碱激发矿渣混凝土耐久性研究进展.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 8期 (总 第 3 1 0期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 8 0 1 2 碱 激发矿渣 混凝土耐久性研 究进展 高海浪 ,蒋林华 , 喻骁 。 蒋鹏 ,金鸣 ,刘浩 , 朱承龙 ( 1 河海大学 力学与材料学院, 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ; 2 南京工程学院 建筑
2、工程学院,江苏 南京 2 l 1 1 6 7 ) 摘要: 碱激发矿渣胶凝材料是一种新型的节能环保建筑材料, 具有广泛的发展和应用前景。 综述了碱激发矿渣混凝土耐久性 的研究进展, 包括抗碳化性、 抗氯离子渗透性 、 抗化学侵蚀性( 酸的侵蚀和硫酸盐侵蚀) 以及碱 一骨料反应等耐久性问题 , 指出当 前研究中存在的一些不足, 并在此基础上提出有待进一步解决的问题。 关键词: 混凝土 ; 耐久性 ; 碱激发 ; 矿渣 中图分类号: T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 4 9 04 R e s e
3、a r c h p r o g r e s s o n t h e du r a bi l i t y o f a l k a l i a c t i v a t e d s l a g c on c r e t e GAO Ha i l a n g , J I ANG Li n hu a ,y【 ,Xi a o , J I ANG Pe n g 。 , I N Mi n g , L Ha o , ZHU Ch e n g l o n g ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s , H o h a i U n i
4、 v e r s i t y , N anj i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a ; 2 I n s ti t u t e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i te c t u r e , N a n j i n g I n s ti t u te o f T e c h n o l o g y , N anj i n g 2 1 1 1 6 7 , C h i n a ) Ab s t r a ct : Al k a l i - a c tiv a t e d s l a g i s a n e w t
5、 y p e o f e n e r g y - s a v i n g a nd e n v i r o nme n t a l l y f rie nd l y b u i l di n g ma t e rial wi t h a wi d e r a n g e o f d e v e l o p me n t a n d a pp l i c a t i o n p r os p e c t s Re s e a r c h e s o n t h e d u r a b i l i t y o f a l k a l ia c tiv a t e d s l a g c o n c
6、 r e t e a r e r ev i e we d, i n c l u d i ng t h e C ar- b o n a t i o n r e s i s t a n c e , r e s i s t a n c e t o c h l o ri d e p e n e t r a ti o n , r e s i s t a n c e t o c h e mi c a l a t t a c k( a c i d c o r r o s i o n a n d s u l f a t e a t t a c k ) and a l k a l i a g g r e ga
7、t e r e a c tio n Tl l e d e fic i e n c i e s e x i s tin g i n the p r e s e n t r e s e arc h e s are p o i n ted o u t a n d s o me p r ob l e ms t o b e s o l v e d f u r t h e r a l e pu t f o r ward o n thi s ba s i s K e y wo r d s: c o n c r e t e ; d ura b i t i t y; a l k a l i a c ti v a
8、 t e d; s l a g 0 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 2 0世纪 5 O年代 , 前苏联 的 G l u k h o v s k y等就使用 N a O H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 1 2 0 MP a 且稳定性好的 胶凝材料 。 法 国的 D a v i d o v i t s 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 ,
9、在 2 0水化 4 h后其强度可达 2 0 MP a , 2 8 d的抗压强度更 达 7 0 1 0 0 MP a 。 在 国内, 重庆建筑大学 于 1 9 8 4年开始对 碱矿渣进行了系统研究 , 制成 了超 早强 ( R =6 8 MP a ) 和超 高强 ( R : =1 2 0 5 MP a ) 的碱矿渣混 凝土 。 C h e n等 J 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 J 、 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
10、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 收 稿 日期 : 2 0 1 4 -1 卜 1 8 基 金项 目: 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 2 7 8 6 1 7 , 5 1 2 7 8 6 1 8) 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
11、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 。 A 1 一O t a i b 。 。 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 4 0 MP a 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, C O 进入混凝土内部慢 , 且其碱度也 较高
12、。 B e ma l 等 对碱激发矿渣 一 偏高岭土净浆和砂浆进 行加速碳化试验( c o 浓度为( 3 0 0 2 ) , 温度为( 2 0 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ) o C) , 发现未 碳 化 的碱 矿渣 试 件 2 8 d抗 压 强 度 达 到 6 3 MP a , 而完全碳化的试件强度 下降 了 4 0 5 0 ; 主要碳 化产物为方解石 , 没有 C a C O 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
