NaCl环境中碱活性混凝土膨胀性能分析

杨 磊, 詹炳根, 郑蓉美, 曹传胜

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥230009;3.阜阳水利规划设计院,安徽 阜阳 236000)

NaCl环境中碱活性混凝土膨胀性能分析

杨 磊1,2,3, 詹炳根1,2, 郑蓉美1,2, 曹传胜3

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥230009;3.阜阳水利规划设计院,安徽 阜阳 236000)

文章为研究NaCl加速混凝土ASR膨胀的机理,外加NaCl制作混凝土试件,在标准条件下养护28 d;用砂浆棒方法测定了混凝土的膨胀率;用扫描电镜观察碱环境下水泥混凝土界面区的微观形貌、结构;用光谱法和滴定法测试了混凝土孔溶液离子组成。结果表明:随着NaCl掺入增加,界面过渡区CH的晶粒尺寸都明显发生了细化现象,取向性也增强;同时AFt晶体明显增多,C-S-H凝胶呈小团状出现使得界面区和水泥基体中有较多裂缝,更加疏松;孔溶液中的Na+、OH-的消耗增加。混凝土界面区的这些组成与结构变化,导致了NaCl环境中活性混凝土膨胀。

混凝土;碱硅酸反应;膨胀率;形貌;孔溶液

碱硅酸反应(ASR)是混凝土中集料的硅质活性组分与混凝土孔溶液中碱之间的膨胀性化学反应,导致混凝土膨胀并开裂[1,2]。NaC l能加速ASR膨胀已为许多研究者所认识,并由此发展了以NaCl溶液代替NaOH溶液的集料活性检测方法,但关于其加速反应的机理国内外研究甚少。文献[3]认为,若水泥中C3 A含量较高,NaCl与C3 A相互作用可以产生足量OH-与高活性集料反应并导致膨胀。本文研究了不同NaCl掺量试样界面过渡区的结构形貌和孔隙特征,并测试了混凝土孔溶液中的离子质量浓度变化,进一步揭示了NaCl环境中活性混凝土膨胀的机理。

1 试 验

1.1 试验原材料

(1)水泥熟料。本研究水泥选用铜陵水泥厂生产的525#纯硅酸盐水泥,其化学组分、矿物组成见表1和表2所列。

表1 水泥化学组分质量分数 %

表2 水泥矿物质量分数 %

(2)NaC l。分析纯NaCl,纯度＞99.5%。

(3)骨料。沸石化珍珠岩(ZP),产于山东聊城,活性组分为无定型SiO2和玻璃反玻化形成的少量鳞石英,属于高活性集料,化学成分见表3所列,拌合水为去离子水。

表3 沸石化珍珠岩化学成分质量分数 %

1.2 试验方案

掺入不同浓度的NaCl制成试件,水灰比均为0.55,试件编号与名称如下:Y,掺入0mol/L NaCl试件(对比样);LY,掺入0.5mol/L NaCl试件;HY,掺入2.5 mol/L NaCl试件。

1.2.1 砂浆棒膨胀性能的测试

试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm;胶砂比为2.25∶1;水灰比0.55[4];成型方法按照中国工程建设标准化协会标准进行,采用两端装有铜钉头的试模成型。试样在标准条件下养护1 d脱模,用精度为0.01 mm的比长仪测得其初长为L0,然后将试件浸泡并在60℃养护箱中养护,分别于 7、14、28 、56、84、112 d 测量试体长度 Lt,计算其膨胀率。膨胀率计算公式[5]为:

试件分为3组测试,每组3个,以不掺NaCl作为对比试件,另外2组分别为掺入0.5 mol/L的NaC l和2.5mol/L的NaCl试件,取平均值。

1.2.2 界面过渡区的微观测试

采用扫描电子显微镜(SEM)JSM 6490对混凝土的界面过渡区进行观察和分析,主要观察界面过渡区的物相组成和结构的变化。试件直径10mm,高20～30 mm,骨料置于圆柱形试件的中部。采用直径10 mm的塑料薄壁管,剪成20～30mm的长度,将管插在橡皮泥基座上,注入水泥浆体至管高1/2时,在圆心位置加入一颗骨料(骨料粒径为2.5 mm),再注入水泥浆体至顶部。成型完毕后放入蒸汽标养室中养护1 d后拆模,标养至28 d。试件到达28 d龄期后,取出养护试件,放入无水乙醇中3 d(终止水化并干燥),干燥完毕后取出试件进行脆断。

