白云石礦物摻合料的研究*

阮炯正 王力強 劉雅琪 宋 雙

(1:吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118; 2:吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院,長春 130111)

混凝土在凝結(jié)硬化過程中經(jīng)常發(fā)生體積收縮,進而對混凝土的許多性質(zhì)均產(chǎn)生不利影響.如何制備具有體積補償?shù)膹?fù)合混凝土摻合料減少混凝土的體積收縮,可能是一條值得探索的新路,由此，筆者提出了利用白云石微粉作為復(fù)合摻合料加入到混凝土,研究利用堿-碳酸鹽反應(yīng)提高混凝土抗?jié)B性能的可行性.

1 白云石復(fù)合礦物摻合料的抗?jié)B機理

眾所周知,如果在混凝土拌合料中使用了白云石作為粗集料,經(jīng)常會發(fā)生堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali—carbonateriaction),是指水存在的環(huán)境下水泥中的堿與粗集料白云石之間發(fā)生的反應(yīng),形成的混凝土體積膨脹甚至?xí)够炷脸霈F(xiàn)開裂[1].所以，堿-碳酸鹽反應(yīng)被認為是引起混凝土體積安定性不良的原因之一.迄今為止,研究堿骨料反應(yīng)目的多是為了防止其對混凝土工程造成損害.應(yīng)因勢利導(dǎo)采取合理措施使堿-碳酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹來補償混凝土的體積收縮,并努力使之成為制備抗?jié)B混凝土復(fù)合摻合料的技術(shù)措施.

文獻[2]中介紹“堿—碳酸鹽反應(yīng)(也稱為去白云石化反應(yīng))機理如下:

CaMg(CO3)+2MOH=CaCO3+Mg(OH)2+M2CO3

式中,M為堿金屬離子即Na+,K+,Li+,去白云石化反應(yīng)的產(chǎn)物層中，除了方解石和水鎂石外,還有K+,Na+和CO32-離子,即去白云石化反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物K+,Na+和CO32-未回到孔溶液中,而是保留在產(chǎn)物層中占據(jù)一定的空間.因此,去白云石化反應(yīng)產(chǎn)物所占據(jù)的空間大于參加反應(yīng)的白云石所占據(jù)的空間,從而引起膨脹”.所以，合理利用該膨脹反應(yīng),研發(fā)具有膨脹功能的混凝土摻合料在理論上是可行的.唐明述在中國科學(xué)基金1995年第三期里介紹了堿-碳酸鹽膨脹機理[3],白云石表面的Mg2+離子與OH-離子結(jié)合形成水鎂石,原表面層處的碳酸鈣形成方解石,膨脹是由局部反應(yīng)和結(jié)晶壓引起的,去白云石反應(yīng)的自由能⊿G298=-12.19kJ,說明反應(yīng)在室溫條件下即能進行.

堿-碳酸鹽反應(yīng)的本質(zhì)是白云石里的碳酸鎂與環(huán)境溶液里的氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化鎂的過程.而且大量實驗結(jié)果表明[4],堿-碳酸鹽反應(yīng)與堿-硅酸反應(yīng)不同,即采用低堿水泥或不同摻合料材料并不能有效抑制堿-碳酸鹽反應(yīng),這對利用堿-碳酸鹽反應(yīng)形成的體積膨脹,補償混凝土體積收縮反而是有利的,即堿-碳酸鹽反應(yīng)與摻入的摻合料種類和數(shù)量不敏感,有利于控制體積膨脹的數(shù)量.所以利用天然白云石作為主要原料,與水泥里的堿(或外加堿)反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹,補償混凝土凝結(jié)硬化時產(chǎn)生的體積收縮在理論上是可行的.

2 白云石復(fù)合礦物摻合料實驗驗證

2.1 實驗用材料

(1) 水泥. 長春亞泰水泥廠鼎鹿牌PO42.5R普通硅酸鹽水泥,經(jīng)能譜分析檢測水泥的當(dāng)量堿含量為1.16%,可認為是高堿水泥；

(2) 白云石. 產(chǎn)地為山東石河,用X射線衍射儀檢測確認為白云石巖.用行星式快速研磨機將白云石磨細,控制粒徑與水泥的相近.

