偏高岭土对混凝土抗氟离子渗透性能的影响及机理研究.pdf

材料研究 偏 高 岭 土对 混凝 土抗 氟 离 子 渗 透 性 能 的 影 响及 机 理 研 究 一 孔赞 ， 胡胜雄 ， 张可可 ， 韩金龙 ( 1 湖北省城市地质工程院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 以偏高岭土作为矿物掺和料， 研究了偏高岭土的掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响， 并对其作用机理进行了 探讨。结果表明： 随着偏高岭土掺量的增加， 混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透能力增强； 偏高岭土中的 c A 与氯离子 形成 F r i e d e l 盐， 通过固化作用有效地阻止了氯离子的渗透。 关键词： 混凝土耐久性； 钢筋腐蚀； 偏高岭土； 抗氯离子渗透性能； F r i e d e l 盐 文章编号 ： 1 0 0 7 - - 4 9 7 X( 2 0 1 5 ) 一 2 4 0 0 0 7 0 4 中图分类号： T U 5 0 2 ； T U 5 2 8 文献标志码： A Re s e a r c h o n I nflu e nc e s o f M e t a k a o l i n o n Chl o r i d e Pe ne t r a t i o n Re s i s t a nc e o f Co nc r e t e a nd I t s M e c ha ni s m Ko n g ru n ， Hu S h e n g x i o n g I , Z h a n g Ke k e ， Ha n J i n l o n g 。 ( 1 Hu b e i I n s t i t u t e o f U r b a n G e o l o g i c a l E n g i n e e ri n g ， Wu h a n ， H u b e i 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， Wu h a n ， H u b e i 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n me t a k a o l i n a s a mi n e r a l a d mi x t u r e ，t h e i n fl u e n c e s o f i t s d o s a g e o n c h l o ri d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e d ， a n d i t s me c h a n i s m w a s d i s c u s s e d T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d c h l o rid e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e d o s a g e o f me t a k a o l i n F r i e d e l s a l t wa s f o r me d b y C s A a n d c h l o ri d e i o n ， w h i c h c o u l d e ff e c t i v e l y p r e v e n t t h e p e n e t r a t i o n o f c h l o ri d e i o n s Ke y wo r d s ：d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ； r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n ； me t a k a o l i n ； c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ； F r i e d e l s a l t 在海洋环境下 以及盐碱地带 的钢筋混凝土建筑 物， 会受到渗漏溶蚀、 冻融剥蚀、 冲磨和空蚀、 碳化和 钢筋锈蚀、 环境介质侵蚀及碱集料反应等各种腐蚀作 用。