国家碳达峰碳中和目标的实现和提升水工结构混凝土的耐久性并延长其服役寿命具有重要的工程意义。
综上所述，本书针对干湿循环下硫酸盐侵蚀水工混凝土的耐久性退化问题展开研究。考虑到温-湿-盐耦合赋存服役环境下，so〗-会通过单一及协同作用以纳一微一细一宏多尺度的损伤为源头进行劣化驱动，导致混凝土材料的性能演化呈现多尺度耦联的特征（图1.3），水工结构混凝土的服役性态与硫酸盐侵蚀环境因素之间多为非解析函数关系，因此，跨尺度分析混凝土材料的时空演变特征，揭示干湿循环下硫酸盐侵蚀混凝土的多尺度损伤机理是研究水工混凝土材料与结构耐久性设计的基础问题。**，进行干湿循环制度影响下的硫酸盐侵蚀混凝土力学性能试验，分析干湿循环参数对混凝土性
能劣化的影响规律；第二，借助离子色谱仪（ion chromatograph，IC）、电子探针显微分析仪（electron probe microanalyzer，EPMA）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析仪、透射电镜（transmission electron microscope，TEM）和固体核磁共振（solid state nuclear magnetic resonance，SSNMR）波谱仪等微观测试仪器对干湿循环损伤混凝土的
微