1.2.3 孔溶液的离子质量浓度测定

为了进一步了解低Ca/Si凝胶与孔溶液中的碱离子质量浓度的关系,对不同龄期的孔溶液进行离子质量浓度测定[6],测定的离子为Ca2+、Na+和OH-。用火焰光谱分析仪测出Ca2+、Na+,用酸碱滴定法测出OH-。试件分为3组测试,不掺NaCl作为对比试件,另外2组分别为掺入0.5 mol/L的NaCl和2.5 mol/L的NaCl试件。

2 试验结果与分析

2.1 砂浆棒的膨胀率测定

膨胀率随NaCl掺加量的变化,如图1所示。随着NaCl的掺加量增加,试件膨胀率逐渐增大;低浓度NaCl试件膨胀呈线性增长;掺入NaCl量越多反应越强烈,即碱硅酸反应呈加速状态。

图1 膨胀率随NaCl掺加量的变化

2.2 SEM分析

样品在标准条件下养护28 d的SEM图像,如图2～图4所示。从图2可见CH呈较完整的六边形,层叠状生长,被胶状C-S-H包裹覆盖。凝胶有胶状和绒絮状,且整体大面积存在,绒絮状CSH中生长数量较少的棒状AFt晶体,且非常细小。

图2 不掺NaCl的混凝土界面

图3 外掺NaCl浓度为0.5m ol/L的混凝土界面

由图3可见,混凝土中CH晶体发生了腐蚀,六方体的CH被溶解反应为一端为锥状的四面体,层叠在一起,有一定的取向性;C-S-H凝胶呈絮团状,AFt晶体在凝胶的孔洞中呈少量的柱状生长,形态细小。

由图4可见,CH在混凝土界面过渡区有着明显取向性,呈层叠垂直在骨料表面生长;AFt晶体在凝胶与CH之间呈簇状生长,晶体尺寸较大且较为明显,而凝胶以小团状情况呈现。

对比图2、图3、图4,发现在混凝土界面过渡区中,外掺NaCl浓度越高,CH由较完整的六边形,逐渐变为柱状,取向性也变得明显增强,同时出现细化现象。这说明在高碱环境下活性骨料不断溶出,在孔溶液环境中,反应消耗氢氧化钙生成钙矾石,发生反应[7]如下:

图4 外掺NaCl浓度为2.5m ol/L的混凝土界面

上述反应导致溶液中氢氧化钙浓度不断降低,固体氢氧化钙不断溶出,从而使得在界面过渡区孔隙率增加[8]。随着掺入NaCl浓度增加,凝胶变得更小,结构更显得疏松多孔,微裂缝较多。碱硅凝胶吸水膨胀[9],因膨胀空间受限产生局部应力,使得浆体-集料界面以及集料、浆体内部都发生开裂。集料内部产生微裂纹后,与NaCl接触的活性集料表面积增加,碱硅酸反应在集料-浆体界面以及集料内部同时进行,单位时间内生成的凝胶数量增多,从而使裂缝在多点引发释放膨胀压力,导致裂纹数量增多、宽度增加。随着反应的持续进行,界面黏结性就会逐渐降低,浆体-集料界面处不断增厚的凝胶层使得集料-浆体界面黏结破坏,而集料内部不断增多的凝胶,则导致集料内部出现众多交联裂缝并最终使得集料颗粒断裂,从而对ASR膨胀起到加速作用。

外掺NaCl浓度越高,界面过渡区钙矾石产生量也就越多。钙矾石晶体增大使混凝土内部产生大量微裂缝,混凝土膨胀开裂。混凝土孔溶液中的离子与固体颗粒进行反应生成AFt时,固相体积增大。随着AFt的各向异性生长,结晶压开始产生,膨胀出现[10],进一步扩大了裂纹,导致膨胀的加速现象。

2.3 孔溶液成分分析结果

孔溶液中的离子质量浓度随龄期变化,如图5所示。随着反应进行Ca2+都成下降趋势,下降速度、幅度大致相同。孔溶液中的OH-含量与NaCl掺入成正比,NaCl掺入越多,OH-含量就越高。Na+、OH-反应量也与NaCl成正比,NaCl掺入量越多,反应消耗的Na+、OH-量就越大,说明膨胀反应是加速进行的。NaCl掺入量越多,就会为碱硅酸反应提供大量碱,反应也越剧烈,膨胀也就越明显。碱硅酸反应的过程[11]是活性骨料在碱溶液的作用下,由表及里先溶解成SiO2单体分子或离子,再在OH-离子催化下,重新聚合成一定大小的SiO2溶胶粒子,进一步在Na+作用下,溶胶粒子凝聚(聚沉)成为一定结构的凝胶,凝胶吸水产生膨胀。

