碱矿渣陶粒混凝土密实性及硫酸盐腐蚀试验研究.docx

碱矿渣陶粒混凝土密实性及硫酸盐腐蚀试验研究林华艺，林旭健，季韬，梁咏宁，程可佳，郑文元，朱木强（福州大学土木工程学院，福建福州350116）摘要：通过孔结构、抗渗性和硫酸盐腐蚀试验，研究了碱矿渣陶粒混凝土的密实性，以及受硫酸盐腐蚀混凝土的退化性能。研究结果表明，对于同种骨料，碱矿渣混凝土的密实性优于普通混凝土；对于同种水泥，陶粒混凝土的电通量较高，其密实性比石子混凝土的差。混凝土在硫酸盐溶液中浸泡会使混凝土强度先提高再降低，但碱矿渣混凝土强度下降幅度比普通混凝土的小，且碱矿渣陶粒混凝土的下降幅度比碱矿渣石子混凝土的小。碱矿渣陶粒混凝土具有较好的耐硫酸盐腐蚀能力。关犍词：孔结构；抗渗性；硫酸盐腐蚀：密实性；碱矿液陶粒混凝土中图分类号：TU528.2ExperimentalstudyfortheCompactibilityandsulfatecorrosionofalkali-activatedslagceramsiteconcrete1.INHua-yi,LINXun-jian,JITao,LIANGYong-ning,CHENGKe-jia,ZHENGWen-yuan,ZHUMu-qiang（1.CollegeofCivilEngineering.FuzhouUniversity.Fuzhou.Fujian350116,China）Abstract：Bytheporestructuretest,theanti-permeabilitytestandsulfatecorrosiontestofalkali-activatedslagceramsiteconcrete,theCompactibilityanddegradationundersulfatecorrosionofconcretewerestudied.Theresultsshowthat,theCompactibilityofalkali-activatedslagconcreteisbetterthanthatofordinaryconcreteforthesamekindofaggregate.Theceramsiteconcretehashigherelectricflux,anditsCompactibilityisworsethangravelconcreteforthesamekindofcement.Theconcretestrengthincreasesfirstly,andthendecreasesundersulfatesolution;However,thedecendingstrengthvalueofalkali-activatedslagconcreteissmallerthanthatofordinaryconcrete,andhedecendingstrengthvalueofalkali-activatedslagceramsiteconcreteissmallerthanthatalkali-activatedslaggravelconcrete.Therefore,thealkali-activatedslagceramsiteconcretehassuperiorsulphatecorrosionresistance.Keywords：porestructure,anti-permeability,sulfateattack,Compactibility,alkali-activatedslagceramsiteconcrete0引言硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，其用量之大，使之成为人类使用量最大的人工材料。但随着我国建材行业的发展和国家政策的调整，建筑材料逐渐转向环保、节能、无污染。在绿色材料发展潮流的冲击之下，硅酸盐水泥存在的不足显露出来：一方面，能源与资源消耗大，另一方面，熟料搬烧过程中会释放大量温室气体，对环境污染极大【"J。因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用研究，是一项既具有科学意义，又具有实际意义的工作3M。