碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨.docx

一、碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨相关问题的解释本周根据上周各位老师针对碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨提出的问题阅读了相关的文献，并得到以下结果。I、关于碱性胶凝材料的收缩性能的探讨问题起源在于罗欣等人提出，碱性胶凝材料主要有两大分类，一个是碱矿渣水泥，一个是地质聚合物，同时提出两者的优缺点。碱矿渣水泥的主要优点有早期强度高，凝结硬化时间快，水化热低等，同时缺点有耐高温性能差、收缩大等。地质聚合物的优点有密度低、体枳稳定性良好以及耐高温性能良好，缺点在于常温养护时强度较低。两位老师同时对收缩性能提出了屈疑，我也查找了关于碱性胶凝材料收缩方面的文献，并得到以下结果：姚振亚在其硕士论文中对碱激发胶凝材料与水-水泥体系的化学收缩或膨胀进行了一系列试验研究。结果表明:在室温(20±I4C)条件下，水-水泥体系、,碱激发矿渣和碱激发粉煤一一带格式的灰体系都发生了化学收缩，而且其收缩值随着反应龄期的延长而增加：在相同的龄期，水-水泥体系的化学收缩为最大，碱激发矿渣体系的化学收缩为最小；碱激发偏高岭土体系会发生化学膨胀，(PIeaSeShOWnumbersOrCUrVe)«3-2瞳激发胶凝材料与水-水泥体系化学收缩试验结果化学收缩值(膨胀)ZmWOOg龄期/d水冰泥BL偏扁岭土破-矿洛OPClAAMlAASlAAFl1-2.20.211.22-3.20.6A2-2.03-3.80.8-1.4-2.44-3.80.6-1.4-165360.8-1.4-2.86-3.80.8-1.63.07-3.80.8-1.6-3.214-3.80.83.621420.8-10-3.82840IJ1.836图31K激发胶发材料的化学收Ie值与水化依期的关系W00-、erss2*从图3”可以看出，水-水泥体系的化学收缩值随反应龄期的延长而增加，Id的化学收缩值(2.2ml/100g)为其28d的化学收缩值(4ml/100g)的55%,3d的化学收缩值(3.8mlig)占其28d的化学收缩值的95%,水-水泥体系的化学收缩特点是3d增加明显，此后出现稳定期，21d后又缓慢收缩。碱-矿渣体系的化学收缩值也随反应龄期的延长而增加，与水-水泥体系的化学收缩值相比，碱-矿渣体系在各个设定龄期的化学收缩较水-水泥体系小，前者在各龄期不到后者的50%：碱-矿渣体系Id的化学收缩值（1mV100g）为其28d的化学收缩值（2ml/IoOg）50%,7d的化学收缩值（1.6ml/IOog）占其28d的化学收缩值的90%左右，做-矿渣体系的化学收缩是随龄期延长逐渐缓慢增长的。碱-粉煤灰体系的化学收缩值也是随反应龄期的延长而增加,碱-粉煤灰体系在各个设定龄期的化学收缩较水-水泥体系小,两者在28d时的化学收缩值接近；6淀粉煤灰体系1d的化学收缩值（1.2nW100g）为其28d的化学收缩值（3.8mll（X）g）32%,7d的化学收缩值（3.2mW0（）g）占其28d的化学收缩值的84%左右,碱-粉煤灰体系的化学收缩是随龄期延长逐渐增长的。与水-水泥体系的化学收缩特性相比,碱-偏高岭土体系在化学反应过程的体积变化是膨胀,其化学膨胀值在测定的龄期内随反应龄期的延长而增加，1d的化学膨胀值（）.2mll（）0g）为其28d的化学膨胀值（L2ml/I（X）g）17%,7d的化学收缩值（08ml100g）为其28d的化学膨胀值的67%,碱一偏高岭土体系的化学膨胀特点是7d内增加明显,此后出现稳定期，28d后又缓慢膨胀。且其膨胀值随着反应龄期的延长而增加：碱激发偏高岭土的反应产物是无定形类沸石，其中低聚合度的产物对化学膨胀是有很大的贡献：碱激发矿渣体系和碱激发粉煤灰体系（d。youtryiodistinguish碱激发粉煤灰体系from碱激发偏高岭土？TheSetwoareCOnSideredXeOPOIymerSbymoslOfresearchers!）（通过行找文献发现，粉煤灰属于工业副产品，偏高岭土属于烧黏土，二者同属于火山灰膜材料.）的主要反应产物的性质与水泥产物的性质类似，但是存在少量的无定形类沸石，这对化学收缩有部分地抵消作用。另外，他还对碳激发胶凝材料与水-水泥体系在干湿条件下的体积变化进行了一些试验研究，其中水-水泥体系作为对比样。