第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
混凝土材料从发明至今已有近 200 百年历史，其原材料易取，成本低廉，易于浇筑，凝结硬化后强度较高，是土木工程建设中使用量最大的一类建筑材料[1]，被广泛应用于工业及民用等各个建筑领域。随着我国经济的快速发展，国家基础设施的大规模建设，我国已成为混凝土生产及使用量最大的国家[2]。
混凝土耐久性是指在人为因素及外界自然环境影响下，混凝土建筑物可保持结构稳定及正常服役工作性能的时间，其本质是混凝土抵抗自身内部的各类劣化因素影响及外界环境侵蚀破坏的能力[3-4]。一方面，混凝土耐久性不足导致的结构失效给我国带来非常大的经济损失。我国每年因混凝土耐久性问题而产生经济损失约为 5000 亿人民币[5]。另一方面，随着水泥生产工艺的优化，继续降低水泥生产能耗已入瓶颈阶段，提高混凝土耐久性，增长建筑使用寿命，从总体上减少水泥用量成为绿色建设，低碳发展的另一个有效途径。
我国盐湖及盐渍土分布广泛，其总面积约占国土面积的一半以上，主要集中分布在中部及西北部地区。各地盐湖大小不一，星罗棋布，按各省盐湖分布统计，内蒙古有300 多个，青海有 30 多个，新疆有 100 多个，西藏有 200 多个。盐湖的含盐量较高，会对钢筋混凝土结构产生强烈腐蚀[6]。盐渍土受岩土母质及气候等条件因素影响形成和发展，广泛分布在我国西北、华北、东北地区[7]。盐渍土的含盐成分及盐类相对含量与盐湖卤水相似，也会对混凝土结构产生类似于盐湖卤水的化学侵蚀及物理结晶腐蚀[6]。
近年来，随着“一带一路”战略的推进实施，我国中西部地区兴建起越来越多的混凝土建筑，这些地区严苛的气候条件及强盐腐性的地质环境使混凝土结构的耐久性面临巨大的考验。青藏盐湖区公路沿线的花岗岩里程碑及水泥电线杆产生严重腐蚀剥落现象，部分区段公路路面在外界环境侵蚀作用下仅两年时间便不能继续使用；青海铬盐厂在开建期间由于大部分厂房及车间的混凝土柱、墙被强烈腐蚀，被迫停工，带来很大经济损失[8]。青海钾肥一期工程配套输电线路，因钢筋锈蚀问题运行不到 1 年就宣布停用[9]。新疆“635”工程发电洞竖井水工混凝土仅使用半年便遭受强烈腐蚀，影响正常使用[10]。因此，如何有效提高恶劣盐碱环境下混凝土的抗腐蚀性能成为当下科研工作者们研究的重点及热点。
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1.2 盐湖区混凝土耐久性研究概述
1.2.1 盐湖区的环境条件特征
盐湖是有一定含盐量的湖泊，是特定的自然环境及地质条件下的产物。我国盐湖分布于北纬 28～52°，东经 75～122°，根据其形成的地貌、地质构造及物质成分特点，可以北东向的贺兰山和太行山-大兴安岭，近东西走向的喜马拉雅山脉、昆仑-阿尔金山-祁连山-六盘山为界，划分为 4 个盐湖区，即：青藏高原盐湖区、西北部盐湖区、东北部盐湖区和东部分散盐湖区[22]。我国盐湖区的湖泊均为大陆型湖泊，根据湖盆成因可将大陆型湖泊分为以下 4 种：侵蚀盆地湖、构造湖、火山湖和河迹湖。内蒙古和新疆的盐湖以侵蚀盆地湖为主，青藏高原的盐湖以构造湖为主[23]。 按照盐湖表面是否具有卤水，可将盐湖分为具有表面卤水的湖泊及表面没有卤水但具有晶间卤水的干盐湖。依据盐湖卤水的含盐成分，可分为氯化物型盐湖、硫酸盐型盐湖、碳酸盐型盐湖和硝酸盐型盐湖等，而硫酸盐型盐湖可根据阳离子进一步分为硫酸钠亚型、钠镁硫酸盐亚型和硫酸镁亚型盐湖。我国盐湖卤水的含盐量较高，可达海水含盐量的 5 倍～10 倍，盐分以钠、钾、镁的氯盐、硫酸盐和碳酸盐为主[6]。 在盐湖的周边广布着面积为盐湖许多倍的盐渍土，盐渍土是指含盐量达到一定界限的土。含盐量通常指土体中盐的重量与干土重量的比值，用百分数来表示。国内外关于盐渍土含盐界限标准有所不同，前苏联规定，易溶盐含量超过 0.5%或中溶盐超过 5％的土体为盐渍土，我国通常将易溶盐含量超过 0.3%的土体称为盐渍土。盐渍土区域土体中富含饱和或过饱和的晶间卤水，其含盐量及盐类成分与盐湖卤水类似。
因考虑因素及出发角度的不同，盐渍土的分类及其中的界限值有所不同[7]。根据土体盐渍化的程度，我国 2004 年交通部颁布的《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)将盐渍土划分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土及过盐渍土；根据土体含盐成分及各成分含量比值可分为氯盐渍土、硫酸盐渍土、亚氯盐渍土、亚硫酸盐渍土和碳酸盐渍土；根据土中含盐溶解度，盐渍土可分为易溶盐渍土、中溶盐渍土和难溶盐渍土。在土体同时含有易溶盐、中溶盐或难溶盐情况下，当易溶盐含量超过盐渍土所定义的最低标准时，则称为易溶盐渍土；当中溶盐含量超过盐渍土所定义的最低标准时，可称为为中溶盐渍土或石膏土。