研究表明【 ， 钢筋腐蚀是混凝土结构耐久性降低 甚至破坏的首要原因， 而氯离子则是导致钢筋锈蚀的 主要 因素之一。 收稿 日期： 2 0 1 5 0 9 2 1 作者简 介 ： 孔替， 男 ， 1 9 8 8年 生 ， 硕 士研 究生 ， 湖北城 市地质 工 程院技术员， 研究方向为生态建筑材料。联 系地址： 4 3 0 0 3 0湖 北省武汉市石 齐口区长丰大道 1 1 8号武汉华强新型建筑材料有 限公 司。 氯离子在混凝土中以 3种形式存在5 l ： 1 ) 与水泥 矿物 c ， A直接反应 生成低 氯型氯铝酸钙 3 C a O A l ： O 厂 c a c l 1 0 H ： 0 ( F r i e d e l 盐 ) ， 这 种方式 被称 为 氯离子的化学结合； 2 )被水泥水化产物 c s H凝 胶吸附， 这种方式被称为氯离子的物理吸附； 3 ) 以游 离态存在于混凝土的孔溶液 中，只有 当游离氯离子 浓度超过临界值时， 才会引发钢筋锈蚀。因此， 如何 有效地降低混凝土中自由氯离子的浓度是防止钢筋 锈蚀的关键。本文研究了不同掺量的偏高岭土应用 于混凝 土中对 混凝土抗氯离子渗透能力 的影响 ， 并 深入探讨了偏高岭土掺入混凝土后与氯离子的作用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材料研究 机理。 1 实验部分 1 1 原材料 本研究所采用的水泥为 P _1 4 2 5 水泥， 水泥和偏 高岭土( M K ) 的化学成分见表 1 。图 1 为水泥和偏高 岭土的粒径分布， 从图 1 可以看出， 偏高岭土的粒径 大小明显低于水泥。细集料为河砂， 细度模数为 2 5 。 减水剂为 L N S P型聚羧酸系高效减水剂 ，其减水率 为 2 9 1 。实验用水均为洁净的 自来水。 表 1 水泥和偏高岭土的化学成分 组成 水 泥 偏 高岭土 组 成 水 泥 偏高岭土 C a O 63 5 0 0 4 Ti O2 0 2 6 0 2 8 S i O2 2 0 - 4 5 3 29 K2 O O 6 5 0 4 2 Al 2 O3 431 4 3 1 1 Na 2 0 O 1 2 0 4 4 F e 2 03 3 _ 8 7 O 6 8 0s 0 0 5 2 Mg O 1 - 8 2 0 2 2 L OI 1 -31 0 9 O S O3 3 49 O 1 1 粒径 tz m 图 1 水泥和偏高岭土的粒径分布 1 2 实验方法 1 2 1 混凝土的制备 本研究所采用的混凝土基准配合 比见表 2 。其 中， 水胶 比固定为 0 4 5 ， 偏高岭土分别以 3 、 6 、 9 等质量取代水泥， 砂率为 3 8 。 按照拟定配合比分别 制作 1 0 0 m m x 1 0 0 m m x l 0 0 m m的混凝土试件 ，在标 准条件下养护至 2 8 d 龄期，用混凝土切割机将成型 面顶部 1 0 m m切除， 其余各面均采用石蜡密封， 置于 质量分数为 3 5 的氯化钠溶液中浸泡 ( 切割面朝 上) ， 保持液面高于切割面约 2 0 m m左右。 将浸泡 9 0 d 的混凝土试样烘干后沿切割面垂直方向用打磨机 表 2 混凝土基准配合比 材料名称 用量 ( k g m ) 胶材 4 0 0 砂 7 1 4 石 1 1 6 5 水 1 8 0 减水剂 2 4 按 2 m m逐层进行粉磨取样。 取一定量的粉磨样品分 别浸泡在去离子水和稀硝酸溶液 ( 按体积 比浓硝酸： 去离子水= 1 5 ：8 5 ) 中， l d 后采用全自动电位滴定仪测 定试样中每层的自由氯离子含量和总氯离子含量， 最 终得到混凝土内部的氯离子含量分布曲线。 1 2 2 水泥净浆的制备 将水泥、 制备好的矿物掺合料和水 昆 合 ， 水灰比 为 0 4 ， 为了表征浆体对氯离子的固化能力， 净浆中加 入 1 ( 占胶凝材料的质量百分比) 氯化钠， 在净浆搅 拌机里搅拌均匀， 用 4 0 m m x 4 0 m m x 4 0 m m的六联试 模成型， 静置 1 d ， 待成型后脱模取出。水泥净浆配合 比参照表 3 。取出各组水泥基材料后 ，按照 G B T 1 3 4 6 -2 0 1 1 水泥标准稠度用水量、 凝结时间、 安定 性检验方法 进行养护， 到达规定龄期后， 采用全自动 电位滴定仪测定试样中每层的自由氯离子含量和总 氯离子含量 。 