建筑材料學(xué)報(bào)范文堿硅酸反應(yīng)的抑制機(jī)理

　　本篇文章是由《建筑材料學(xué)報(bào)》發(fā)表的一篇建筑材料論文，(雙月刊)創(chuàng)刊于1998年，由國家教育部主管，同濟(jì)大學(xué)主辦。收錄本刊的數(shù)據(jù)庫有：中文核心期刊要目總覽(2008年版)、美國《工程索引》(Ei Compendex)、美國《化學(xué)文摘》(CA)、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫、中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國學(xué)術(shù)期刊文摘(中、英文版)等，并被國家科技部、中國科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)研究中心等認(rèn)定為“中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊(中國科技核心期刊)”;在《中國學(xué)術(shù)期刊評(píng)價(jià)研究報(bào)告》(2009-2010)中，被評(píng)為“RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊”。

　　【摘要】堿-碳酸鹽反應(yīng)則是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應(yīng)，體積膨脹，使混凝土開裂。

　　【關(guān)鍵詞】現(xiàn)狀,研究,機(jī)理,抑制,硅酸,反應(yīng),堿

　　據(jù)研究，我空軍機(jī)場(chǎng)在70年代中期以后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)道面水泥混凝土因非荷載作用的混凝土自身損壞，根據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些機(jī)場(chǎng)道面板出現(xiàn)損壞的密度和輕重程度有很大差別。個(gè)別機(jī)場(chǎng)，有三分之一的道面板出現(xiàn)這類損壞，其中嚴(yán)重的為板塊大面積出現(xiàn)較寬的裂縫，有的表層砂漿剝落、混凝土酥松，急需進(jìn)行修補(bǔ)。例如，某軍用機(jī)場(chǎng)在1967年進(jìn)行了擴(kuò)建，對(duì)原瀝青混凝土道面蓋被1500m，交付使用后僅3年，發(fā)現(xiàn)數(shù)塊混凝土道面板局部出現(xiàn)微細(xì)裂縫，并向兩邊擴(kuò)展。到1992年統(tǒng)計(jì)道面已被嚴(yán)重腐蝕575塊，占道面板總數(shù)的8.73 % ,嚴(yán)重影響了機(jī)場(chǎng)跑道的使用性能。其堿-集料反應(yīng)的外觀特征是:最初在道面表層出現(xiàn)黃色的水跡，繼而在水跡范圍內(nèi)產(chǎn)生裂縫，裂縫逐漸擴(kuò)展;在雨后晴天或早晨從裂縫中析出白霜物質(zhì);對(duì)較寬的裂縫，沿裂縫常有黑褐色的滲出物印跡，并微微突起1-2mm。裂縫形狀有樹枝狀的、地圖狀的或其他形狀的，嚴(yán)重的表層砂漿剝落。這是多因素共同作用的結(jié)果。從地理位置上看，這些機(jī)場(chǎng)均位于長江以北的我國三北地區(qū)。到目前為止，堿集料反應(yīng)仍然不同程度的危害機(jī)場(chǎng)水泥道面。因此，研究如何抑制堿硅酸反應(yīng)是十分必要也是不可松懈的。

　　2、正文

　　2.1 相關(guān)概念

　　1.石灰：是由石灰石、白云石等原料，經(jīng)900-1100℃煅燒而成的以氧化鈣為主要成分的氣硬性無機(jī)膠凝材料。石灰是硅酸鹽制品的主要原料之一，常與硅質(zhì)材料(粉煤灰、火山灰、礦渣等)搭配使用。其內(nèi)部的膠凝物質(zhì)主要是水化硅酸鈣。

　　2.粉煤灰：是從煤燃燒后的煙氣中收鋪下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：

　　等。粉煤灰是一種似火山灰質(zhì)混合材料，在混凝土中摻加粉煤灰代替部分水泥或細(xì)骨料，不僅能降低成本而且能提高混凝土的和易性，提高不透水性、氣性抗硫酸鹽性能和耐化學(xué)侵蝕性能，降低水化熱，改善混凝土的耐高溫性，減輕顆粒分離和析水現(xiàn)象，減少混凝土的收縮和開裂。

　　3.礦渣：經(jīng)提煉后的礦石殘余物為礦渣。礦渣經(jīng)磨細(xì)后，是水泥的活性混合材料。

　　4.火山灰：火山灰是指由火山噴發(fā)出直徑小于1-2mm的礦物質(zhì)粒子。在常溫有水的情況下可與石灰反應(yīng)生成具有水硬性膠凝能力的水化物。因此磨細(xì)后可用作水泥的混合材料及混凝土的摻合料。

　　2.2.國外堿硅酸研究現(xiàn)狀

　　目前，國外在研究GRC(玻璃纖維增強(qiáng)型混凝土)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，主要是采用抗堿玻璃纖維增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥，以減少堿硅酸反應(yīng)給機(jī)場(chǎng)水泥道面混凝土造成的影響。在美國、日本、德國等堿硅酸反應(yīng)嚴(yán)重的地區(qū)，一般采用低堿水泥作為預(yù)防堿硅酸反應(yīng)的重要措施。