2.2 實驗方法及試驗結(jié)果

按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》規(guī)定,共制作12組試件.每組試塊加入不同摻量的白云石粉,奇數(shù)組采用在溫度為20℃的空氣中養(yǎng)護,偶數(shù)組采用在溫度為20℃的水中養(yǎng)護.每組試塊白云石粉含量及養(yǎng)護條件見表1.

表1 水泥膠砂試件中白云石粉摻量(外摻)及養(yǎng)護條件

水泥膠砂試件在成型1d后拆模檢測基準(zhǔn)長度,然后在第2d、第5d、第10d、第17d、第28d分別對試件長度的變化量進行測定(詳見表2).

表2 水泥膠砂試件不同齡期內(nèi)長度變化量 (mm)

續(xù)表

注：表格中“+”表示體積膨脹，“-”表示體積收縮

摻入白云石粉水泥膠砂試件的強度試驗結(jié)果,見表3、表4所示.

表3 單數(shù)編號水泥試塊強度試驗值(20℃空氣中養(yǎng)護)

表4 雙數(shù)編號水泥試塊強度試驗值(20℃水中養(yǎng)護)

2.3 試驗結(jié)果分析

從上述實驗結(jié)果可以知道,利用水泥中的堿與白云石粉反應(yīng)能產(chǎn)生體積膨脹,可獲得補償(或部分補償)水泥水化硬化時產(chǎn)生的體積收縮的目的,在水中養(yǎng)護對堿-碳酸鹽反應(yīng)有明顯的促進作用.

2.4 X射線衍射試驗結(jié)果及分析

2.4.1 X射線衍射試驗

為驗證白云石是否發(fā)生了去白云石化反應(yīng),還對白云石粉及摻入白云石粉的試件進行X射線衍射測試,結(jié)果如圖1,2所示.

圖1 白云石粉的X射線衍射圖譜

圖2 12#試件的X射線衍射圖譜

2.4.2 試驗結(jié)果分析

通過上面的X射線衍射圖譜對比分析可知,12#試件里白云石粉的衍射峰已經(jīng)基本不見,證明白云石粉與堿發(fā)生了去白云石化反應(yīng).

2.5 掃描電鏡試驗微觀結(jié)構(gòu)觀察及結(jié)果分析

2.5.1 掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)觀察

為檢驗微觀結(jié)構(gòu)是否致密,采用掃描電鏡觀察2#,11#試件的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖3圖4所示.

圖3 2#試件掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)

圖4 11#試件掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)

2.5.2 掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)觀察分析

通過對比微觀結(jié)構(gòu)可以看出,加入白云石粉的11#試件密實度增加,消除了試件的顯微裂紋.這可能是由于堿-白云石反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹,使水泥石更加密實的結(jié)果.

2.6 抗?jié)B混凝土實驗

采用C30P6泵送抗?jié)B混凝土配合比作為基準(zhǔn)配比,即PO42.5強度等級的水泥,水泥堿含量0.85%,水泥用量為275kg,粉煤灰80kg,中砂840kg,碎石(5mm～31.5mm)1 010kg,水170kg,萘系減水劑9kg.28d實際檢測混凝土抗?jié)B等級可達P8的技術(shù)要求.

在上述基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上設(shè)計的對比實驗配合比,用白云石復(fù)合摻合料40kg(內(nèi)含氫氧化鈉0.24kg)代替粉煤灰40kg,28d實測混凝土抗?jié)B等級可達P12技術(shù)要求.

3 結(jié)語

從上述實驗結(jié)果可以證明,利用水泥中的堿(或外加堿)與白云石粉發(fā)生的堿-碳酸鹽反應(yīng),可產(chǎn)生體積膨脹,能起到部分補償水泥水化硬化時產(chǎn)生的體積收縮.

參 考 文 獻

[1] 劉 錚,韓蘇芬,唐明述,堿-碳酸鹽反應(yīng)機理[J].硅酸鹽學(xué)報,1987(4):302-308.

[2] 封孝信,馮乃謙,碳酸鹽反應(yīng)的膨脹機理[J].硅酸鹽學(xué)報,2005(7):921-915.

[3] 梅來寶,鄧 敏,唐明述,堿-碳酸鹽反應(yīng)研究進展[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(2):104-110.

[4] 呂憶農(nóng),蘭祥輝,程東明,韓素芬.堿-白云石反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)膨脹機理[J].硅酸鹽學(xué)報,1994,22(4):315-324.