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膨胀剂对粉煤灰混凝土显微结构及抗碳化性能的影响.pdf

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资源描述

1、2 0 1 1年 第 7 期 (总 第 2 6 1 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o ta l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及 辅助物料 M ATE Rl AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 2 1 膨胀剂对粉煤灰混凝土显微结构及抗碳化性能的影响 水中和 ,屠柳青 1 I 2 ,马军涛 ,陈伟 ,徐文冰 ( 1 武汉理工大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ;2 中交武汉港湾工程

2、设计研究院有限公司,湖北 武汉 4 3 0 0 7 1 ) 摘要: 在水泥混凝et , A膨胀剂将改变水化产物的数量和孔结构, 进而影响其抗碳化性能。 对掺膨胀剂水泥混凝土的显微结构及抗 碳化性能进行了研究, 分析了膨胀剂用量和碳化过程对混凝土中 C a ( O H) : 含量和孔结构特性的改变规律。 研究结果表明: 膨胀剂虽然增 加了混凝土内 C a ( O H ) 的数量, 但同时劣化了混凝土内部的孔结构, 使 C O 更易向混凝土内部渗透, 从而加速了混凝土的碳化。 关键词: 膨胀剂 ; 碳化速率;碱含量;孔结构 中图分类号 : T U5 2 8 0 4 2 4 文献标志码 : A 文章

3、编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 6 2 0 3 Effec t o f ex pan s i ve a dmi x t ur e on t he mi c r os t r uc t ur e a nd c a r bona t i on r es i s t a nc e o f f l y a s h c onc r e t e S HU I Z h o n g - h e , T UL i u q 衄 , MAJ an t a o , C HE NWe i , XUWe n _ b ( 1 S c h o o l o f Ma t e r

4、 i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g , Wu h a nUn i v e r s i t ya n dT e c h n o l o g y , Wu h a n4 3 0 0 7 0 , C h i n a 2 C C C CWu h an Ha r b o u r E n g i n e e r i n g De s i g n a n dR e s e a r c hC o , L t d , Wu h a n4 3 0 0 7 1 , C h i n a ) A b s t r a ct: T h e a d d i t i

5、 o n o f e x p a n s i v e a d mi x tu r e i n c o n c r e t e c a n c h a n g e b o t h t h e d e n s i ty a n d a l k a l i n i ty, t h e r e b y a ff e c t t h e c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e Ex p a n s i v e a d mi x t u r e i s u s e d i n thi s a r t i c l e, wh i c h s t u d i e d

6、 h o w d i ffe r e n t a d d i t i o n s of e x p a ns i v e a d mi x t ur e i n flu e nc e t h e c a r b o n a t i o n r a t e o f c o n c r e t e Th e me c h a n i s m wa s d i s c us s e d f r o m t wo a s pe c t s i n c l u di n g a l k a l i r e s e r v e and p o r e s t r u c t ur e Th e r e s

7、 u l t s s ho we d tha t e x p a ns ive a d mi x t u r e c o ul d b o t h i n c r e a s e t h e a l k a l i r e s e r v e and c o ars e n the s t r u c t u r e of c o n c r e t e, t h e n a c c e l e r a t e d t h e d i ff us i o n r a t e o f CO2 u l t i ma t e l y Key wor ds : e x pans i v e a d m

8、i x t u r e ; c a r bo n ati o n r a t e ; a l k a l i r e s e r v e; p o r e s t r u c t u r e 0 引言 近些年来 , 由混凝土碳化引起的钢筋锈蚀 , 已经成为影响 混凝土耐久性的一个重要因素【 1 。 特别是在粉煤灰得到大量应 用的情况下, 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能需要得到进一 步的重视。 大多数研究都表明 , 粉煤灰的使用会导致混凝土 内部的碱度降低 , 加速混凝土的碳化, 对钢筋混凝土的耐久性 造成不利的影响。 对于混凝土来说, 由于水泥硬化过程中会产生一定程度的 体积收缩, 从而造成混