表 3 水泥净浆配合 比 胶凝材料用量 ( 质量 分数 ) 编 号 水泥 偏 高岭 土 M1 1 0 0 0 M2 9 7 3 M3 9 4 6 M4 91 9 2 结果分析与讨论 2 1 偏高岭土对混凝土抗压强度的影响 图 2 为不同掺量下偏高岭土对混凝土抗压强度 的影响。从图 2 可以看出， 偏高岭土对混凝土有良好 的强度促进效应，尤其是对早期强度。对比基准样， 当偏高岭土的掺量为 9 时， 混凝土的2 8 d 抗压强度 增长达到 3 0 。这主要是由于偏高岭土的填充效应 增加了混凝土 的密实度 ， 同时 ， 其火山灰活性大大优 化了水化产物， 从而显著提高了混凝土的抗压强度。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 龄 期 ， d 图 2 偏高岭土对混凝土抗压强度的影响 2 2 偏高岭土对氯离子含量分布的影 响 偏高岭土对混凝土中氯离子含量分布的影响结 果见 图 3 _4 。从图 3 _4可以看 出， 随着深度 的不断 增加， 总氯离子含量和 自由氯离子含量均逐渐降低。 而同一深度横向对比，随着偏高岭土掺量的增加， 总 氯离子含量均有明显下降。当偏高岭土掺量为 9 时， 在 8 m m深处的总氯离子含量相对于空白样下降 3 2 8 。此外 ， 存在于孔溶液 中的自由氯离子含量也 随偏高岭土掺量的增加而降低， 这说明偏高岭土显著 地阻止了氯离子的渗透。其原因是偏高岭土的填充 效应改善了混凝土的孔结构， 与此同时， 偏高岭土的 火山灰活性消耗了混凝土体系中结构疏松的氢氧化 钙 ， 形成结构更加密实的二次水化产物 ， 提高 了混凝 土的密实度。 昆 凝土内部结合氯离子含量为总氯离子含量减 去 自由氯离子含量 。通过对 比总氯离子含量和 自由 氯离子含量得 出： 偏高岭土的掺量越高 ， 结合氯离子 含量越高， 即结合氯离子能力越强。当偏高岭土掺量 分别为 0 、 3 、 6 和 9 时，混凝土试件 1 0 m m深 处的结合氯离子含量分别为 0 0 6 9 1 5 、 0 0 8 2 1 8 、 0 0 8 8 9 4 和 0 0 9 1 2 4 。这表明掺加偏高岭土的混 凝土通过提高结合氯离子的能力 ， 降低了氯离子的渗 透。 2 3 偏高岭土对氯离子固化能力的影响 表 4 描述了水泥浆体内部结合氯离子的能力。 从 表 4 可以看出， 偏高岭土的加入显著增加了结合氯离 子含量 ， 且随着偏高岭土掺量的增加 ， 结合氯离子含 材 料 研 究 一 皿 矗 I 钿 橱 芷 深度 ra m 图 3 总氯离子含量分布图 深度 m m 图4 自由氯离子含量分布图 表 4 水 泥浆体结合氯离子的能力 项目 M1 M2 M3 M 4 总氯离子含量 ( m g g ) 3 9 l 1 3 9 3 2 3 8 6 0 3 8 5 6 自由氯离子含量 ( mg g ) 2 2 9 2 1 6 6 5 1 3 9 4 1 2 3 1 结合氯离子含量 ( m g g ) 1 6 l 9 2 2 6 7 2 4 6 6 2 6 2 5 量也增加。这更进一步表明偏高岭土大大地提高了 体系结合氯离子的能力。由于偏高岭土的掺入， 体系 中 C 的含量得到提高 ，与氯离子反应生成 F r i e d e l 盐， 有效地将氯离子固化。 2 4 偏高岭土水泥体系的D S C分析 图 5 为不同试样的D S C分析结果。利用 D S C分 析手段分析水泥基材料的水化产物 ， 通过热分解 曲线 对水化产物进行定量分析。从 图 5可以看 出， M4试 样在 3 2 0 3 7 0的吸热峰和在 7 3 0 o C 左右的放热峰 表明 F r i e d e l 盐的存在61 ， 这说明偏高岭土的加入， 促 进了F r i e d e l 盐的形成 ， 从而提高了混凝土中氯离子 如 加 ：2 m O W， 越骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材料研 究 M1 M4 2 0 0 3 0 0 4 00 5 0 0 6 U U 7 0 0 8 0 0 温度 图 5 D S C分析结果 的固化能力 。