NaCl環(huán)境中堿活性混凝土膨脹性能分析

楊 磊, 詹炳根, 鄭蓉美, 曹傳勝

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室,安徽 合肥230009;3.阜陽水利規(guī)劃設(shè)計院,安徽 阜陽 236000)

NaCl環(huán)境中堿活性混凝土膨脹性能分析

楊 磊1,2,3, 詹炳根1,2, 鄭蓉美1,2, 曹傳勝3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室,安徽 合肥230009;3.阜陽水利規(guī)劃設(shè)計院,安徽 阜陽 236000)

文章為研究NaCl加速混凝土ASR膨脹的機理,外加NaCl制作混凝土試件,在標準條件下養(yǎng)護28 d;用砂漿棒方法測定了混凝土的膨脹率;用掃描電鏡觀察堿環(huán)境下水泥混凝土界面區(qū)的微觀形貌、結(jié)構(gòu);用光譜法和滴定法測試了混凝土孔溶液離子組成。結(jié)果表明:隨著NaCl摻入增加,界面過渡區(qū)CH的晶粒尺寸都明顯發(fā)生了細化現(xiàn)象,取向性也增強;同時AFt晶體明顯增多,C-S-H凝膠呈小團狀出現(xiàn)使得界面區(qū)和水泥基體中有較多裂縫,更加疏松;孔溶液中的Na+、OH-的消耗增加。混凝土界面區(qū)的這些組成與結(jié)構(gòu)變化,導(dǎo)致了NaCl環(huán)境中活性混凝土膨脹。

混凝土;堿硅酸反應(yīng);膨脹率;形貌;孔溶液

堿硅酸反應(yīng)(ASR)是混凝土中集料的硅質(zhì)活性組分與混凝土孔溶液中堿之間的膨脹性化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致混凝土膨脹并開裂[1,2]。NaC l能加速ASR膨脹已為許多研究者所認識,并由此發(fā)展了以NaCl溶液代替NaOH溶液的集料活性檢測方法,但關(guān)于其加速反應(yīng)的機理國內(nèi)外研究甚少。文獻[3]認為,若水泥中C3 A含量較高,NaCl與C3 A相互作用可以產(chǎn)生足量OH-與高活性集料反應(yīng)并導(dǎo)致膨脹。本文研究了不同NaCl摻量試樣界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)形貌和孔隙特征,并測試了混凝土孔溶液中的離子質(zhì)量濃度變化,進一步揭示了NaCl環(huán)境中活性混凝土膨脹的機理。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

(1)水泥熟料。本研究水泥選用銅陵水泥廠生產(chǎn)的525#純硅酸鹽水泥,其化學(xué)組分、礦物組成見表1和表2所列。

表1 水泥化學(xué)組分質(zhì)量分數(shù) %

表2 水泥礦物質(zhì)量分數(shù) %

(2)NaC l。分析純NaCl,純度＞99.5%。

(3)骨料。沸石化珍珠巖(ZP),產(chǎn)于山東聊城,活性組分為無定型SiO2和玻璃反?；纬傻纳倭亏[石英,屬于高活性集料,化學(xué)成分見表3所列,拌合水為去離子水。

表3 沸石化珍珠巖化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù) %

1.2 試驗方案

摻入不同濃度的NaCl制成試件,水灰比均為0.55,試件編號與名稱如下:Y,摻入0mol/L NaCl試件(對比樣);LY,摻入0.5mol/L NaCl試件;HY,摻入2.5 mol/L NaCl試件。

1.2.1 砂漿棒膨脹性能的測試

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm;膠砂比為2.25∶1;水灰比0.55[4];成型方法按照中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準進行,采用兩端裝有銅釘頭的試模成型。試樣在標準條件下養(yǎng)護1 d脫模,用精度為0.01 mm的比長儀測得其初長為L0,然后將試件浸泡并在60℃養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,分別于 7、14、28 、56、84、112 d 測量試體長度 Lt,計算其膨脹率。膨脹率計算公式[5]為:

試件分為3組測試,每組3個,以不摻NaCl作為對比試件,另外2組分別為摻入0.5 mol/L的NaC l和2.5mol/L的NaCl試件,取平均值。

1.2.2 界面過渡區(qū)的微觀測試

采用掃描電子顯微鏡(SEM)JSM 6490對混凝土的界面過渡區(qū)進行觀察和分析,主要觀察界面過渡區(qū)的物相組成和結(jié)構(gòu)的變化。試件直徑10mm,高20～30 mm,骨料置于圓柱形試件的中部。采用直徑10 mm的塑料薄壁管,剪成20～30mm的長度,將管插在橡皮泥基座上,注入水泥漿體至管高1/2時,在圓心位置加入一顆骨料(骨料粒徑為2.5 mm),再注入水泥漿體至頂部。成型完畢后放入蒸汽標養(yǎng)室中養(yǎng)護1 d后拆模,標養(yǎng)至28 d。試件到達28 d齡期后,取出養(yǎng)護試件,放入無水乙醇中3 d(終止水化并干燥),干燥完畢后取出試件進行脆斷。