结果表明:与水泥相比，碱激发胶凝材料在干湿条件下体积变化的特点是湿胀小,Jl身收缩大，干缩大一（confusing!一一带格式的：与幽®整bemoreSPeCiCCandPrOVideIeSlresults.AXeneraICOnCIUSiQnisnolVeryUSefUlandOftenmisleading!。表X砂浆试块的配比RMW(*号)水砂浆试块的配比/g砂吵架跳桌波动度mm养护条件“性激发剂w普通水泥（OPCIl）715-1300（水泥）390021020±lC的水中养护停遇水泥（OPC2I）715-1300<*«)390021020±】C的空/中养妒（相对温度65%）±(AAMlI)142063。（偏离岭土）36002102O±1T的水中养护MMR高岭土(AAM2I)1420630(M*t±)360021020±lC的空气中葬护（相对温度6S%>M-Tft(AASII)118)820(r»>389821020±1t的水中养护MMr渣(AAS2I)1181820(矿渣)389821020±IC的空，中养护（相H程度65%）减显灰（AAFII）-12S9820（由虐灰）401021020±lt的水中养护粕煤灰（AAF2I）-1289820（粉煤灰）403021020±lt的空气中养护（相对温度65%>X3-5碱激发胶发材料与水泥砂柒在干湿条件下的体积变化试联结果长度nm龄期/d水泥砂浆激发偏高岭土砂浆做激发/液砂浆破激发给煤灰砂浆OPCl0PC2AAMlAAM2AASlAS2AAFlAAF20223.7SI223.617223.767223J50223.639223.465223.463223.3701223.747223.658223.771223.182223.647223345223.472223,3563223.746223.615223.733223.171223.582223274223.462223.3325223.726223.579223.714223.1M223.556223236223.453223.2037223.688223.529223.702223.087223.537223.048223.421223.059223.667223.513223.680223.077223480223.011223.406223,03014223.666223.500223.687223.06)223.465222.920223.42422189421223.681223.491223.691223.083223.462222.75022142522171$2822W3223.480223.687221.077223.459222.629223.42322148156223,710223,397223.686223.056223.450222.211223.425221048*3-6碱激发胶发材料与水泥砂浆在干湿条件下的或收缩率线收缩率/XKT5龄期/d水泥砂浆嶂激发偏高的土砂浆M激发丁液砂浆碱激发粉煤灰砂浆OPCl0PC2AAMlAAM2AASlAAS2AAFlAAF21-I.S0I8.S01.8030.73-3.6154.184.0663232.26-0.90-15.3335.71-25.72-86.240.45-17.17511.2717.15-23.90-52.43-3745-103.40452-75.437-28.4139.7129.3173.67-46.02188.29-18.%128.74937.88-46.9339.23.78.19-71.74-204.9925.74-153.5914-3833-52.79-36.07-«5.42-7851-246.09-17.61215.0221-3137-56.8534.27-75.48-79.86-322.85-17.16-295.8828-26.166.8236.07-78.19-8121377.49-18.06-401.5956-1849-99.2736.52M68-8527S66N3-17.16-597.19（注：OPC1、AAM1、AASKAAFl我示置于水中养护.OPC2、AAM2、AAS2、AAF2表示于空气中养护）养护龄期/d40200204060800020 - -H-Il2x<，*-£«-«-x)m然200-20-40-60-80-100-1201 3 5 7 9 14 21 28 56养护龄期/d(a)水泥砂浆试块(b)碱激发偏高岭土砂浆试块IAASn （水中养护） AAS21 （空气中养护） j3 