9、凝土的开裂, 而由于膨胀剂在水化过程中 可产生一定的膨胀, 在混凝土中得到了大量的应用。 常用膨胀剂 多数以形成钙矾石或氢氧化钙等水化产物为膨胀源, 而膨胀剂 引起的膨胀和带入的氢氧化钙均会在不同程度上影响混凝土的 碳化速率。 研究表明嗍 , 混凝土的碳化是 C O 通过孔溶液向混凝 土内部渗透的过程, 而孔结构对其碳化反应影响很大。 L i Y i n g y u 等人四 研究了孔结构对 C O : 扩散的影响, 表明半径为 3 2 0 A以上 的孔对扩散系数影响很大。 H o u s t Y F等人 根据吸附等温曲线和 压汞仪测定由水分和孔隙率引起的扩散系数变化, 发现当水灰 比从 0 4

10、升至 0 8时, 扩散系数增加了十倍以上, 而相对湿度对扩 散系数的影响很小。 而同样有研究表明 , 在加入膨胀剂后 , 钙 矾石的形成可能破坏混凝土内部的结构。 游宝坤和赵J 顷增等人 t q 均针对膨胀剂进行了一系列的研究, 表明膨胀剂的加入可增加 混凝土中的 C a ( OH) : 含量, 进而影响混凝土的抗碳化性能。 本文研究了膨胀剂对粉煤灰混凝土显微结构和抗碳化性 能的影响规律, 测试了含膨胀剂粉煤灰混凝土的加速碳化速率, 并从氢氧化钙含量和孔结构两方面探讨膨胀剂改变粉煤灰混 凝土碳化速率的微观机理。 1 试验原材料 试验使用天津豹鸣股份有限公司生产的HC S A型高性能膨 胀剂,

11、其他原材料包括华新水泥股份有限公司生产的P I 5 2 5 级 水泥, 武汉青山电厂生产的 I I 级粉煤灰, 武汉港湾新材料公司 生产的L N S P型聚羧酸高效减水剂。 水泥、 粉煤灰和膨胀剂的化 学成分见表 1 。 膨胀剂及其水化 3 d 后水化产物的 X R D图谱和 S E M 图 片如图 1 、 2 所示。 表 1 水泥、 粉煤灰和膨胀剂的氧化物成分 收稿 日期 :2 0 1 1 - J 0 1 _ 3 0 基金项目:国家自 然科学基金( 5 0 8 0 2 O 6 7 ) ; 中央高校基础研究基金( 2 0 1 0 V I O 1 1 ) ; 教育部回国留学人员基金 6 2 El

12、 0 E6 E1 0 E6 耻 E E2 。 E 04 3 8 1 7 2 2 3 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 ( a ) 试样碳化0 d 的Ds c 曲线 ( b ) 试样碳化2 8 d 后的Ds c 曲线 图 5 不同膨胀剂掺量试样的 D S C 曲线 掺量不同的试样 , 在 2 8 d的碳化之后 , 所有试样中的C a ( OH) 均全部与 C O : 发生反应生成 C a C O , 。 而从碳化前的 C a ( OH) : 含量来看, 在膨胀剂加入后, 由于其带入的C a (

13、O H) 组分 , 掺加 膨胀剂的试样中碱储备均有不同程度的增加, 从这方面说 , 膨 胀剂的加入对混凝土的抗碳化性能是有一定的促进作用的, 但 经过 2 8 d的加速碳化之后 , 掺加膨胀剂的试样消耗了更多的 C a ( 0H) , 最终均被完全碳化为 C a C O 。 混凝土的孔结构通过压汞仪计算其总孔隙率及孑 L 径分布 , 图 6 为膨胀剂掺量为 0和 6 试样的孔结构对比( 分别对应 E 0 和 E 6 ) : 由其孔结构可以明显看出, 在加入 6 的膨胀剂后 , 混凝土 的总孔隙率由0 0 8 0 5 mL g增至 0 0 9 9 4 mL g , 从其分计进汞量 来看, 其大孔