　　Sims和Nixon通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在堿集料破壞事例中，有眾多ASR與ACR同時(shí)引起破壞的現(xiàn)象。經(jīng)研究，在堿碳酸鹽反應(yīng)中含有微晶石英，因此，堿硅酸反應(yīng)也起作用。

　　研究表明，氯鹽能促進(jìn)ASR反應(yīng)。一般認(rèn)為是NaCl與氫氧化鈉作用形成 。但研究顯示，NaCl對(duì)ASR的促進(jìn)作用比等摩爾濃度的NaOH更高。Shayan研究認(rèn)為，NaCl和水泥反應(yīng)增大了OH-的濃度，且生成的Friedel氏鹽填充在ASR引發(fā)的裂紋中，從而增大膨脹;但Kawamura等發(fā)現(xiàn)這一反應(yīng)僅導(dǎo)致少量的OH-濃度增加，Arya也認(rèn)為硬化水泥中大部分已與硫酸鹽反應(yīng)，進(jìn)一步與NaCl反應(yīng)OH-形成必然很少，形成的Friedel氏鹽也很有限。

　　2.3.國內(nèi)堿硅酸研究現(xiàn)狀

　　國內(nèi)研究成果表明：軍用機(jī)場(chǎng)道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，三北地區(qū)生產(chǎn)的這類水泥含堿量一般較高;軍用機(jī)場(chǎng)道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m 3 以上，且經(jīng)常處在地面的潮濕環(huán)境中，因而發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性較大，采取預(yù)防措施尤為必要。中國工程院、南京工業(yè)大學(xué)等經(jīng)過多年的研究，取得了一系列成果，如礦物混合材、自制高效鋰鹽抑制劑、纖維材料等堿集料反應(yīng)的抑制作用，探明了各種材料的抑制機(jī)理，提出了低Ca/Si比的C-S-H凝膠控制堿集料反應(yīng)的抑制理論，Li-S-H凝膠控制堿集料反應(yīng)的抑制理論，及纖維通過形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而抑制膨脹的抑制理論。并且提出了偏高嶺土、鋰鹽抑制劑、聚丙烯纖維等復(fù)合抑制材料加入到新拌混凝土中，可以有效抑制堿集料反應(yīng)，大大延長道面混凝土的壽命。

　　南京工業(yè)大學(xué)在該領(lǐng)域做了卓有成效的研究工作，并建立了國家活性集料檢測(cè)中心。由中國建筑材料研究院牽頭的國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《重點(diǎn)工程混凝土耐久性研究與工程應(yīng)用》中針對(duì)混凝土堿集料反應(yīng)危害列有專門子課題進(jìn)行研究，并取得成果如“混凝土堿集料反應(yīng)安全性專家系統(tǒng)”等。

　　2007年天津市頒布修訂后的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)防混凝土堿集料反應(yīng)技術(shù)規(guī)程》。

　　嚴(yán)章榮采用砂漿棒法和砂漿柱法進(jìn)行抑制對(duì)比試驗(yàn)，首先通過在低活性、中活性和高活性三種系列骨料中分別摻入DZ-4及粉煤灰、摻入礦渣等量代替水泥成型試件后放在80℃ lmol/L的NaOH溶液中養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)試試件養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的膨脹率，并結(jié)合青藏鐵路用小干溝砂對(duì)DZ-4和粉煤灰的抑制效能進(jìn)行檢驗(yàn);其次采用砂漿棒法分別摻入DZ-4及粉煤灰、摻入礦渣等量代替硫鋁酸鹽水泥，對(duì)三種活性骨料及青藏鐵路用小干溝砂進(jìn)行抑制效能試驗(yàn)，通過硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)合微觀分析方法，探索研究DZ-4和粉煤灰、礦渣抑制堿—硅酸反應(yīng)的機(jī)理;最后進(jìn)行了砂漿柱的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)，以分析兩種抑制措施對(duì)砂漿或混凝土強(qiáng)度的影響。通過抑制有效性試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，得出兩種抑制措施的有效性和適用性，各種混合材只有在骨料一定活性范圍內(nèi)才能有效地抑制堿—硅酸反應(yīng)，DZ-4和粉煤灰對(duì)ASR的抑制是對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的抑制和對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的改善的綜合作用，礦渣的抑制作用主要為降低砂漿或混凝土中的堿含量，摻入混合材后混凝土的強(qiáng)度沒有降低，反而有一定程度的提高。