5 7 9 14 21 28 56养妒龄期/d00o0o0ow000>00300001 -2(-3(-5(-6(-7x<wWs-O-AAFlM水中养护)AAF2M空气中养护)1 3 5 7 9 14 21 28 56(c)碱激发矿渣砂浆试块(d)碱激发粉煤灰砂浆试块水中养护聆JW/d图3-3砂浆试块在干湿条件下线收缩率与养护龄期的关系-700-13S79H212856空气中养护龄期/d图34砂浆试块在相同条件下线收缩率的比较从图3-3(a)可以看出:水泥砂浆试块在水中养护的线收缩率随养护龄期延长而增大,但养护到9d后,其线收缩率有减小的趋势,到达56d的线收缩率为18xlO5,即每米收缩0.18mm：在空气中养护的线收缩率随养护龄期延长明显增加，28d后有急剧增加的趋势，到56d的线收缩率为99x103即每米收缩0.99mm；在每一个养护龄期，水泥砂浆试块在空气中比在水中养护的线收缩率均大。从图3-3(b)可以看出：碱激发偏高岭土砂浆试块在水中和在空气中养护的线收缩率均随养护龄期延长而增大，但在同一养护龄期，水中养护比空气中养护收缩小；到达56d后，水中和空气中养护的线收缩率分别为36xlOs和99x10。从图3-3(C)和图33(d)可以看出：碱激发矿渣和碱激发粉煤灰砂浆试块在水中和在空气中养护的线收缩率均随养护龄期延长而增大，并在同一养护龄期，空气养护比水中养护收缩大得多。从图34可以看出，4种砂浆试块都在水中养护时，在同养护龄期，线收缩率由小到大的顺序：碱激发粉煤灰砂浆水泥砂浆V碱激发偏高岭上砂浆V碱激发矿渣砂浆，并且到56d时，碱激发矿渣砂浆的线收缩率是其它3种砂浆的2«倍：4种砂浆试块都在空气中养护时，在同养护龄期，线收缩率由小到大的顺序:水泥砂浆V碱激发偏高岭土砂浆碱激发粉煤灰砂浆V碱激发矿渣砂浆，并且前两者比较接近，后两者比较接近，到56d时，后两者的线收缩率是前两者的6倍。总之,无论在水中还是在空气中养护，碱激发矿渣砂浆的线收缩都是最大的。顾亚敏M等人提出，对于啾激发胶凝材料，尤其是碱矿渣水泥干燥收缩大的原因，一般认为主要与其原材料特性和水化产物的组成和孔结构有关。碱激发胶凝材料硬化浆体主要是由凝胶体组成,这一组成特点虽然赋予了其很高的抗压强度,但同时也使其具有高的干缩性。对于用水玻璃为激发剂的碱矿渣水泥的收缩大的主要原因是其水化过程中形成硅醛胶或富硅凝胶，具有高含水率的硅凝胶而后发生脱水而使得浆体产生很大收缩。通过对比测定了分别以硅酸钠、碳酸钠和氢氧化钠为激发剂的碱矿渣水泥和珪酸盐水泥390d龄期砂浆试样的孔结构，硅酸钠矿渣砂浆的孔隙率显著低于硅酸盐水泥砂浆，且硅酸盐水泥砂浆的孔径在51200nm范围内连续分布，而硅酸钠-矿渣砂浆只含有小于IOnm和大于200nm的孔。碳酸钠-矿渣砂浆早期(3d或7d)的孔隙率略低于硅酸盐水泥砂浆，而后期(28d和90d)的孔隙率和孔径分布与硅酸钠-矿渣砂浆相近，氢氧化钠-矿渣砂浆则具有最大的孔殖率。尽管干燥过程中碱矿渣水泥的失水量小于硅酸盐水泥，但其引起的收缩远大于硅酸盐水泥。碱矿渣水泥硬化浆体中介孔的体积分数比硅酸盐水泥浆体高得多，因此认为形成弯月液面的孔径大小对收缩的影响大于湿度降低的影响。SEWaIIahF通过实验发现，热养护下的粉煤灰基地质聚合物混凝土干燥收缩很小。在实验过程中，干燥收缩应变波动很小，龄期达到1年的混凝土的干燥收缩值约为100微应变。同时，B.VijayaRangan等人通过实验也发现粉煤灰基地质聚合物混凝土的徐变和干燥收缩都很小。对混凝土持续加载52周，荷数值为抗压强度的40%,测得其干燥收缩应变接近100*106m,同时，当混凝土抗压强度为60MPa时，.其徐变因素(徐变应变Lj弹性应变的比一一I而赢:竺还值)介于0.44到0.63之间。howthisaffectsShrinkage?creep?目前还未找到相关文献，不过我认为，混凝土的收缩会对混凝土的徐变产生影响。因为混凝土的收缩会影响混凝土的弹性模量等力学性能，因此会对混凝土徐变也会有影响。这只是初步的想法，下周会继续查看相关文献。通过对文献的理解，提出以下假想：是否由于碱-矿渣水泥与碱-偏高岭土体系的反应机理不同引起了宏观上的收缩性能不一致？碱-偏高岭土的反应机理，是否可以给解糅碱-粉煤灰体系体积稳定性良好的现象提供参考？由于关于碱-粉煤灰体系的的基础研究较少，而关于DaVidOVitS提出的“聚合成块”概念，也并未能找到原文，因此对于其是否能应用到碱-矿渣体系还有待考证。接下来会针对该问题继续阅读相关文献，并进行一些基础实验对一些参考文献的内容进行验证。