侵蚀性离子对混凝土内部化学变化的影响外文翻译资料

 2022-07-30 14:32:10

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侵蚀性离子对混凝土内部化学变化的影响

  • P.W.Brown，April Doerr
  • （材料科学与工程大楼，宾州州立大学，伯克分校，PA16802，美国；
  • R.J.Lee团队，门罗维尔，PA15146，美国）

摘要：化学变化在现场混凝土由于入口的钠,镁、硫酸盐、氯化物,碳酸盐岩进行了分析。每一个粒子参与这些混凝土的恶化。硅酸镁化合物形成的水镁石和镁水合物。硫酸形成石膏,钙矾石和硅灰石膏。氯离子侵入允许弗里德尔盐的形成。最后,碳酸钠成立。这些化合物形成的机制进行了讨论。

关键词：钙矾石；硫酸腐蚀；弗里德尔盐；硅酸镁；碳酸钠

1.引言

在1980年代末,在南加州房屋混凝土基础观察到正在遭受硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀混凝土房屋的基础这个地区是记录,各种各样的化合物通常不会在混凝土检测[1,2]。特别的，侵蚀的本质在以下城市如洛杉矶的帕尔马,莱克伍德,柏树,CA同样被记录。从这些基础中辨认出的在混凝土中的化合物有：Na2SO4 ,Na2SO4·10H2O , Na3H(CO3)2.2H2O , Na2CO3·H2O , 和 NaHCO3 . 同时被发现的还有CaSO4.2H2O,CaCO3,CaSiO3,CaCO3,CaSO4.15H2O和8.5CaSiO3，9.5CaCO3，CaSO4.15H2O , Na3(NO3)(SO4).H2O, NaNO3, 和 NaCl。海恩斯所指出的。[3],钠硫酸盐会导致损伤混凝土由循环的无水和水合形式的形成盐。曝光条件,不涉及直接接触土壤和水的积累由于径流,这些形式的风化表明钠和的运动硫酸盐混凝土孔隙结构。在这样的情况下, 混凝土表面硫酸钠的形成暗示了硫酸袭击发生在的混凝土内部;含硫相的分布情况已经在各地被详细讨论了[4]。碳酸钠的形成也可以表明硫酸袭击是如下所示反应方程式。(1、2):

Na2SO4aq ＋ Ca…(OH)2(…s) =2NaOHaq CaSO4 . 2H2O…(S)(1)

NaOHaq HCO3aq )= Na…（2-x）HxCO3. (nH2O) x = 0; 0.5; or 1
根据反应1形成的石膏是可用与含铝相反应阶段形成钙矾石。

最近,硫酸袭击的发生建造在过去10年内已经记录。为了现代研究而含有混凝土的房子是建造在以前是一片古老海底的土壤上。因此,土壤接触了这些混凝土中含有的大量的可溶性盐氯化钠、Na2SO4， MgSO4。

被检查的混凝土是从建造在南加州一个山坡上面临太平洋正在发展的房子中得到的。在施工之前,标准切割和充填生产分级所需的道路,车道、立足点和车库石板都被执行了。房子本身是在内置的山坡上，他们的基础是由保留墙、基础桥墩和干墙构成。尽管V型混凝土被使用,平均水灰比的范围确定0.65plusmn;0.70[5]。高水灰比使用使得侵蚀性粒子的进入和风化的产生，这些现象总是有痕迹的在混凝土表面成分中被发现。本文的目的是描述在这些混凝土中化合物形成的环境而产生的的性质，从而引发的现象。特别的，引起硅灰石膏,碳酸钠,弗里德尔盐,镁硅酸盐,Mg(OH)2在混凝土中的分布进行了讨论.

