关闭
关闭
  • 最新|最快|最全
  • 了解|学习|探讨|交流

首页 > 技术交流 > 正文

碱激发矿渣混凝土耐久性研究进展
2015-11-16 10:02:53   来源:   评论:0 点击:

引言碱激发矿渣(碱矿渣)是用碱金属的碱性化合物作为激发剂, 充分激发矿渣(铝硅酸盐组分)的潜在活性而得到的水硬性胶凝材料。 早在 20 世纪 50 年代, 前苏联的 Gluk-hovsky 等就使用 NaOH 或水玻璃作
引言
碱激发矿渣(碱矿渣)是用碱金属的碱性化合物作为激发剂, 充分激发矿渣(铝硅酸盐组分)的潜在活性而得到的水硬性胶凝材料。 早在 20 世纪 50 年代, 前苏联的 Gluk-hovsky 等就使用 NaOH 或水玻璃作为激发剂来激发碎石、 锅炉渣或高炉矿渣微粉以及生石灰加高炉矿渣和硅酸盐水泥的混合物, 制备了强度高达 120 MPa 且稳定性好的胶凝材料。 法国的 Davidovits以烧黏土为原料, 用碱化合物为激发剂或加一定量的矿渣和石灰用水调和成砂浆, 在20 ℃水化 4 h 后其强度可达 20 MPa, 28 d 的抗压强度更达 70~100 MPa。 在国内, 重庆建筑大学于 1984 年开始对碱矿渣进行了系统研究 , 制成了超早强(R1= 68 MPa)和超高强(R 28 = 120.5 MPa)的碱矿渣混凝土。 Chen 等研究了碱矿渣在较长龄期下的性能, 证明其不存在后期强度下降的问题。碱矿渣存在干燥收缩和脆性较大、 凝结硬化速度较快等不足, 但是相比于硅酸盐水泥, 碱矿渣具有需水量小、 水化热低和热稳定性好等优点。 此外, 碱矿渣混凝土具有较好的抗冻性、 抗渗性及抗侵蚀性, 因此在一些抢修工程、 地下及海洋工程、 封固重金属元素和核废渣以及某些普通水泥混凝土不能满足要求的工程中已有一些应用。 本研究总结了国内外在碱矿渣混凝土耐久性方面的研究现状, 希望能够为碱矿渣混凝土的深入研究及工程应用提供一些参考。
1 碱矿渣混凝土的抗碳化性
碳化是导致钢筋混凝土结构耐久性降低的主要诱因之一。 当碳化超过混凝土的保护层时, 在水与空气存在的条件下, 会使混凝土失去对钢筋的保护作用, 钢筋开始锈蚀。Al - Otaib [10 ] 采用了不同的激发剂种类和用量, 发现水胶比相同时, 碱矿渣混凝土的碳化增大;与相同等级的普通水泥混凝土相比, 其抗压强度在 40 MPa 时碳化深度较大。
蒲心诚对碱矿渣混凝土进行了人工碳化试验表明,低强度的碱矿渣混凝土碳化速度快、 深度大。 随着混凝土强度的提高, 碳化速度变慢、 深度变小。 这是因为碱矿渣混凝土结构比较致密,CO 2 进入混凝土内部慢, 且其碱度也较高。
Bernal 等对碱激发矿渣 - 偏高岭土净浆和砂浆进行加速碳化试验(CO 2 浓度为(3.0 ±0.2)%, 温度为(20 ±2)℃), 发现未碳化的碱矿渣试件 28 d 抗压强度达到63 MPa, 而完全碳化的试件强度下降了 40%~50%;主要碳化产物为方解石, 没有 CaCO 3 的其他晶型晶体生成;碱性较高的矿渣体系碳化较快, 而含有偏高岭土的体系碱性更高, 导致高含量的铝硅酸盐的生成, 进而增大了碳化速率;激发剂模数(SiO 2 ?Na 2 O)的减小导致试件对碳化的敏感性增加, 而掺入偏高岭土则趋势相反。在向 Na 2 SiO 3 激发的碱矿渣砂浆掺加了一些外加剂后, Bilim 等发现其碳化深度大于水泥砂浆;超塑化剂对砂浆的碳化几乎没有影响, 而减缩剂稍微减小了碳化深度。