1.2.3 孔溶液的離子質(zhì)量濃度測定

為了進一步了解低Ca/Si凝膠與孔溶液中的堿離子質(zhì)量濃度的關(guān)系,對不同齡期的孔溶液進行離子質(zhì)量濃度測定[6],測定的離子為Ca2+、Na+和OH-。用火焰光譜分析儀測出Ca2+、Na+,用酸堿滴定法測出OH-。試件分為3組測試,不摻NaCl作為對比試件,另外2組分別為摻入0.5 mol/L的NaCl和2.5 mol/L的NaCl試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂漿棒的膨脹率測定

膨脹率隨NaCl摻加量的變化,如圖1所示。隨著NaCl的摻加量增加,試件膨脹率逐漸增大;低濃度NaCl試件膨脹呈線性增長;摻入NaCl量越多反應(yīng)越強烈,即堿硅酸反應(yīng)呈加速狀態(tài)。

圖1 膨脹率隨NaCl摻加量的變化

2.2 SEM分析

樣品在標準條件下養(yǎng)護28 d的SEM圖像,如圖2～圖4所示。從圖2可見CH呈較完整的六邊形,層疊狀生長,被膠狀C-S-H包裹覆蓋。凝膠有膠狀和絨絮狀,且整體大面積存在,絨絮狀CSH中生長數(shù)量較少的棒狀A(yù)Ft晶體,且非常細小。

圖2 不摻NaCl的混凝土界面

圖3 外摻NaCl濃度為0.5m ol/L的混凝土界面

由圖3可見,混凝土中CH晶體發(fā)生了腐蝕,六方體的CH被溶解反應(yīng)為一端為錐狀的四面體,層疊在一起,有一定的取向性;C-S-H凝膠呈絮團狀,AFt晶體在凝膠的孔洞中呈少量的柱狀生長,形態(tài)細小。

由圖4可見,CH在混凝土界面過渡區(qū)有著明顯取向性,呈層疊垂直在骨料表面生長;AFt晶體在凝膠與CH之間呈簇狀生長,晶體尺寸較大且較為明顯,而凝膠以小團狀情況呈現(xiàn)。

對比圖2、圖3、圖4,發(fā)現(xiàn)在混凝土界面過渡區(qū)中,外摻NaCl濃度越高,CH由較完整的六邊形,逐漸變?yōu)橹鶢?取向性也變得明顯增強,同時出現(xiàn)細化現(xiàn)象。這說明在高堿環(huán)境下活性骨料不斷溶出,在孔溶液環(huán)境中,反應(yīng)消耗氫氧化鈣生成鈣礬石,發(fā)生反應(yīng)[7]如下:

圖4 外摻NaCl濃度為2.5m ol/L的混凝土界面

上述反應(yīng)導(dǎo)致溶液中氫氧化鈣濃度不斷降低,固體氫氧化鈣不斷溶出,從而使得在界面過渡區(qū)孔隙率增加[8]。隨著摻入NaCl濃度增加,凝膠變得更小,結(jié)構(gòu)更顯得疏松多孔,微裂縫較多。堿硅凝膠吸水膨脹[9],因膨脹空間受限產(chǎn)生局部應(yīng)力,使得漿體-集料界面以及集料、漿體內(nèi)部都發(fā)生開裂。集料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋后,與NaCl接觸的活性集料表面積增加,堿硅酸反應(yīng)在集料-漿體界面以及集料內(nèi)部同時進行,單位時間內(nèi)生成的凝膠數(shù)量增多,從而使裂縫在多點引發(fā)釋放膨脹壓力,導(dǎo)致裂紋數(shù)量增多、寬度增加。隨著反應(yīng)的持續(xù)進行,界面黏結(jié)性就會逐漸降低,漿體-集料界面處不斷增厚的凝膠層使得集料-漿體界面黏結(jié)破壞,而集料內(nèi)部不斷增多的凝膠,則導(dǎo)致集料內(nèi)部出現(xiàn)眾多交聯(lián)裂縫并最終使得集料顆粒斷裂,從而對ASR膨脹起到加速作用。