20世纪30年代，PUrdOn等研究发现，少量NaOH在水泥硬化过程中可起催化作用，使水泥中铝硅酸盐易溶而形成硅酸钠和偏铝酸钠，进一步与氢氧化钙反应形成水化硅、铝酸钙，使水泥硬化并重新生成NaoH,催化下一轮反应，由此提出“碱反应”理论。此后，前苏联开展大量相关研究，开发新型碱矿渣水泥，我国与20世纪80年代也开始相关研究，取得大量的研究成果。1项目来源：国家自然科学基金资助（51479036）作者简介：林华艺（1990）男，福建人，研究生，工程力学专业通讯作者：季韬（1972-）,男，福建人，博士，教授，主要从事结构工程研究，it72大量的研究和实践发现，与硅酸盐水泥相比，碱矿渣水泥具有低需水量，低水化热，强度高，耐久性好，护筋性优良，优越的负温硬化性能等优点件IL陶粒混凝土属于高性能轻骨料混凝土，比传统混凝土轻20%以上，而且耐久性好。从建筑节能方面考虑，其能耗将节约40%60%。另外轻骨料原料主要为工业废渣，可以节约碎石的消耗，也是一种有利于环境保护、可持续发展的需要。目前，还没有学者研究碱矿渣水泥在轻骨料混凝土中的性能，对于碱矿渣水泥在混凝土中的应用也是比较少的，本文将通过孔结构试验、抗渗性试验和硫酸盐腐蚀试验等，着重研究碱矿渣陶粒混凝土的密实性及受硫酸盐腐蚀退化性能。1 试验研究1.1 试验材料1)水泥：采用的水泥为福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，水泥的各项性能指标见表1,成分组成见表2；2)细骨料：采用闽江河砂，根据标准建筑用砂(GBzTl4684-2001)测得细骨料的各项技术指标见表3,颗粒级配见表4。3)粗骨料：所用普通石子按照建筑用卵石、碎石(GBT146852001)1网规定的方法对石子的各项指标进行测定，其各项指标、级配见表5和表6所示。选用的陶粒为湖北宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的圆球型页岩陶粒。参照标准轻集料及其试验方法(GB/T17431.2-1998)M测定轻骨料陶粒的基本性能指标，圆球型页岩陶粒的各项技术指标和级配分别如表7和表8所Zjxo4)矿渣：所用矿渣为泰宇混凝土厂提供，其主要化学成分及基本指标见表9和表10。5)水：所用水为福州地区的自来水。6)碱激发剂：NaOH由北京康普汇维科技有限公司生产，为颗粒状，纯度为99%oNa2SO4采用上海埃彼化学试剂有限公司生产的无水硫酸钠，为颗粒状，纯度为99%oNa2SiO3采用液体水玻璃，固体含量为33.7%,其中Na2SiO3含量为25.86%,NazO含量为7.84%,模数为3.3。表1水泥各项性能指标Tab.lPropertiesofcement表观密度比表面积烧失量Lol初凝/终凝时间抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)(kgm3)(m2kg)(%)(min)3d28d3d28d30503601.06125/1855.78.427.545表2水泥组分Tab.2Chemicalcompositionofcement水泥组分熟料二水石膏粉煤灰石灰石矿渣含量()82.55.54.04.04.0表3细骨料各项技术指标Tab.3Propertiesoffineaggregate细度模数堆积密度(kg/m表观密度(kg113)粒径(mm)2.514812590<5表4细骨料的颗粒级配Tab.4Gradationoffineaggregate筛子孔径(mm)分计筛余()累计筛余()4.7500.02.360.50.51.182.83.30.604649.30.3045.194.40.155.199.5VO.】50.5100表5普通石子的技术指标Tab.5Propertiesofceramsite衣观密度(kgm3)堆积密度(kg/I/)吸水率()压碎值()266015320.28.45%表6普通石子的级配表(分计筛余)Tab.6Gradationofnaturalcoarseaggregate粒径2.36mm4.75mm9.5mm16mm19mm分计筛余()08.3682.98.740表7圆球型页岩陶粒的各项技术指标Tab.7Propertiesofceramsite表观密度堆积密度筒压强度种类空隙率()lh24h吸水率()(kgm3)(kgm3)(MPa)宜昌圆