2 碱矿渣混凝土的抗氯离子渗透性
环境中的氯离子侵入到混凝土中, 当氯离子浓度超过一定的值时, 钢筋表面的钝化膜遭到破坏, 钢筋开始锈蚀。 开展对碱矿渣混凝土的氯离子渗透性研究很有必要,对其工程应用有积极的指导作用。Douglas.E 等对碱矿渣混凝土的耐久性研究显示,硅酸钠?矿渣比较小时, 混凝土抗氯离子渗透性提高。 Al -Otaibi [10 ] 的研究显示, 碱矿渣混凝土抗氯离子渗透性与水玻璃模数和碱含量相关, 史才军的研究还表明其抗氯离子渗透性与碱激发剂的种类有关。朱雅仙针对输电线路上的钢筋混凝土基础所穿越的晒盐池腐蚀环境, 设计了浓盐水 - 干湿循环的双因素试验, 结果得出, 碱矿渣混凝土 28 d 的 3 h 吸水率小于普通水泥混凝土, 表明其密实度高、 抗渗能力强。
沈宝镜通过浸烘循环和长期浸泡试验, 模拟研究了碱矿渣在干湿交替和海水长期浸没环境下的抗侵蚀性能, 并和硅酸盐水泥作了对比后发现:降低碱矿渣的水灰比, 其强度增加且发展变快;碱矿渣的抗蚀系数远大于硅酸盐水泥;致密的结构、 优良的孔结构和稳定的水化产物是其抗海水侵蚀性能优良的原因。ASTM C1202 标准规定的快速氯离子渗透试验方法(RCPT)是一种被广泛采用的电加速方法。 该方法能直观地反映混凝土中氯离子的扩散情况, 根据 6 h 内混凝土试件的总电通量大小判断氯离子渗透性。
重庆大学的陈乔 采用 RCPT 研究了矿渣细度和溶矿比对碱矿渣混凝土氯离子渗透及钢筋锈蚀性能的影响,发现在其他条件相同时, 增大矿渣细度及降低溶矿比, 混凝土的氯离子渗透性降低, 抗钢筋锈蚀性能增强。 Bernal等的试验结果显示碱矿渣混凝土的电通量值低于普通水泥混凝土。 Chi [19 ] 研究了碱含量和不同养护方式对碱矿渣混凝土渗透性的影响, 发现碱矿渣混凝土中的总电通量随 Na 2 O 含量的增大而增加;在 60 ℃、 RH =80%条件下养护的碱矿渣混凝土比在空气中和浸泡在饱和石灰水中养护具有更低的总电通量。
Chi 的试验得到的碱矿渣混凝土的总电通量比普通水泥混凝土高, 大约是其 1.22~1.91 倍, 这与其他研究者得到的结论不同, 甚至相反。 这是由于离子的传输能力取决于胶凝材料中的孔隙结构, 而电导率不仅受孔隙结构影响,还受到孔溶液成分的影响。 在碱胶凝材料系统中, 孔溶液中含有较高浓度的离子(主要为 Na+和 OH-), 导致试验得到的总电通量值比实际情况要大。
Ravikumar 和 Neithalath [22, 23 ] 采用 RCPT 和非稳态电迁移(NSSM)两种测试方法相结合, 分析了用碱硅酸盐粉末激发矿渣混凝土的氯离子渗透性, 发现其电通量值比普通水泥混凝土和水玻璃激发碱矿渣混凝土要低, 但具有与它们相似的 NSSM 系数, 说明碱硅酸盐粉末激发矿渣混凝土的氯离子渗透性与普通水泥混凝土和水玻璃激发碱矿渣混凝土相当。 试验还发现, 28 d 和 56 d 的电通量值与NSSM 的值随着 n·Ms(n, Na 2 O 与矿渣的比值;M s , SiO 2与 Na 2 O 的比值)的增大而降低, 且在 n· Ms 的值大于0.10时, 氯离子扩散系数对其将不再敏感。
3 碱矿渣混凝土的抗化学侵蚀性
31 酸的侵蚀