外摻NaCl濃度越高,界面過渡區(qū)鈣礬石產(chǎn)生量也就越多。鈣礬石晶體增大使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂縫,混凝土膨脹開裂。混凝土孔溶液中的離子與固體顆粒進行反應(yīng)生成AFt時,固相體積增大。隨著AFt的各向異性生長,結(jié)晶壓開始產(chǎn)生,膨脹出現(xiàn)[10],進一步擴大了裂紋,導(dǎo)致膨脹的加速現(xiàn)象。

2.3 孔溶液成分分析結(jié)果

孔溶液中的離子質(zhì)量濃度隨齡期變化,如圖5所示。隨著反應(yīng)進行Ca2+都成下降趨勢,下降速度、幅度大致相同?？兹芤褐械腛H-含量與NaCl摻入成正比,NaCl摻入越多,OH-含量就越高。Na+、OH-反應(yīng)量也與NaCl成正比,NaCl摻入量越多,反應(yīng)消耗的Na+、OH-量就越大,說明膨脹反應(yīng)是加速進行的。NaCl摻入量越多,就會為堿硅酸反應(yīng)提供大量堿,反應(yīng)也越劇烈,膨脹也就越明顯。堿硅酸反應(yīng)的過程[11]是活性骨料在堿溶液的作用下,由表及里先溶解成SiO2單體分子或離子,再在OH-離子催化下,重新聚合成一定大小的SiO2溶膠粒子,進一步在Na+作用下,溶膠粒子凝聚(聚沉)成為一定結(jié)構(gòu)的凝膠,凝膠吸水產(chǎn)生膨脹。

圖5 孔溶液中的離子質(zhì)量濃度隨齡期變化

3 結(jié) 論

(1)隨著NaCl摻入量增加,堿硅酸反應(yīng)增強,混凝土界面過渡區(qū)的CH由以前的完整的六邊形,逐漸變?yōu)橹鶢?取向性也變得明顯增強,并出現(xiàn)細化現(xiàn)象;界面過渡區(qū)的凝膠變得更小,結(jié)構(gòu)更顯疏松多孔,微裂縫較多,使得吸水引發(fā)釋放膨脹壓力;同時界面黏結(jié)性逐漸降低,產(chǎn)生黏結(jié)性膨脹破壞。外摻NaCl濃度增大,界面過渡區(qū)鈣礬石產(chǎn)生量也明顯增多。

(2)NaCl摻入量越多,就會為堿硅酸反應(yīng)提供大量堿,隨著反應(yīng)進行,膨脹也就越來越明顯。同時大量NaCl的摻入使得混凝土界面凝膠中含有大量氯離子,反應(yīng)生成Friedel鹽填充在微裂紋中,對漿體破壞性膨脹也起著推進作用[12]。

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Analysisof expansion property of alkali-active concrete in NaCl exposure

YANG Lei1,2,3, ZHAN Bing-gen1,2, ZHENG Rong-mei1,2, CAO Chuan-sheng3

(1.School of Civil and Hyd raulic Engineering,H efei University of Technology,Hefei230009,China;2.Anhui Labo ratory of CivilEngineering Structure and Materials,Hefei University of Technology,Hefei230009,China;3.FuyangWater Conservan cy Planning and Design Institu te,Fuyang 236000,China)

To reveal themechanism of NaCl accelerating alkali-silica reaction(ASR)of concrete,concrete sampleswith NaCladditionwere cured in standard condition for 28 d.The ASRexpansion ratiowasmeasured by mortar bar,and themicroscopicmorphology and structure of interfacial transition zone(ITZ)in cement concreteexposed to alkalis were observed by scanning electron microscopy(SEM).The ion components in the pore solution were alsomeasured by spectroscopy and titration.The results show that great changesoccur in ITZwhen the amount of NaCl increases:both the refinement and orientation of CH enhance,AFt increases significantly,C-S-H gelaccumulates in smallgroup,more cracks in ITZ and cementmatrix and correspondingly looser structures appear.The consumption of Na+and OH-in pore solution increases.The changesof the composition and structure in ITZ result in the expansion of concrete in NaCl exposure.

concrete;alkali-silica reaction(ASR);expansion ratio;m orphology;pore solution

TU 528

A

1003-5060(2011)01-0105-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.025

2010-03-02;

2010-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(50678058)

楊 磊(1983-),男,安徽太和人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師;

曹傳勝(1962-),男,安徽阜陽人,阜陽水利規(guī)劃設(shè)計院正高級工程師.

(責(zé)任編輯 何曉雄)