膨胀剂对粉煤灰混凝土显微结构及抗碳化性能的影响.pdf

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 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 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 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 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 mi 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， 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 0 E6 E1 0 E6 耻 E E2 。 ／ ～ E 0／4 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 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 ㈣ 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 ， 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 ] ．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 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 W．T 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 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 H6 ． r _ p H8 p H1 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 ①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凝和终凝曲线图大致相同； ②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 ； ③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； ④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 H．I 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 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 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No ．2 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 ]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 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 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