周焕海使用水玻璃作为激发剂, 研究了碱矿渣净浆和砂浆在 1%盐酸、 1%乳酸、 5%醋酸和 5%硝酸铵溶液中的抗酸侵蚀情况, 得出碱矿渣净浆抗酸侵蚀性强于水泥净浆, 砂浆的抗酸侵蚀性强于净浆;酸性溶液的 pH 值越低,对碱矿渣的侵蚀性越强;水化产物与酸反应的生成物易溶于水, 能加速侵蚀。Bakharev 等将碱矿渣混凝土浸泡在 pH =4 的醋酸溶液中, 研究其抗压强度的发展、 侵蚀产物以及微观结构的变化, 发现 C40 的碱矿渣混凝土比同等级的普通水泥混凝土具有更强的抗酸侵蚀能力;碱矿渣净浆的抗酸侵蚀性比水泥净浆更强;混凝土力学性能的退化主要是因为C- S- H的脱钙作用以及可溶性醋酸钙的生成。胡洁把砂浆和混凝土试块浸入 40%硫酸溶液中28 d后发现:硅酸盐水泥、 碱矿渣砂浆和混凝土外观能保持完整, 硅酸盐水泥混凝土的强度损失最大。 而将砂浆试块放入 5%稀硫酸溶液中, 浸酸前和浸酸 1、 2、 3、 4、 5 个月后发现:在 5%稀硫酸溶液中浸泡后, 硅酸盐水泥砂浆表面覆盖一层松散的白色沉淀物, 碱矿渣砂浆的外观没有明显变化;浸泡 5 个月后, 碱矿渣砂浆的质量和强度损失最小。
32 硫酸盐侵蚀
Bakharev 等对硫酸盐环境下碱矿渣混凝土的耐久性作了系统的研究。 浸泡在 Na 2 SO 4 的溶液中 12 个月后,碱矿渣混凝土的抗压强度下降了 17%, 普通水泥混凝土下降了 25%, 浸泡在 MgSO 4 溶液中相同时间强度下降得更明显。 碱矿渣的主要反应产物主要是石膏, 没有钙矾石生成;普通水泥混凝土试样产生明显的膨胀、 裂缝及失重, 而碱矿渣混凝土没有明显的膨胀。 试验中 Na 2 SO 4 浸泡的碱矿渣混凝土强度稍微增加, 这可能是矿渣持续水化的原因。
Chi研究了不同养护方式对碱矿渣混凝土耐久性的影响, 发现在 60 ℃、 RH =80%养护条件下, 碱矿渣混凝土的抗压强度在硫酸盐侵蚀试验后有所增大。 Komljenov-ic 等分析了硫酸盐侵蚀对碱矿渣力学性能和微观结构的影响, 发现将碱矿渣和 II 型水泥净浆试样浸泡在 5%的Na 2 SO 4 溶液中 90 d 后, 硫酸盐侵蚀降低了 II 型水泥的强度, 而没有观察到碱矿渣强度的降低。 碱矿渣表现出显著的耐硫酸盐侵蚀性, 这是由于其水化产物主要为 C- S- H(I)和铝碳酸镁(水滑石)凝胶, 没有可与硫酸盐发生反应的 Ca(OH) 2 。
彭方毅系统研究了碱矿渣混凝土的硫酸盐侵蚀,得出以下结论:经 5%的 MgSO 4 溶液浸泡的碱矿渣混凝土在常温下会出现钙矾石, 导致混凝土强度提高、 质量增加并伴随线性膨胀;在 - 5~5 ℃ 条件下, 碱矿渣混凝土在180 d时出现了碳硫硅钙石和钙矾石, 说明低温条件下碱矿渣混凝土亦能发生硫酸盐侵蚀。 碱矿渣混凝土具有优异的孔结构, 侵蚀性离子很难渗透到内部, 这也是碱矿渣混凝土具有较强抗硫酸盐侵蚀性能的主要原因。
胡洁通过用 XRD 分析发现, 碱矿渣砂浆的破坏是由于 Na 2 SO 4 溶液浸入试块孔隙中结晶而产生体积膨胀,这与水泥砂浆由于生成石膏的膨胀破坏不同。 同时, 碱矿渣耐硫酸盐侵蚀性能与养护条件有关, 当砂浆试块在常温(20 ℃)静置养护时, 其耐硫酸盐侵蚀性要好于硅酸盐水
泥, 而采用较高温度(35 ℃)养护时则比硅酸盐水泥要差。
4 碱矿渣混凝土的碱 骨料反应