球型14608455.642.12.0/4.06表8圆球型页岩陶粒的颗粒级配Tab.8Gradationofceramsite筛孔直径<5mm5mmIOmm16mm2()mm陶粒类型、分计筛余1385380宜昌圆球型累计筛余100996180表9矿渣主要化学成分Tab.9Chemicalcompositionofslag氧化物SiO2CaOAhOjMgOTio2MnO含量()32.8537.4413.0110.782.150.37表10矿渣各项技术指标Tab.10Thepropertiesofslag基本指标碱度系数(Mo)质量系数(KKe)活性系数(MU)实测值1.0511.7310.391.2 试验配合比采用两组碱矿渣水泥作为研究对象,一个是中性钠盐碱矿渣水泥,各组分比例为Na2SO410%.普通硅酸盐水泥5%、矿渣85%,另一个是以Na2SO4和NazSiCh作为凝合剂激发剂的碱矿渣水泥,各组分的比例为Na2S047.5%Na2SiO32.5%,普通硅酸盐水泥5%、矿渣85%,并以普通硅酸盐水泥作为基准组进行参考。采用两种骨料作为研究对象，分别为天然碎石和页岩陶粒。参考普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2011)M轻骨料混凝土技术规程(JGJ51-2002)U61和文献M设计混凝土配合比，并利用正交试验对水泥用量、净水灰比、体积砂率等参数进行优化，最终选定水泥用量为480kg,净水灰比为0.35,体积砂率为0.35。试验配合比见表11。表11中性钠盐碱矿渣混凝土配合比(kgm3)Tab.llMixproportionOfneutralsodium-saltalkali-activatedslag(AAS)cementconcrete(kgm3)编号水泥陶粒砂水JZT480638607168编号水泥石子砂水JZS4801157607168编号Na2SO4Na2SiO3NaOH矿渣水泥陶粒砂水FHT367.14.940824638607168编号Na2SO4Na2SiOjNaOH矿渣水泥石子砂水FHS367.14.9408241157607168JZT表示采用普通硅酸盐水泥和陶粒制成的混凝±。JZS表示采用普通硅酸盐水泥和石子制成的混凝土。FHT表示采用NazSQ和NazSCU复合激发的碱矿渣水泥和陶粒制成的混凝土。FHS表示采用Na2SiO3和Na2SO4复合激发的碱矿渣水泥和石子制成的混凝土。普通水泥混凝土搅拌过程：陶粒在净水中预湿24h-将陶粒、砂和水泥倒入搅拌机中搅拌05min一将水倒入搅拌机中搅拌25min一振捣采用振动台振实和手工压实结合，振捣时间以拌合物捣实和避免轻骨料上浮为原则，宜为1030s0碱矿渣水泥混凝土搅拌过程：陶粒在净水中预湿24h一将矿渣和水泥倒入搅拌机中干拌3min一将激发剂(Na2SC>4Na2SiO4.NaOH)溶解在水中，再将水倒入上一步中得到的混合物中，搅拌Imin-将砂和预湿的陶粒倒入搅拌机中搅拌2.5min一振捣采用振动台振实和手工压实结合，振捣时间以拌合物捣实和避免轻骨料上浮为原则，宜为1030s02试验方案2.1 孔结构试验孔结构采用的试验仪器为北京金埃谱公司生产的V-Sorb2800孔结构分析仪，试验的主要步骤如下：（I）样品制备。将达到测试龄期的混凝土试块放入烘箱内，在60°C温度下烘干，用锤头破碎混凝土试块，得到混凝土小颗粒，然后装入洁净的样品管中。（2）样品预处理。将装有样品的样品管安装到预处理区域，此时应当注意预处理温度不应高于80,因为研究表明钙矶石在80时会开始分解。（3）样品测试。将预处理完后的样品管安装到测试区，选择“孔径分布测定”，开始测试。2.2 抗渗性试验采用电通量法（ASTMCI202法）测定混凝土渗透性能，主要步骤如下：（1）真空饱水：使用NEL-VJH型混凝土智能真空饱水机，将试样放入真空室中，层间应保持通气。开启真空饱水机自动真空饱水，饱水完毕后从真空室中取出试样进行电通量试验。（2）配制溶液：配制3%的NaCl溶液、0.3MolzL的NaOH溶液，使之充分溶解后静置备用。（3）电通量试验：将真空饱水后的混凝土试件安装在有机玻璃夹具上，先在夹具里注入清水，检测是否漏水，当不漏水后用石蜡封住试块四周；然后在正极（红色接线柱）夹具中注入已配制好的NaoH溶液，负极（黑色接线柱）夹具中注入已配制好的NaCI溶液。