碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨.docx

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1、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

2、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(20I4C)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

3、.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

4、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（

5、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

6、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

7、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）390021020lC的水中养护停遇水泥（OPC2I）715-1300M-Tft(AASII)118)820(r3898210201t的水中养护MMr渣(AAS2I)1181820(矿渣)389

8、821020IC的空，中养护（相H程度65%）减显灰（AAFII）-12S9820（由虐灰）401021020lt的水中养护粕煤灰（AAF2I）-1289820（粉煤灰）403021020lt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OPCl0PC2AAMlAAM2AASlAS2AAFlAAF20223.7SI223.617223.767223J50223.639223.465223.463223.3701223.747223.658223.771223.182223.6472

9、23345223.472223,3563223.746223.615223.733223.171223.582223274223.462223.3325223.726223.579223.714223.1M223.556223236223.453223.2037223.688223.529223.702223.087223.537223.048223.421223.059223.667223.513223.680223.077223480223.011223.406223,03014223.666223.500223.687223.06)223.465222.920223.4242218942

10、1223.681223.491223.691223.083223.462222.75022142522171$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.S01.8030.73-3.6154.184.06

11、63232.26-0.90-15.3335.71-25.72-86.240.45-17.17511.2717.15-23.90-52.43-3745-103.40452-75.437-28.4139.7129.3173.67-46.02188.29-18.%128.74937.88-46.9339.23.78.19-71.74-204.9925.74-153.5914-3833-52.79-36.07-5.42-7851-246.09-17.61215.0221-3137-56.8534.27-75.48-79.86-322.85-17.16-295.8828-26.166.8236.07-7

12、8.19-8121377.49-18.06-401.5956-1849-99.2736.52M68-8527S66N3-17.16-597.19（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-Il2x00300001 -2(-3(-5(-6(-7xPortlandcementgeopolymers（including碱-粉煤灰体系and发偏高岭土）2. ohershrinkage?3. howCUringCondilionSaffcclshrinkage?谢谢老师的指导

13、。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

14、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

15、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

16、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

17、。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3leisUnderSlandIhemechanisms!）。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

18、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

19、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

20、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

21、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,2

22、012,40(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

23、,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