14、数量也有增大的趋势。 总体来说, 膨胀剂的加入劣 化了混凝土内的孔结构 , 使 C O : 更容易的通过孑 L 洞向混凝土内 部渗透, 这是影响混凝土抗碳化性能的主要原因。 表 3 水泥 浆体 中的 C a ( OH) z 和 C a C Os 含量 曼 、 槲 毯 : 孔径 n m ( a 1 累计孔 隙率 孔 径 m m 分计进汞量 图 6 不同膨 胀剂掺量试样 的孔结构对 比 图 7为膨胀剂掺量为 0和 6 净浆水化 2 8 d产物的 S E M 微观形貌分析 : 从其微观形貌来看, 在掺加了 6 的膨胀剂之后, 在试块内 部生成了更多的钙矾石和片状 C a ( O H) : 晶体 ,

15、而正是膨胀剂带 来的膨胀组分反应明显增多了内部的孔洞 , 大量的连通孔出现 , 这也与孔结构和热分析的结果相吻合。 在混凝土中加入膨胀剂后, 膨胀剂带人的 C a ( O H) 组分增 ( a ) 未掺加膨胀剂的净浆试样 ( b ) 掺加6 膨胀剂的净浆试样 图7 不同膨胀剂掺量试样的微观结构形貌 6 4 多了 昆 凝土内部可碳化物质的数量, 但其反应生成的 C a ( O H) 和钙矾石均产生膨胀 , 使总的固相体积增加 , 反而会其内部结 构造成破坏, 从而使 C O : 更容易通过孑 L 洞向混凝土内部侵蚀, 加 快了碳化反应的速度。 结合之前对于不同膨胀剂掺量碳化深度 的测试, 可以看

16、出, 相对于膨胀剂对混凝土内碱含量的影响, 其 对混凝土内部孔结构的破坏对碳化反应影响更明显, 综合来说, 膨胀剂的加入加快了混凝土的碳化速率, 对混凝土的抗碳化性 能没有明显的改善作用。 4结 论 本研究通过研究不同膨胀剂掺量粉煤灰混凝土的抗碳化 性能, 并通过 T G DS C分析、 孑 L 结构分析和 S E M 电镜分析 , 对 其影响机理进行了探讨, 得出结论如下: ( 1 ) 在标准养护的条件下 , 膨胀剂的加入对混凝土的强度 无显著的影响。 ( 2 ) 膨胀剂的加入增加了混凝土内部 C a ( O H) : 的数量, 但 同时劣化了混凝土内部的孔结构 , 使 C O: 更易向混凝

17、土内部 渗透。 ( 3 ) 对于粉煤灰混凝土来说, 膨胀剂的加入促进 了混凝土 的碳化进程, 对混凝土的抗碳化性能没有明显的改善作用。 参考文献: 、 1 何智海, 刘运华, 白轲, 等混凝土碳化研究进展【 J J 材料导报 , 2 0 0 8 , 2 2 ( 5 ) 专辑 X : 3 5 3 3 5 7 2 】C e n g i z D u r a n A t i s A c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n a n d t e s t i n g o f c o n c r e t e m a d e w i t h f l y a s h J

18、 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s , 2 0 0 3 ( 1 7 ) : 1 4 7 - 1 5 2 【 3 】S U L A P H A P, WO N G S F, WE E T H, e t a 1 C a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g mi n e r a l a d mi x t u r e s J _J o u r n a l of Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g