将各组夹具与电通量测试主机用信号线连接起来，打开电源，设置各通道及时间步数，每隔15min仪器将自动记录显示的电量，六小时后试验完成，读取各通道的电量。并根据表12来评价混凝土渗透性的好坏。表12混凝土电量法分级标准Tab.12Coulometricmethodstandardofconcrete电量（库仑）混凝土渗透性>4000高20004000中等Io(X)2000低100100o很低<100可忽略2.3 受硫酸盐腐蚀混凝土退化性能试验采用加速腐蚀试验方法（烘干-浸泡循环）进行研究。按照以下步骤配置浓度为10%的Na2SO4溶液：将纯度98%以上（近似100%）的无水硫酸钠倒入水中搅拌至完全溶解，无水硫酸钠与水的质量比为1：9。所设计的循环制度为：室温25°C下，采用浓度为10%的Na2SO4溶液浸泡2d（48h）取出擦干表面水分2h80°C恒温烘干20h冷却观察2h,即为一个循环，每个循环为72h（3d）.试件尺寸为40mmx40mmx160mm,成型24h后脱模，标准养护28d,在清水中浸泡2d后，分为直接测量和进行5次上述循环后测量以下指标：a、擦干试件表面，测得干重；b、8（C烘干20h,测得干重；c、测5、10次循环后试件的抗压和抗折强度。3试验结果及分析3.1 混凝土孔结构试验结果及分析通过对混凝土采样后测定孔结构，得到的孔径分布情况见表13、表14。表13混凝土不同孔径范围的总孔体积（mLg）Tab.13Totalporevolumeofdifferentdiameterrangeofconcrete编号总孔体积总孔体积分布220(nm)20-50(nm)50-200(nm)JZT0.038210.008790.015320.01410JZS0.039850.008890.017360.01359FHT0.015850.012140.001430.(XX)29FHS0.016570.014140.001890.00054表14混凝土不同孔径孔隙的体积分布情况Tab.14Volumeofdifferentdiameterporedistributionofconcrete编号平均孔径（nm）各孔径所占比例（）220(nm)20-50(nm)50-200(nm)JZT24.424.2842.3133.41JZS25.622.3243.5734.11FHT11.987.6210.322.06FHS12.685.3211.423.26碱矿渣混凝土的孔直径比普通混凝土小得多，直径小于20nm的孔占70%以上，而普通混凝土仅占20%左右。普通混凝土50nm以上的孔达到30%以上，而碱矿渣混凝土仅占10%以下。从水化产物层面来解释，碱矿渣水泥基体内，由矿渣反应生成的水化产物多是箔片状的C-S-H,以未水化矿渣为中心节点形成了密切的网络结构，产生的大部分为凝胶孔，使得混凝土具有更低的孔隙率InU叫而在普通硅酸盐水泥中C-S-H的多为纤维状的，其网络连接较弱，形成的大部分为毛细孔202因此普通混凝土的孔径相对较大，且其总孔体积远远大于碱矿渣混凝土。通过对比陶粒混凝土和石子混凝土可以发现，两种不同骨料的混凝土总孔径体积相差不大，但在陶粒混凝土中，直径20nm以下的孔要比石子混凝土多3%左右，这主要是因为陶粒在混凝土中的内养护作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化，水泥石结构也更加致密。3.2 混凝土电通量结果及分析混凝土氯离子渗透性试验结果见表15.表15混凝土氯离子渗透性试验结果试验结果Tab.15thetestresultsofchlorideionpermeabilityinconcrete编号电通量（库仑）渗透性评价JZT3983.96中JZS2721.65中FHT1455.53低FHS934.27很低从试验结果来看，无论是采用石子还是陶粒，碱矿渣混凝土的电通量均要低于普通混凝土。其主原因在于，矿渣的比表面积比普通硅酸盐水泥大，其参与反应的接触面积大，其形成的水化产物连接更多，形成更加致密的空间网络。另外，矿渣还具备更强的物理填充作用，因此碱矿渣混凝土的水泥石结构比普通混凝土更密实，孔隙率更低。