碱矿渣混凝土中由于使用了一定量的碱作为矿渣的活性激发剂, 因而其碱含量大大超过了普通水泥混凝土的碱含量(以 Na 2 O 计)不大于0.6%的规定, 当使用具有活性的骨料时有可能引起碱 - 骨料反应。 但众所周知, 磨细的矿渣、 火山灰等活性掺料又是碱 - 硅酸反应的抑制剂。 关于碱矿渣混凝土是否存在碱 - 骨料反应破坏的问题, 不同研究者的结论不同。按照 Smolozyk 的理论, 若矿渣含量大于 75%, 则无论水泥中含有多少碱都不会引起碱 - 骨料反应膨胀破坏。 但史才军用 “压蒸快速法” 对碱矿渣混凝土进行试验, 并用扫描电镜进行了观察, 发现混凝土试件发生了严重的碱 - 骨料反应, 大部分骨料位置留下了空洞, 这表明碱矿渣能与活性骨料发生碱 - 骨料反应。 因此他认为, 在有活性骨料存在的地方, 使用碱矿渣时要慎重。蒲心诚等用快速试验方法, 并用石英玻璃作为活性骨料, 得出当碱含量为 2.6%~3.1%时, 只有当活性骨料含量超过 15%时, 才产生具有破坏性的碱 - 骨料反应。
杨长辉研究发现, 碱矿渣混凝土存在碱 - 骨料反应, 但其可能性远低于普通水泥混凝土, 且当活性骨料质量分数低于5%时, 碱矿渣混凝土的碱 - 骨料反应膨胀率在安全范围内。 其试验说明碱矿渣混凝土比普通水泥混凝土具有较低的发生碱 - 骨料反应破坏的可能性。另外一些研究发现, 与普通水泥混凝土相比, 碱矿渣混凝土更易发生碱 - 碳酸盐反应, 而不易发生碱 - 硅反应。 Bakharev 等试验也得出相同条件下碱矿渣混凝土比普通水泥混凝土更易发生碱 - 骨料反应的结论, 他用活性骨料制备碱矿渣混凝土, 发现其50 d 的膨胀率达到了0.04%, 22 个月后膨胀率达到 0.1%, 而相同等级普通水泥混凝土的 22 个月膨胀率只有 0.03%。 Bakharev 解释了碱 - 骨料反应的破坏是由于在活性骨料周围生成碱 - 硅凝胶引起膨胀, 进而使混凝土产生裂缝。
Puertas 等采用不同性质的骨料,对比了水玻璃激发的矿渣混凝土和普通水泥混凝土的碱 - 硅反应情况。 根据得到的试验结果, 使用硅质骨料时, 普通水泥混凝土的膨胀率约为碱矿渣混凝土的4 倍;而使用钙质骨料时, 14 d没有检测到明显的膨胀。 水玻璃激发的矿渣混凝土比普通水泥混凝土更能抵抗碱 - 骨料反应破坏。
5 结论与展望
目前, 国内外学者对碱矿渣混凝土的碳化、 氯离子渗透、 化学侵蚀及碱 - 骨料反应等问题进行了一些研究, 但还存在一些不充分的地方。 首先, 对氯离子扩散性能的试验研究大多采用的是单一的 NaCl 溶液, 使用其他类型氯盐及复合氯盐溶液进行试验的研究鲜有报道。 其次, 实际环境下的混凝土结构一般都到受荷载作用, 有的长期在疲劳荷载作用下服役, 以往的研究很少有考虑荷载因素。 再者, 关于氯离子扩散模型的研究较少, 已有的模型也存在明显的局限性。 另外, 对硫酸盐侵蚀的机理研究也缺乏统一的定论。因此, 对于碱矿渣混凝土的耐久性, 笔者认为可以在以下几个方面做进一步的研究:
(1)不同离子类型对氯离子扩散行为的影响及复合离子作用下的氯离子扩散机理。
(2)荷载作用对氯离子扩散行为的影响。
(3)建立考虑不同离子类型及多因素耦合作用的氯离子扩散模型。
(4)对硫酸盐侵蚀机理的深入研究。

相关热词搜索:矿渣 耐久性 研究进展

上一篇:聚羧酸高性能减水剂的合成及复配技术综述
下一篇:聚羧酸高效减水剂的低温合成技术及性能研究

分享到: 收藏