19、 i n e e r i n g , 2 0 0 3 , 1 5 ( 2 ) : 1 3 4 1 4 3 4 柳俊哲 混凝土碳化研究与进展( 3 ) 腐蚀因子的迁移l J 1 混凝土, 2 0 0 6, 1 ( 1 9 5 ) : 5 1 5 4 5 Y ! N G YU L , GU I DO N G WT h e me c h a n i s m of c a r b o n a t i o n of mo r t a r a n d t h e d e p e n d e n c e of c a r b o n a t i o n o n p o r e s t r u c t ur

20、e I n: p r o e Ka t h a r i n e a n d Br y a n t Ma t h e r I n t Co n f o n Co nc r e t e Du r a b i l i t y At l a n t a, 1 9 8 7: 1 91 5 1 9 4 3 下转第 6 8页 一 1 目 一 、 蛔怅制 表 5 水泥混凝土性能指标 外加剂, 但由于 5 号剂方的7 d抗折强度大于 8号剂方, 选择 5 号 剂方作为路面水泥混凝土外加剂优于 8号剂方。 5 高效外加剂性能稳定性试验 众所周知, 糖在液状时时是 比较容易发酵的, 为避免发酵 变成其他物质, 改变

21、原缓凝效果翻 , 试验选择上述 5 号组合配合 比外加剂, 使用浓度为 3 0 液碱进行 p H值调整, 在室内温度为 2 O时进行红水河 P O 4 2 5 R级水泥净浆凝结时间试验。 试验 结果如图 3 、 4 。 量 暑 、 垦 翟 螂 放置时间, d 图 3 不 同 D H值环境 下外 加剂 的缓凝效 果( 初凝 ) 3 g 3 2 厘 2 留 1 姆 1 - -p H= 4 p H=6 r _ p H=8 p H=1 0 放置 时 间 , d 图 4 不 同 p H值环境下外加剂的缓凝效果( 终凝 ) 由图 3 、 4可知: 不同p H值环境下组合配合比的外加剂与 水泥净浆凝结试验初

22、凝和终凝曲线图大致相同; 刚配好的外 加剂在不同p H值环境下进行水泥净浆凝结试验, 试验结果证实 在不同p H值环境条件下 5 号组合配合 比外加剂的缓凝效果大 致一样 , 说明此时外加剂的缓凝效果与 p H值环境无关 ; 组合 配合比的外加剂在 p H值显示为酸性时( 即p H小于 7 ) , 随着时 间的推移 , 其缓凝效果会大大降低; 组合配合比的外加剂在 上接 第 6 4页 6 HO U S T Y F , T I MA NN F HI n fl u e n c e o f p o r o s i t y a n d w a t e r c o n t e n t o n t h e

23、 d i f f u s i v it y o f C O 2 a n d 02 t h r o u g h h y d r a t e d c e me n t p a s t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , 1 9 9 4 ( 2 4 ) : 1 1 6 5 1 1 7 6 【 7 】 游宝坤 , 席耀忠 钙矾石的物理化学性能与混凝土的耐久性 J 中国 建材科技, 2 0 0 2 ( 3 ) : 1 3 1 8 8 】M E H T A l L C o n e r e t e c a r b o n a t i

24、o n J M a t e ri a l s Wo r l d , 2 0 0 8 , 1 6 ( 1 O ) : 1 8 1 8 9 9 游宝坤, 李乃珍 膨胀剂及其补偿收缩混凝土 M 】 中国建材工业出版 68 p H值显示为碱性时, 随着时间的推移, 其缓凝效果变化幅度很 小。 为了便于运输和降低外加剂的腐蚀性, 建议以赤砂糖为缓凝 剂的高效水泥混凝土路面外加剂配制成 p H为 8 的弱碱性溶液。 6 结 i 4 - ( 1 ) 通过不同掺量赤砂糖缓凝剂在室温和高温条件下的缓 凝效果试验证实当赤砂糖缓凝剂掺量小于 0 0 4 时, 在室温和高 温条件下赤砂糖缓凝剂对水泥混凝土的缓凝效果不