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第 2 章 试验方案
2.1 试验内容
2.1.1 CMK 砂浆力学性能试验
水泥砂浆抗折强度是其单位面积承受弯矩破坏时的最大应力，抗压强度是其承受压缩破坏时的最大应力，抗折、抗压强度的大小关乎结构的质量及使用寿命。本文首先对单掺煤系偏高岭土（CMK）或粉煤灰的水泥砂浆的力学性能进行研究，为后续混凝土的配合比设计做铺垫，试验研究内容如下：
（1）CMK 掺量对水泥砂浆力学性能影响：测定 CMK 等质量替代 0%、5%、10%、15%水泥的水泥砂浆在其养护 3d、7d、28d、30d、60d、90d 时的抗折及抗压强度，分析 CMK 掺量对不同龄期砂浆抗折、抗压强度影响，研究养护龄期对 CMK 水泥砂浆的影响。
（2）CMK 及粉煤灰对砂浆强度作用的对比研究：测定粉煤灰等质量替代 10%水泥的水泥砂浆在其养护 3d、7d、28d、30d、60d、90d 时的抗折、抗压强度，并与（1）中各 CMK 掺量下砂浆的强度进行对比，研究粉煤灰对砂浆强度发展的影响，分析 CMK及粉煤灰对不同养护龄期下砂浆强度的作用差异。
2.1.2 CMK 混凝土抗压强度试验
在单掺 CMK 或粉煤灰水泥砂浆试验基础上，以砂浆抗折、抗压强度为依据，设计复掺 CMK 与粉煤灰的混凝土配比，研究复合 CMK 与粉煤灰的胶凝体系对混凝土抗压强度的影响，试验研究内容如下：
（1）制备素混凝土、单掺 10%粉煤灰混凝土、10%粉煤灰与 5%CMK 复合混凝土及10%粉煤灰与 10%CMK 复合混凝土，对各配比混凝土 3d、7d、28d、60d、90d 抗压强度进行测定，对比分析不同配比混凝土的强度大小，研究单掺粉煤灰及复合掺入 CMK对混凝土各龄期抗压强度的影响。
（2）对比 10%粉煤灰与 5%CMK 或 10%CMK 复掺混凝土的抗压强度，研究复合胶凝体系中 CMK 的掺量对混凝土强度大小及强度发展的影响。
（3）结合（1）（2）深入分析 CMK 对混凝土抗压强度的作用机理。
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2.2 试验原材料及配合比
2.2.1 原材料
（1）水泥
水泥是一种多组分人造矿物粉料，具有良好的胶凝作用，本试验所用水泥为 P·O42.5普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland cement,OPC），其化学组分及含量见表 2-1，物理性质指标见表 2-2。
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第 3 章 试验结果与分析 ................................... 29
3.1. CMK 水泥砂浆力学性能试验结果与分析 ................................ 29
3.1.1 CMK 对水泥砂浆抗折强度影响............................................... 29
3.1.2 CMK 对水泥砂浆抗压强度影响....................................... 31
第 4 章 CMK 混凝土的微观试验研究与分析......................... 55
4.1 CMK 胶凝浆体腐蚀前后的物相成分变化 .................................. 55
4.1.1 CMK 胶凝浆体腐蚀前的 XRD 检测结果及分析 ............................ 55
4.1.2 5wt%Na2SO4 溶液腐蚀后 CMK 胶凝浆体的 XRD 检测 ..................... 57
第 5 章 结论与展望 ................................. 73
5.1 主要结论 ........................................... 73