混凝土的氯离子渗透系数与水泥石的孔结构及混凝土的界面过渡区有密切相关，合理的水泥石孔径分布及致密的界面过渡区都会使得混凝土的抗渗性能更加优异。电通量试验结果与孔结构的试验结果一致，均说明碱矿渣混凝土孔径更小、更加密实，因此，碱矿渣混凝土抗渗性能要优于普通混凝土。另外，陶粒混凝土的电通量均比同种水泥的普通混凝土大（表15）。目前陶粒对混凝土抗渗性的影响并没有定论。从本文的研究结果来看，内部具有较多孔隙的陶粒会为氯离子在混凝土中的迁移提供通道，虽然饱水陶粒对于界面过渡区有着明显的内养护作用，但是由于本文所采用的为表面结构较为致密的页岩陶粒，因此对于混凝土的界面过渡区的增强作用要弱于陶粒本身提供通道的不利作用。因此低吸水率的陶粒会对混凝土的抗渗性产生负面影响。3.3 受硫酸盐腐蚀混凝土退化性能及分析3.3.1 受腐蚀后混凝土强度的衰减采用养护28d后的混凝土试块进行浸泡，在浓度为10%的Na2SO4溶液浸泡下，抗压、抗折强度与循环次数的关系见图1,强度损失率见表16。(声s甯环次数循环次数（a）抗压强度（b）抗折强度图1抗压、抗折强度与循环次数的关系Fig.IRelationbetweencompressivestrength,tensilestrengthandcyclenumber表16lO%Na2SO4浓度浸泡下混凝土的抗压、抗折强度（损失率）Tab.16Mechanicalperformancelossofconcreteunder10%Na2SO4solution干湿循环次数抗压损失率抗折损失率编号000JZT5-7.85%-12.76%1012.80%8.64%000JZS5-13.40%-14.76%105.38%1.20%000FHT5-23.48%-11.65%10-12.48%-2.63%000FHS5-22.63%-12.04%10-9.17%-4.97%注：损失率=(I-溶液浸泡下的强度/标准养护下的强度)X100%由图1可知，4组混凝土的抗压强度在10%硫酸钠浓度下随干湿循环次数的增加先增长后减小，说明在硫酸根溶液对混凝土初期强度有提升作用，对混凝土后期强度有损害。根据文献可知，混凝土受到硫酸盐的侵蚀作用后，水泥石内部生成了大量的膨胀性物质(钙矶石)，使得在初期混凝土内部的孔隙变小，内部结构更加的紧密，造成混凝土强度有所增强，但是随着腐蚀程度的增加，钙矶石造成的混凝土内部压力逐渐的增大，当其达到混凝土的极限抗压强度后，水泥石内部开始出现微裂缝，当侵蚀进一步加深，微裂缝逐渐的变大，最后演变成宏观的混凝土表面的裂缝，混凝土的强度随着裂缝不断增长而逐渐降低。由表16可知，在抗压强度方面，JZT和JZS两组普通混凝土均先分别增长7.85%和13.40%,然后强度下降低于初始值，分别降低了12.80%和5.38%,但是FHT和FHS两组碱激发混凝土先增长幅度为23.48%和22.63%,后期虽然强度有所下降，但仍然高于初始强度。在抗折强度方面,循环5次后,JZT和JZS两组普通混凝土分别增长12.76%和14.76%,循环10次后分别降低8.64%和1.2%,FHT和FHS两组碱激发混凝土同样先增长后降低，但是循环10次后抗折强度仍高于初始强度。可以得出碱激发混凝土的耐硫酸根离子能力要远远强于普通硅酸盐混凝土。4结论(1)对于同种水泥，陶粒混凝土与石子混凝土总孔径相差不大，但是因为陶粒在混凝土中的内养护作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化,水泥石结构也更加致密,其直径20nm以下的孔要比石子混凝土的多3%左右。(2)相比比普通混凝土，碱矿渣混凝土更加密实，其抗氯离子渗透性更强，然而由于陶粒中存在许多孔洞，给氯离子的迁移提供通道，其负面作用比饱水陶粒改善界面过渡区和水泥石孔结构的正面作用大，因此陶粒混凝土的电通量更大。(3)对于同种骨料，普通混凝土的总孔体积是碱矿渣混凝土的两倍以上。普通混凝土经过硫酸盐浸泡10次循环后强度下降明显，而碱矿渣混凝土强度反而有所增长。从FHT和FHS两组碱激发混凝土与JZT和JZS两组普通混凝土的强度衰变对比，可以得出碱激发混凝土较硅酸盐混凝土的耐硫酸盐侵蚀能力更好。总之，碱矿渣陶粒混凝土是一种环保节能的高性能轻骨料，值得推广使用。参考文献1 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