13、( S i O : N a 2 0) 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 N a : S i O , 激发 的碱 矿渣砂浆掺 加 了一些 外加剂 后 , B i l i m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 。 D o
14、u g l a s 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。 A 1 一 O t a i b i 叫的研究显示 , 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 一 干湿循环的双因素试 验 , 结果得 出, 碱矿渣混凝土 2 8 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
15、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。 A S T M C 1 2 0 2标准 规定的快速氯 离子渗 透试验方 法 ( R C P T ) 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 R C P T研究 了矿渣 细度 和溶 矿比对碱矿渣混凝土氯离
16、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。 B e r n a l 等” 驯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。 C h i 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 N a : O含量的增大而增加; 在 6 0 oC、 R H=8 0 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 。 C h i 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,
17、 大约是其 1 2 2 1 9 l 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 5 0 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 N a 和 O H一 ) 1 2 0 , 导致 试验得 到的总电通量值比实际情况要大 R a v i k u ma r 和 N e i t h a l a t h 采用 R C P T和非 稳态 电 迁移( N S S M) 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
18、, 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 N S S M 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 , 2 8 d和 5 6 d的 电通 量值 与 N S S M 的值 随着 n Ms ( n , N a 2 O 与矿渣 的 比值 ; M , S i O 与N a O的比值) 的增大而降低, 且在n M 的值大于0 1 0 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 3 1 酸 的 侵 蚀 周焕海 使用水玻璃作 为激 发
19、剂 , 研究 了碱矿 渣净 浆和砂浆在 l 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 p H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。 B a k h ar e v等 将碱矿渣 昆 凝土浸泡在 p H= 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 C 4 0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
20、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 4 0 硫酸 溶 液 中 2 8 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
21、小 。 3 2硫 酸 盐侵 蚀 B a k h are v 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 N a S O 的溶液 中 l 2个月后 , 碱矿渣混凝土的抗压强度下降了 1 7 , 普通水泥混凝 土下 降 了2 5 , 浸泡在 Mg S O 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 N a 2 S O 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。 C h
22、 i 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 6 0 o C、 R H= 8 0 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。 K o m l j e n o v 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m i c 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 I I 型水 泥净浆试样 浸泡在 5 的 N a : S O 溶液中9 0 d 后, 硫酸盐侵蚀降低了n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
23、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 C a ( OH) : 。 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 Mg S O 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 一5 5 条 件下 , 碱矿 渣混 凝 土在 1 8 0 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 的孑 L 结构 , 侵蚀性 离子很难渗透 到 内部 , 这也是碱 矿渣混
24、 凝 土具有较强抗硫酸盐侵蚀性能的主要原因。 胡清 通过用 X R D分析发现 , 碱矿渣砂浆 的破坏是 由于 N a S O 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 ( 2 0 o C) 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 ( 3 5) 养护时则比硅酸盐水泥要差。 4 碱矿渣混凝土的碱 一骨料反应 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(
25、 以 N a : 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 一骨料反应。 但 众所周知 , 磨 细的 矿渣 、 火 山灰等活性掺料 又是 碱 一硅酸反应 的抑制剂 。 关 于碱矿渣混凝土是否存在碱 一 骨料反应破坏的问题 , 不同 研究者的结论不同。 按照 S m o l o z y k的理论 , 若矿渣含量大于 7 5 , 则无 论 水泥中含有多少碱都不会引起碱 一骨料反应膨胀破坏 。 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 一 骨料 反应 , 大部分骨料位
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