　　王傳波結(jié)合國內(nèi)科研成果《青藏鐵路梁體混凝土摻合料抑制堿—骨料反應(yīng)有效性實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程》，采用快速砂漿棒法對(duì)礦渣、粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥抑制堿—硅酸反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)合掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行微觀分析，以觀察不同試件反應(yīng)產(chǎn)物的變化。經(jīng)分析得出主要結(jié)論:砂漿棒法中宜采用降溫至20℃檢測(cè);礦渣和粉煤灰抑制堿—硅酸反應(yīng)的機(jī)理是因?yàn)橄牧舜罅康模瑫r(shí)反應(yīng)生成了低n(Ca)/n(Si)比的水化硅酸鈣凝膠，“固定”了大量的堿，降低了與活性

　　反應(yīng)的程度;硫鋁酸鹽水泥因其水化產(chǎn)物中缺乏

　　而不易與活性骨料反應(yīng)，可以與硅酸鹽水泥一起混合或在特殊地區(qū)單獨(dú)使用來預(yù)防堿—硅酸反應(yīng)。

　　詹炳根采用不同濃度的NaCl和堿協(xié)同作用使混凝土產(chǎn)生堿硅酸反應(yīng)(ASR)，用ESM動(dòng)態(tài)觀察了凝膠的膨脹過程，用能譜儀測(cè)定了各種凝膠的組成，研究了凝膠組成與膨脹行為之間的關(guān)系。結(jié)果表明，氯鹽的存在，使孔溶液中鈣的濃度始終保持在較低的水平上，形成了膨脹性的低鈣凝膠。凝膠的膨脹在某一濕度下突然增長，含有NaCl的凝膠，其膨脹開始的濕度較低，后隨濕度的增加加劇了膨脹過程。

　　王荃從混凝土的界面過渡區(qū)的組成和變化探討了活性混合材抑制ASR的作用機(jī)理。選取沸石化珍珠巖作為骨料，摻入超細(xì)粉煤灰、硅灰和超細(xì)礦粉，同時(shí)外摻不同比例的KOH和NaCl成型混凝土試件。結(jié)果表明，超細(xì)粉煤灰和硅灰對(duì)界面區(qū)的結(jié)構(gòu)和組成都有很好的改善，都使界面區(qū)的凝膠的Ca/Si明顯降低，其中摻入20%硅灰的試件的界面過渡區(qū)表現(xiàn)出來的各項(xiàng)性能最為優(yōu)秀。而在潛在堿硅酸反應(yīng)(ASR)的混凝土中摻入活化煤矸石，研究表明煤矸石對(duì)單一堿所引起的ASR以及因氯化與堿復(fù)合而引起的ASR損傷均有較好的抑制作用。

　　王曉燕等研究了幾種含鋁物質(zhì)對(duì)堿硅酸反應(yīng)的抑制作用,結(jié)合XRD、SEM/EDS分析其抑制機(jī)理。結(jié)果顯示，燒鋁礬土、對(duì)堿硅酸反應(yīng)具有良好的抑制作用，摻加30%燒鋁礬土或20%能使堿硅酸膨脹反應(yīng)下降到1%。

　　孔德玉、方誠等對(duì)堿激發(fā)膠凝材料(其主要材料為具有一定急冷熱歷史的含鋁硅酸鹽煅燒天然礦物或工業(yè)廢渣。如：偏高嶺土、礦渣、粉煤灰、硅灰、鋼渣等)及混凝土進(jìn)行了研究，包括新拌混凝土拌合物和易性、硬化混凝土強(qiáng)度和抗化學(xué)侵蝕、堿集料反應(yīng)、對(duì)混凝土的耐久性問題及硬化混凝土變形性能等，研究指出堿激發(fā)膠凝材料具有良好的抗化學(xué)侵蝕性能，不存在堿集料反應(yīng)隱患。但是堿激發(fā)膠凝材料耐久性和體積穩(wěn)定性還受到很多因素影響，且相關(guān)因素對(duì)力學(xué)性能、耐久性、變形性的性能并不能兩全其美，如一定范圍內(nèi)含鈣量增加及采用水玻璃激發(fā)劑可提高堿激發(fā)材料強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致耐久性和抗變形性能下降。

　　3、結(jié)論

　　大量實(shí)驗(yàn)和研究證明: 目前，世界各國都在積極地尋找抑制堿硅酸反應(yīng)的方法，既有外加劑法，如在混凝土中加鋰鹽抑制劑、聚丙烯纖維;也有混合材料法，采用低活性骨料，如摻入沸石珍珠巖等。這些對(duì)堿硅酸反應(yīng)的抑制方法多種多樣，并且都取得了一定的效果。其主要原理是在混凝土內(nèi)部形成穩(wěn)定的凝膠，降低堿化物的總量，抑制堿與集料中活性的反應(yīng)。就目前的抑制堿硅酸反應(yīng)技術(shù)之一的堿激發(fā)膠凝材料而言，筆者認(rèn)為，要想安全、可靠的使用堿激發(fā)膠凝材料，必須對(duì)原材料熱歷史和含鈣量，激發(fā)劑種類和用量，對(duì)堿激發(fā)工業(yè)廢渣膠凝材料結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律、機(jī)理及定量表征等，進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究。

　　參考文獻(xiàn):

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