图5 孔溶液中的离子质量浓度随龄期变化

3 结 论

(1)随着NaCl掺入量增加,碱硅酸反应增强,混凝土界面过渡区的CH由以前的完整的六边形,逐渐变为柱状,取向性也变得明显增强,并出现细化现象;界面过渡区的凝胶变得更小,结构更显疏松多孔,微裂缝较多,使得吸水引发释放膨胀压力;同时界面黏结性逐渐降低,产生黏结性膨胀破坏。外掺NaCl浓度增大,界面过渡区钙矾石产生量也明显增多。

(2)NaCl掺入量越多,就会为碱硅酸反应提供大量碱,随着反应进行,膨胀也就越来越明显。同时大量NaCl的掺入使得混凝土界面凝胶中含有大量氯离子,反应生成Friedel盐填充在微裂纹中,对浆体破坏性膨胀也起着推进作用[12]。

[1] 卢都友,许仲梓,唐明述.不同结构构造硅质集料的碱硅酸反应模型[J].硅酸盐学报,2002,30(2):149-154.

[2] 唐明述:碱-集料反应分类[J].中国科学基金,1992,6(3):521-535.

[3] Shayan A.Effectsof NaOH and NaClsolutionsand temperature on the behavior of specimens sub jected to accelerated A AR Tests[J].Cemen t and Concrete Research,1998,28(1):25-31.

[4] 郑荣美,詹炳根,张青峰.颗粒分布对粉煤灰调粒水泥强度的影响[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2009,32(5):745-748.

[5] 唐明述,沈 洋,许仲梓.硅质集料碱活性快速砂浆棒试验方法[J].南京化工大学学报,1999,21(2):5-10

[6] Tasong W A,Cripp s JC,Lynsdale C J.Aggregate-cement chem ical interactions[J].Cemen t and Concrete Research,1998,28(7):1037-1048.

[7] 彭家慧,楼宗汉.钙矾石形成机理的研究[J].硅酸盐学报,2000,28(6):511-515.

[8] 郑蓉美.盐类环境下混凝土界面过渡区的结构组成[D].合肥:合肥工业大学土木与水利工程学院,2009.

[9] 尹 芪,文梓芸.用溶胶-凝胶膨胀法对碱-硅酸反应机理的研究[J].硅酸盐学报,2003,31(11):1037-1042.

[10] Hekal E E,Kishar E,Mostafa H.Magnesium sulfate attack on hardened blended cement pastes under different circumstances[J].Cemen tand Concrete Research,2002,32(9):1421-1427.

[11] 尹 芪.混凝土碱骨料反应机理及骨料碱活性检测技术的研究[D].广州:华南理工大学土木与交通学院,2001.

[12] Birm in-Yauri U A,G lasser F P.Friedel' s salt,Ca2A l(OH)6(Cl,OH)·2H2O:its solid solu tion and their role in chloride binding[J].Cement and Concrete Research,1998,28(12):1713-1723.

Analysisof expansion property of alkali-active concrete in NaCl exposure

YANG Lei1,2,3, ZHAN Bing-gen1,2, ZHENG Rong-mei1,2, CAO Chuan-sheng3

(1.School of Civil and Hyd raulic Engineering,H efei University of Technology,Hefei230009,China;2.Anhui Labo ratory of CivilEngineering Structure and Materials,Hefei University of Technology,Hefei230009,China;3.FuyangWater Conservan cy Planning and Design Institu te,Fuyang 236000,China)

To reveal themechanism of NaCl accelerating alkali-silica reaction(ASR)of concrete,concrete sampleswith NaCladditionwere cured in standard condition for 28 d.The ASRexpansion ratiowasmeasured by mortar bar,and themicroscopicmorphology and structure of interfacial transition zone(ITZ)in cement concreteexposed to alkalis were observed by scanning electron microscopy(SEM).The ion components in the pore solution were alsomeasured by spectroscopy and titration.The results show that great changesoccur in ITZwhen the amount of NaCl increases:both the refinement and orientation of CH enhance,AFt increases significantly,C-S-H gelaccumulates in smallgroup,more cracks in ITZ and cementmatrix and correspondingly looser structures appear.The consumption of Na+and OH-in pore solution increases.The changesof the composition and structure in ITZ result in the expansion of concrete in NaCl exposure.

concrete;alkali-silica reaction(ASR);expansion ratio;m orphology;pore solution

TU 528

A

1003-5060(2011)01-0105-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.025

2010-03-02;

2010-04-12

国家自然科学基金资助项目(50678058)

杨 磊(1983-),男,安徽太和人,合肥工业大学硕士生;

詹炳根(1964-),男,安徽庐江人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师;

曹传胜(1962-),男,安徽阜阳人,阜阳水利规划设计院正高级工程师.

(责任编辑 何晓雄)