2.实验

在这次研究中分析的混凝土研究样本之一是从强化基桥墩获得的，直径约18英寸。一个直径为4英寸，长度为11英寸的孔是大约水平钻在桥墩离土壤地面6英寸高的位置。第二个混凝土样品是从第一个家的墙基里取出的，打了一个厚的孔。这块混凝土中一个的孔也被开在离土壤线4英寸的地方。

孔是使用金刚石砂轮钻出来的。码头,三段,每个约1厘米厚,携带在孔的长度方向上。每一个段长度约为50毫米。一个段从表面的深度大约50毫米,第二个来自表面下约13厘米，最后部分是取自表面下大约25厘米。两个板是从干墙孔中切出来的。每个大约是50毫米长度，从外部和内部表面拓展出来。这些板是干燥和用环氧树脂真空浸渍过的，这个理论曾被Jakobsen描述过[6]。从这些石板中得到的薄片准备用金刚石以通常的方式砂轮锯和抛光[7]。在碳包被后, 在这些薄片中Mg, Cl和S的分布状况被微探针来建立。贯穿薄片从孔的外面到里的轮廓是通过测量这些元素中K的含量来建立的，体型上大约70-90um。五个区域平均一下，每个都在孔表面形成了相同的深度，通过每个薄片被用来衡量相关因数，大约每个薄片做了4毫米。

微探针轮廓所建立的Mg，Cl,S的分布情况与显微结构的观察和能量色散光谱的观察到的微观结构特性相吻合。

图1所示。一个微观结构说明浆体在混凝土孔隙率升高。中央特性显示了硅酸镁假象前二钙硅酸盐颗粒。这个前斜硅钙石颗粒的EDS光谱显示它已经完全脱钙,转换为硅酸镁。

图2所示。(a)Mg浓缩膏;(b)Mg(OH)2假象在Ca(OH)2浆体中;(c)Mg(OH)2取代Ca(OH)2在粘接plusmn;聚合接口。

3.结果和讨论

图1显示了一个典型的微观结构阐明了提高在混凝土中浆体孔隙度升高桥墩基础。和高孔隙度一致、桥墩近地表区域被严重碳化。此外,CSH和前水泥颗粒脱钙。和孔隙度相联系的是整个混凝土中镁元素的丰富。微探针分析显示整个薄片的高镁含量。其效果是很容易观察到图1。这个前斜硅钙石颗粒的EDS光谱显示缺乏钙和镁的积累。因此,这硅酸钙转化为硅酸镁。暴露在硫酸镁中的硅酸镁的形成在V型水泥砂浆中已经被Gollup和泰勒报告过[8]。暴露在海水中的硅酸镁形成混凝土被科尔 [9]和罗伊报道。[10】，然而，富镁相的形成通常和近地面暴露在含镁溶液的区域有联系，如海水。Mg的形成在这一领域的硅酸盐混凝土标本要求Mg运输通过孔隙结构明显的距离。

典型的Mg之间的交互以下基本交换反应:

Mg2 Ca…(OH)†2（…s† ) =Mg（OH）2（s）† ‡ Ca2 ‡

和近地表降水Mg(OH)2是频繁观察(11、12)。图2 a和EDS有关频谱显示浆体有显著的地区Mg浓缩。图2 b和相关频谱显示纯镁相Mg(OH)2。Mg(OH)2表现为伪-变种的Ca(OH)2浆体plusmn;骨料界面附近。图2 c显示Mg(OH)2已经取代了Ca(OH)2在一个广泛的地区在浆体plusmn;总界面区。因此,Mg取代前水泥颗粒和Ca(OH)2中的钙。

众所周知,Mg(OH)2是高度的不溶性pH值通常存在于孔隙的解决方案。因此,建立一种机制,通过这种机制Mg是运输在感兴趣的孔隙结构。

这种行为可以理解的基础在这些结合上下文的其他阶段观察到。观察石形成的混凝土和图3显示了石形态的典型。当通过抛光片SEM观察时,硅灰石膏和钙矾石是非常相似的。因此,它可能很难区分这些微观结构一个人。然而,硅灰石膏的EDS谱图3显示存在的钙、硅和硫。铝不在。而碳酸盐可以推断出从高架碳排放峰值,信号从碳环氧不能排除。石是指示性的存在入口的硫酸和碳酸盐。石的形成大约40毫米低于表面显示的深度这足够的碳酸盐岩可在具体形成这个含碳化物固体

分析试样的干墙预测的机制提供了依据Mg已经介入这个具体深入。图4显示了,生理盐水水泥浆和结晶浆体plusmn;骨料界面。其他的分析阶段出现在这个标本表明形成没有其他元素的含钠固体比碳重可观测到的EDS规范。微观结构和EDS频谱固体如图5所示。尽管这些数据仅仅是不足以确定这Na -的构成含有固体,各种观察(11、12、13、14)也许Na3H(CO3)2.2 H2O,NaHCO3或Na2CO3.H2O。它值得注意的是图5显示了钠的存在吗碳酸盐岩在几微米的Ca(OH)2。如果这是一个均衡组合,它表明反应(4):