5.2 创新点 .................................... 74
第 4 章 CMK 混凝土的微观试验研究与分析
4.1 CMK 胶凝浆体腐蚀前后的物相成分变化
硅酸盐水泥熟料是由氧化硅(SiO2 )、氧化钙(CaO)、氧化铝（A12O3）和氧化铁(Fe2O3)在高温下反应生成的不均匀混合物，主要矿物成分为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）及铁铝酸四钙（C4AF），在普通硅酸盐水泥中，其含量范围分别在45%~60%、15%~30%、6%~12%及 6%~8%。
水泥水化产物主要有水化硅酸钙（C-S-H）、氢氧化钙（CH）、水化铝酸钙（C-A-H）、水化铁酸钙（C-F-H）、高硫型水化硫铝酸钙（AFt,钙矾石）及单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。其中水化硅酸钙是水泥水化后的主要产物，占据水泥浆体 50%~60%的体积，是水泥浆体长期强度和耐久性的主要来源，它的含量及致密度一定程度决定了水泥浆体的各项物理力学性能；氢氧化钙晶体约占水泥浆体固相体积的 20%~25%，其比表面积很小，对水泥基体强度贡献有限；水化硫铝酸钙在水泥浆体中约占固相体积的 15%~20%，通常以单硫型水化硫铝酸钙形式存在，其对水泥浆体的微观结构性能仅起到较小作用，钙矾石的形成与水泥浆体中硫酸盐铝酸三钙含量有关，少量的钙矾石会填充水泥基体孔隙，有利于水泥浆体强度的提高[93]。
矿物外加剂往往通过火山灰效应改善水泥浆体的性能，CMK 作为类偏高岭土矿物外加剂，其内部的活性硅铝物质势必会对水泥的水化进程、产物及产物含量产生一定影响。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要结论
本文以盐湖区盐碱环境下混凝土的腐蚀问题为研究背景，以煤基固废-煤矸石中有效资源的合理利用为导向，基于煤系偏高岭土的特性，研究了煤系偏高岭土对混凝土力学性能及抗腐蚀性能的影响，系统研究了混凝土的腐蚀劣化过程，揭示了煤系偏高岭土混凝土的抗腐蚀机理，得出以下主要结论：
（1）掺入 CMK 可有效提高水泥砂浆试件的抗折、抗压强度，且提高幅度随 CMK掺量的增加呈先增加后降低的趋势，CMK 掺量为 10%时的提升效果最好，该掺量下，试件的 3d 抗折强度可提高 79.9%，抗压强度可提高 25.8%，7d 抗折强度可提高 49.7%，抗压强度可提高 35.1%，28d 抗折强度可提高 31.2%，抗压强度可提高 20.9%，90d 抗折强度可提高 32.1%，抗压强度可提高 26.8%；单掺 10%粉煤灰对砂浆早期强度贡献较小，对后期强度有小幅度提高，粉煤灰砂浆的 3d 抗折强度降低了 3.3%，抗压强度降低了7.7%，7d 抗折强度降低了 2.7%，抗压强度降低了 8.4%，28d 抗折强度降低了 1.8%，抗压强度提高了 1.3%，90d 抗折强度提高了 6.4%，抗压强度提高了 8.9%。
（2）各配比混凝土在养护 28d 前的抗压强度增长速度较快，28d 后强度增长趋于平缓；复掺 CMK 与粉煤灰对混凝土抗压强度的增强效果较单掺粉煤灰更优，复掺10%CMK 混凝土较复掺 5%CMK 混凝土在各龄期的抗压强度更高，在 3d、28d 及 90d时可分别达到 33.8MPa、61.0MPa、63.4MPa；复掺 CMK 对混凝土 3d 抗压强度的提高幅度较大，此时 FC5 及 FC10 的提高幅度可分别达 45.9%、51.1%，对 7d 之后抗压强度的提高幅度有所降低，FC5 在 28d 和 90d 时可分别提高 26%、26.9%，FC10 在 28d 和90d 时可分别提高 37.3%、40.2%。
（3）原状盐渍水溶液的含盐量较少，混凝土在其腐蚀下的表观劣化程度、质量损失率及抗压强度降低幅度较 5wt%Na2SO4 溶液腐蚀下的更小；随腐蚀龄期的增加，混凝土的表观完整度逐渐降低，抗压强度及抗压耐蚀系数均呈先上升后下降的趋势；混凝土抗腐蚀性能由高到低为 FC10>FC5>F10>C0，复掺 10%CMK 与 10%粉煤灰可大幅度提高混凝土抗腐蚀性能，腐蚀 150d 后，5wt%Na2SO4 溶液中 C0 的抗压强度及抗压耐蚀系数分别为 29.8MPa 及 64.0%，FC10 的可达 58.0 MPa 及 89.3%，原状盐渍水溶液中 C0 抗压强度及抗压耐蚀系数分别为 38.7 MPa 及 83.2%，FC10 的可达 63.4 MPa 及 97.65%。
参考文献（略）