WhenIaskqueslions,IUSUallydonolexpeclI。KelHnSWerSJexplanalionsrighlawav.Instead,IwouldlikestudentstothinkandfindsolidanswersbyreadingIiIeratUrepapersOrdesignyourOWnteststofindanswers.PleaSekeepthinkingIhiSissue.FirStOfal,youneedtoCheCkallavailabledatatoCOnfinnthefollowing:1.dryShrinkage,碱矿渣水泥>Portlandcement>geopolymers（including碱-粉煤灰体系and发偏高岭土）2. ohershrinkage?3. howCUringCondilionSaffcclshrinkage?谢谢老师的指导。下周将针对以上三个问题专门写-篇综述。4. 关于碱-集料（Whalishis?alkaliSiIiCareaction?）反应的探讨碱骨料反应（简称AAR）是指混凝上中的碱与具有碱活性的骨科间发生的膨胀性反应。这种反应能引起明显的混凝土体积膨胀和开裂,改变混凝土的微结构,使混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能明显下降，严重影响结构的安全使用性，而且反应一旦发生很难阻止，更不易修豆。碱-骨料反应可分为碱硅酸反应（AIkaIi-SilicaRcaclion,简称ASR）、碱-硅酸盐反应和碱-碳酸盐反应（AIkali-CarbonateReaclion,简称ACR）三种类型。目前国内关于碱激发混凝土的碱-集料反应的研究有比较统一的认定。混凝土发生碱集科反应破坏必须具备三个条件：A、混凝土中含有一定量的可溶性碱：B、集料具有碱活性；C、体系中有一定的湿度。杨长辉等人网通过研究发现碱矿渣水泥砂浆的碱-集料反应膨胀主要发生在湿养过程的早期，碱集料反应的长期膨胀潜力很小。首先，碱性水泥砂浆及混凝土具有密实的结构，这是碱性混凝土具有优良抗渗性的根本原因，由于具有优良的微结构，外界的碳难于渗透到碱性水泥砂浆和混凝土中，同对，这种优良的结构可有效阻止侵蚀性离子在系统中的迁移和扩散。其次，与碱性水泥水化产物的特性有关。碱性水泥的水化产物低碱性水化硅酸钙凝胶（钙硅比约为11.2）和含碱金属的水化硅铝酸盐为主，这些水化产物具有很高的比表面积，对碱金属离子具有很强的吸附能力，可以有效降低系统中碱金属离子参与碱-集料反应的活性。其三，碱性水泥系统水化后期可供碱集料反应的有效碱较低。徐彬等人网通过对固态碱组分碱矿渣水泥进行研究发现，这种水泥发生碱-集料反应的可能性很低。一方面因为这种水泥的水化反应主要是碳组分与矿渣之间的反应，水化反应消耗了大量的碱，能与活性集料发生碱集料反应的有效碱含量远远小于水泥中碱的总含量，另一方面，由于这种水泥中0渣有效地减少或抑制了碱集料反应的发40ow?卜徐彬等人引一/式的：字体激色：红色）述唐明述教授的观点，其原因有以下四个方面：1、混合材中存在的活性酸性氧化物对碱-集料反应有抑制作用；2、混合材的掺入降低了水泥的碱度，使能发生碱-骨科反应的有效碱的量减少；3、混合材的掺入改变了水化反应的历程。当混合材掺量大时，后期未反应的颗粒会吸收碱，从而对碱集料反应产生抑制作用；4、界面化学作用。主要表现在早期OH-、NaK等离子在混合材微粒表面的富集，从而抑制了碱-集料反应的进行。而在徐彬等人的研究中，矿渣即为此处所指混合材。因此得出结论，矿渣的掺入可以有效地减少或抑制碱-集科反应的发生。另外还有一个重要的原因是，碱集科反应发生的条件之一是混凝上中含有足够的水分。固态碱组分碱矿渣水泥由于结构致密，抗渗性好，故能有效地组织水分的侵入，亦即阻止了碱集料反应的发生。另外，杨长辉、蒲心诚I研究发现含活性集料的碱矿渣砂浆中存在碱硅反应，但程度较低，不会产生危险性膨胀。,在仃活性集料疗在的条件下，以硅酸钠为碱组分的碱矿渣砂浆一-1带格式近字体的色：红色J宏观上表现为收缩。以碳酸钠和氢氧化钠为碱组分时，碱矿渣砂浆均表现出膨胀血型空3lei'sUnderSlandIhemechanisms!）。作者在研究中也指出出现这种现象的原因。有ASR的砂浆出现收缩的主要原因在于：一方面，砂浆内部的ASR程度极弱，可能因此的膨胀很小，不会产生破坏性影响；另方面，以硅酸钠为碱组分的碱矿渣砂浆自身的收缩较大，且实验中所采用的试件是按照胶集比为10:1配制的，其收缩更大，在收缩超过了ASR引起的膨胀时，则砂浆宏观上表现为收缩。