另一方面 ， 4 0 0 4 8 0处为氢氧化钙 的 分解吸热峰， 从图 5可以看出 M 4试样 中的氢氧化钙 含量明显低于 M1 试样 ， 这是 由于偏高岭土的火山灰 活性 ， 消耗了体系中的氢氧化钙 ， 生成结构更加密实 的水化产物， 从而降低了混凝土的孑 L 隙率， 提高了抗 氯离子渗透能力， 这与氯离子含量分布结果相一致。 3结论 1 ) 偏高岭土作为矿物掺和料等量部分取代水泥， 提高了混凝土的抗压强度， 降低了混凝土中总氯离子 含量和 自由氯离子含量 ， 从而有效地阻止了氯离子的 ( 上接第 6页) 集中在东方雨虹集 团的工程公司及部分大型防水企 业 的工程公司 ， 已经在为这些企业创造价值和声誉。 4 机械化施工对未来防水行业整合的影响 国内防水行业总体来说是供大于求， 产能严重过 剩 ， 目前面临的主要 问题是行业增速不断减缓 和企业 需要不断发展的矛盾， 是建筑渗漏率居高不下和企业 系统配套服务不足的矛盾。 在用工成本不断上升的趋 势下 ， 机械化施工已经不再是企业想不想 、 愿意不愿 意做的事情了。 防水涂料 目前在 中国市场上大约有 6 0 0万 t 的 规模 ， 据中国建筑防水协会的统计 ， 占全部防水产业 的 2 6 4 左右 ( 据中国建筑防水协会 2 0 1 4 年年度报 告) ， 未来发展前景仍很广阔。 目前防水行业 的机械化施工刚刚开始起步 ， 最早 渗透。 2 ) 偏高岭土中的 c ， A与氯离子发生化学反应形 成 F r ie d e l 盐， 提高了混凝土的氯离子固化率， 同时其 填充效应和火山灰活性改善了混凝土的孔结构和孔 隙率 ， 降低了? 昆 凝土中游离氯离子的浓度 ， 延缓了钢 筋锈蚀， 提高了 昆 凝土的耐久性。 参考文献 ： 1 】 金祖权 ， 孙伟 ， 赵铁军， 等 在不同溶液中混凝土对氯离子 的固化程度 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 1 0 6 8 1 0 7 8 2 】 龙广成， 吕学锋， 谢友均， 等 然扩散条件下混凝土中氯 离子的沉积f J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 6 5 4 6 9 3 】 赵井辉， 武义馨， 刘福胜， 等 矿物掺合料水工混凝土抗氯 离子侵 蚀性 能研 究 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 5 ( 3 ) ： 8 7 9 0 4 陈益兰， 赵亚妮， 雷春燕 掺偏高岭土的高性能混凝土研究 【 J 1 新型建筑材料， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 4 1 4 3 5 杨长辉， 晏宇， 欧忠文偏 高岭土水泥净浆结合氯离子性能 的研 究fJ 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 1 - 7 【 6 L u o R， C a i Y， Wa n g C， e t a 1 S t u d y o f c h l o r i d e b i n d i n g a n d d i f f u s i o n i n G G B S c o n c r e t e J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 3 ( 3 3 ) ： 1 - 7 址 的企业从开始推广使用到现在也不过一年多的时问， 建筑防水市场上防水涂料机械化施工的比例还非常 小 ， 预计 2 0 1 5年还达不到 3 的规模。但这是观念的 革命、 理念的更新 ， 相信随着各大领军企业的带动作 用， 会迅速地推广开来。 当然， 由于中国建筑防水行业 规模庞大，机械化施工的推广也将是一个长期的工 作 ， 市场份额将有一个逐步上升的过程 ， 比较容易实 现 的防水涂料机械化施工 ，要达到 5 0 的比例也需 要几年时间。但有一点是肯定 的， 防水材料机械化施 工率的提高 ， 将与中国防水行业质量提升同步 ， 与防 水市场规范发展同步。 参考文献 ： 1 】 朱冬青 新常态下建筑防水行业面临的变革 J 1 中国建筑防 水 ， 2 0 1 5 ( 2 0 ) ： 1 - 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m