25、显著; 当赤 砂糖缓凝剂掺量大于 0 0 5 时, 在室温和高温条件下赤砂糖缓凝 剂改善水泥混凝土的缓凝效果过大, 影响到正常的施工工序和 工期要求; 当赤砂糖缓凝剂掺量为 0 0 4 - 0 0 5 之间时 , 赤砂 糖缓凝剂对水泥混凝土路面施工时所需的缓凝剂效果最佳。 ( 2 ) 通过其f 电 夕 卜 力 口 剂选择试验证实以赤砂糖为缓凝剂 U NF 5 H 高效减水剂主体的高效水泥混凝土路面外加剂 , 选择吉林木钙 普通减水剂、 x P引气剂作为补充较为理想。 ( 3 ) 根据高效外加剂组合配制试验结果得到以UN F 5 H高效 减水剂:0 0 5 赤砂糖缓凝剂: X _P引气N:o 2

26、 5 木钙= 7 0 : 1 0 : 2 5 : 1 7 5 的配合比组合成的高效水泥混凝土路面外加剂既能有效地改 善水泥混凝土凝结时间, 又能达到减水 、 提高混凝土路面力学 和使用性能。 ( 4 ) 通过高效外加剂性能稳定性试验证实为使赤砂糖缓凝 剂在质量保证期内不发生质变影响高效外加剂的缓凝效果 , 将 高效外加剂配制成 p H为 8的弱碱性溶液。 参考文献 : 【 l 】 冯乃谦实用混凝土大全【 M 北京: 科学出版社, 2 0 0 1 : 7 8 8 3 2 陈建奎 混凝土外加剂原理与应用 M E 京: 中国计划出版社, 2 0 0 4 : 5 7 6 0 1 0 7 1 08 3

27、张书香, 等 化学建材生产及应用【 M 京: 化学工业出版社, 2 0 0 4 : 1 3 5 1 3 7 4 张超, 等 路基路面试验检测技术【 M 】 E 京: 人民交通出版社, 2 0 0 6 : 4 8 5 O 5 黄琼念, 覃峰, 等 剑麻纤维水泥基复合材料性能试验的研究 J 广西 大学学报, 2 0 0 8 ( 1 ) : 2 7 3 0 【 6 覃峰, 黄琼念, 等 橡胶粉水泥混凝土路面面板与温度应力分析研究【 J J 混凝土 , 2 0 1 0 ( 7 ) : 6 5 6 8 【 7 】覃峰 , 包惠明 赤砂糖缓凝剂在路面水泥混凝土的应用研究【 j 】 混凝 土 , 2 0 0

28、 7 ( 1 0 ) : 5 6 5 9 8 】T O L E DO F I L HO R D, S C R I V E N E R K, E A N G L A N D G L -D u r a b i l i t y of a l k a l i - s e n s i t i v e s i s a l a n d c o c o n u t f i b r e s i n c e me n t mo r t a r c o m p o s i t e s 加 C e me n t a n d C o n c r e t e c o mp o s i t e s , 2 0 0 0 (

29、2 2 ) : 1 2 7 1 4 2 作者简介 联 系地址 联 系电话 梁金江( 1 9 6 6 一 ) , 男 , 副教授, 高级工程师 , 主要研究方向 道路工程。 广西南宁市青秀区园湖北路 1 2 号( 5 3 0 0 2 3 ) 1 3 0 7 7 71 7 4 9 2 社, 2 0 0 5 ( 3 ) 【 1 o 赵顺增, 刘立 膨胀剂对粉煤灰混凝土碳化的影响及其机理研究 j 】 膨胀剂与膨胀剂混凝土, 2 0 0 8 ( 2 ) : 1 7 2 1 作者简介: 屠柳青( 1 9 7 2 一 ) , 女, 高级工程师。 联系地址: 武汉市武昌区民主路 5 5 3 号( 4 3 0 0 7 1 ) 联 系电话 : 0 2 7 8 7 2 1 0 7 8 2

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