Na(2-x)HxCO3(…nH2O)† ‡ Ca…(OH)†2= CaCO3 ‡ (…2 -x†)NaOH ‡ H2O

建立一个平衡的组合阶段包括碳酸钠的共存和Ca(OH)2,粒子形成PhreeqC[15]运行代码。目标是要确定是否有一个钠离子浓度的Ca(OH)2和碳酸钠在没有形成碳酸钙共存。的分析表明任何固体,其中包含的共存碳酸氢离子和Ca(OH)2是杜绝;因此,NaHCO3(苏打石)或NaHCO3,Na2CO32H2O(天然碱)是决心不与Ca(OH)2。它-的碳水化合物——钠沉淀所需的条件内特的Ca(OH)2,但是没有碳酸钙,需要一个钠浓度大于10米pH值高于16。在那种情况下,稳定性Na2CO3.H2O(水碱)和Na2CO3.10H2O(泡碱)大约可比。当这些条件可能存在于混凝土,它可以推断的因为它的碳酸钠阶段观察到的是礼物降水是活动有利,它甚至会-灵性的转换为碳酸钙、硅灰石膏。

尽管氯化钠晶体的观察表明存在明显的氯的浆体的一部分这个混凝土,弗里德尔盐在没有被观察到第一个32毫米的表面。然而,弗里德尔盐发现分布在整个浆体在下面深处这一点。区域弗里德尔盐的出现,相关的与碳酸钠的消失的阶段。因此,固体的空间序列观察显示从土壤和氯化钠从大气层——碳酸盐球体与固体通常存在于具体的反应形式方面,碳酸钠,弗里德尔盐沉积。

与石的形成,形成的碳酸钠显示了碳酸盐岩的入口重要的深度。这些碳酸盐的存在也符合PH降低，如图6所示,Mg的溶解度是强烈依赖于PH图6所示常见的离子效应计算的结果显示根据摩尔浓度Mg的解决方案氢氧根离子浓度。随着pH值降低约13.5到10.5Mg浓度的解决方案增加四个数量级。因此,萧条由于碳化混凝土的内部pH值将大大有助于Mg的能力运输通过其孔隙结构。

第二个因素导致交通似乎Mg粒子的性质。一系列的自由能最小化计算使用PhreeqC[15]进行评估的影响,一个混合MgSO4plusmn;Na2SO4plusmn;氯化钠溶液接触的孔隙结构混凝土。初始溶液浓度被送往Na2SO4氯化钠0.091米,0.091米,0.071 MgSO4。这些值被从土壤的分析获得附近的混凝土[16]。孔隙的影响的解决方案包含0.1,0.01,0.001和0.0001 M氢氧化钠解决粒子形成和倾向于Mg(OH)2沉淀。获得的结果是——求和表1中特征。

这个表预测两种现象观察的这些混凝土微观结构的分析。作为模型孔隙溶液变得酸性更强,饱和指数水镁石减少低于饱和,主要Mg -包含粒子的解决方案成为MgSO4中立粒子。这些计算与观测相一致积累的硫酸富镁微结构区域真正的。例如,图1显示,Mg取代Ca前二钙硅酸盐颗粒。这种分布的预期在混凝土孔隙溶液变成了足量地酸性允许Mg的内部运输。随着Mg方法水泥颗粒当地pH值在哪里高架由于其不完全水化,基本交流所示反应。(3)发生和Mg(OH)2沉淀。作为一个亲密的混合物Mg(OH)2和Si(OH)n硅酸镁不兼容,他们可能会改变水合物所显示Gollup和泰勒[8]。因此,玛格尼-二钙硅酸盐颗粒进行观察到的转换硅酸盐。

4.结论

微观结构的研究表明,钠,镁、硫酸盐、氯化物和碳酸盐在混凝土的各种阶段的形成受到地下水的作用。特别是,硅酸镁,水镁石,弗里德尔盐、石可能某些种类的碳酸钠成立了。

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