以碳酸钠和氢氧化钠为碱组分时，含活性集料的碱骨料砂浆均表现为膨胀，说明砂浆内确有ASR发生，在这种情况下砂浆自身收缩较小，膨胀超过了收缩，所以宏观上表现为膨胀。从以上文献可以看出，国内学者普遍认为碱激发混凝土中发生碱-集料反应的可能性很低或者危害性很小（allVoUrCiIedrefsSeemtoSIUdY碱矿渣水泥.HoWaboulWeOPOIYmerS（碱粉煤灰体系and发偏前岭上）?）。接下来要查找国外的相关文献，并确定该结论在国际上的观点。史才军在碱-激发水泥和混凝土书中提到，用粉煤灰、硅灰或偏高岭土等火山灰质材料取代部分矿渣可以减小甚至消除碱集料反应。用硅灰甚至可以消除碱集料反应的膨胀值C掺入3O%5O%的低钙粉燥灰能将碱激发矿渣水泥的膨胀值降低到临界值以下。当掺10%砰灰时，Na2OnSiO?和NazCCh激发的矿渣水泥没有表现出明显的膨胀。另外，也有学者川通过实验发现，碱激发粉煤灰体系的碱集科反应程度要远远低于普通硅酸盐水泥。同时通过实验他还发现，材料中的钙对产生具有膨胀性质的凝胶有着很大的影响，3、关于吴教授提出对抗渗等级中数字的疑问抗渗等级是以28d龄期的标准试件，按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力来确定。GB50164-201I混凝土质量控制标准旧根据混凝土试件在抗渗试验时所能承受的最大水压力，混凝土的抗渗等级划分为P4、P6、P8、P10、P12等若干个等级,相应表示能抵抗0.4、0.6.0.8、1.0及L2MPa的静水压力而不渗水，换而言之就是混凝土抗渗试验时组6个试件中4个试件未出现渗水时不同的最大水压力。抗溶等级NP6的混凝土为抗渗混凝土。关于上周报告中仍未解决的问题，在下周会继续杳阅文献。二、碱-激发矿渣水泥混凝土的配合比设计通过阅读碱-激发水泥和混凝土，学习了碱-激发矿渣水泥混凝土的配合比设计方法。目前主要的方法可归为两类：经验法和实验法。这些方法的不足之处是需要大量的实验和使用统计的方法来建立混凝土的性能和组分的关系。下周可以通过尝试，将最少浆体理论引入碱-激发矿渣水泥混凝土的配合比设计。参考文献11X.Luo,J.Xu,E.Bai,W.Li.ResearchonthedynamiccompressivetestofhighlyfluidizedgeopolymerconcreteJ.ConstructionandBuildingMaterials,2013,48:166-172.2姚振亚.地质聚合物的体积稳定性与强度研究D.郑州大学,2009.3史才军,克利文科，罗伊.碱-激发水泥和混凝土:Alkali-activatedcementsandConC阳esM).北京:化学工业出版社,2008.14顾亚敏，方永浩.碱矿渣水泥的收缩与开裂特性及其减缩与增韧J硅酸盐学报,2012,40(1):76-84.5JS.EWallah.Drj,ingshrinkageofheat-curedflyash-basedgeopolymerconcreteJJ.ModernAppliedScience,2009(3):14-21.6 B.VijayaRangan,DjwantoroHardjito,SteenieE.Wallah,DodyM.J.Sumajouw.Propertiesand叩PIiCationSofflyash-basedconcrete(J.MaterialsForum.2006,30:170-175.7张巨松,李家和混凝土学M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2011.8J杨长辉，蒲心诚.碱性水泥系统的长期碱集料反应研究J混凝土与水泥制品,1999(3)：3-7.9徐彬，蒲心诚.固态碱组分碱矿渣水泥碱-集料反应研究J西南工学院学报,1997(12):27-30.10杨长辉，蒲心诚.碱矿渣混凝土的碱集料反应研究J.混凝土，1996(6):4247.111I.Garcia-Ltxleiro,A.Palomo,A.Femandcz-Jimcncz.Alkali-aggregatereactioninactivatedflyashsystemsJ.CementandConcreteResearch,2007,37(2):175-183.12GB50164-2011,混凝土质量控制标准ISL