碱活化材料耐久性能研究

碱活化材料耐久性能研究

张新宇

山东建筑大学山东济南250101

摘要:在环境法规中涉及采矿和冶金过程中产生的废物处理问题的新趋势,促使人们日益关注在建筑工业中利用这些废物取代混凝土中的部分高耗能波特兰水泥。多年来,欧洲已采用大掺量粒状高炉矿渣获得优良性能的耐酸混凝土,但掺量因矿渣强度发展相对缓慢而受到限制,前苏联和斯堪的纳维亚国家的大量研究结果表明在矿渣混凝土中可以掺加碱性活化剂(如石灰、氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠及其它弱酸强碱盐)加速其强度发展,并且经过碱活化的矿渣混凝土具有比普通波特兰水泥混凝土更加优良的性能(如抗化学侵蚀性)。

关键词：碱活化材料；耐久性；改性材料

前言

目前,碱活化材料耐久性的研究基本是以解决两者的界面问题为主,有关材料分散形态对橡胶物理性能影响的研究报道较少。高岭土具有层状结构,可以面-面、边-面或边-边排列的形式分散在溶液中。在溶液呈碱性或有阴离子盐存在的前提下,高岭土粒子以面-面排列为主,高岭土排列方式的变化直接影响高岭土/橡胶复合材料的物理性能和微观结构。在利用乳酸钾和氢氧化钾进行高岭土无定形化的研究中发现,在两者浓度较低条件下,高岭土的晶体形态不变,但表面活性增大。乳酸钾和过量氢氧化钾协同对高岭土改性,氢氧化钾参与高岭土改性反应的同时又可防止胶乳凝聚,起到双重作用。

1.耐久性和热力学

碱性物质，特别是碱性硅铝酸盐在岩石中存在的无数例子表明这些化合物与地层形成元素的适当比例和结合是高度稳定的（不溶的）。此外，制造碱活化材料所需的温度和压力与沉积岩层形成过程中的一些过程中的情况相似。

例如，在某些温带海床上（温度低于30°C），火山灰与溶解在海水中的碱性金属之间的相互作用会导致破坏倾向。其形成的唯一决定因素以及其他沸石的唯一决定因素是海水中与灰分接触的元素的浓度以及水温。在高钙介质中，含钙沸石是最容易沉淀的品种，当碱浓度较高时，钠或钾部分或全部替代碱土阳离。其结果是碱金属富集、沉淀，其完全与碱土金属沸石的存在相容。在碱性铝硅酸盐水合物如白云母和钠文石中，耐腐蚀性明显优于铝硅酸盐。这些含有钠和钾的矿物在自然界中的存在进一步支持了类似于碱性活化产物的化合物的优异耐久性。建立了岩石风化产物沉积岩石形成的流程图，然后将其用作建模人造矿物的基础。然后，诸如硅酸盐冷凝和聚合等过程，伴随着各自矿物相的变化，在实验室条件下都进行了全面研究，也发生在地壳中。这似乎有助于证明反应产物的热力学稳定性，并提供了有关碱活化材料长期耐久性的积极方面的信息。

2.测试耐久性

大多数以前的研究集中在碱激活和碱激活水泥和混凝土的机械性能的过程中，直到最近才更多强调耐久性方面。许多关于耐久性测试的标准已经建立并广泛应用于波特兰水泥混凝土，但是它们对碱活化材料的适用性仍有待解决。这两本书总结了以前关于碱活化材料耐久性的研究;本节概述了一些最近的相关出版物，并提出了有关碱活化材料耐久性测试的一些重要论点。

3.氯化物进入和结合

混凝土中的氯化物进入和粘结对于确定在钢筋混凝土结构和构件中引发钢筋锈蚀的时间非常重要。冯辉霞等人采用快速氯化物渗透率测试（RCPT）方法测量碱激活矿渣水泥混凝土所通过的电荷，并得出与低水灰比水泥混凝土的预期值相符的结果。相应砂浆试样的汞侵入测量结果表明，Na2SiO3活化矿渣砂浆比Na2CO3激活和NaOH活化矿渣砂浆具有更低的孔隙率和更细的孔隙结构。然而，RCPT结果表明Na2SiO3活化的炉渣砂浆表现出高得多的电荷传递，特别是在早期，而由NaOH或Na2CO3激活的那些显示电荷从3天到90天变化很小。据推测，对于碱活化矿渣砂浆和混凝土，孔隙溶液的化学成分似乎对孔隙结构的电导率或电荷的贡献更大。当不同的碱活化材料比较时，这些问题变得更加严重。候贺辉人通过RCPT和直接扩散试验研究了碱活化混凝土对氯离子渗透性的阻力，发现这两种方法产生的氯离子扩散系数之间的相关性很弱，这进一步揭示了RCPT分析碱活化混凝土。似乎碱活化凝胶水合产物的性质强烈影响氯离子传输[139]，但这些过程的完整描述尚未公布。在高Ca碱活化系统中，C-A-S-H降低了孔隙率，而在低Ca系统中，更多孔的N-A-S-H似乎对高氯化物绑定。

RCPT方法基于电导率的测量，其由孔结构和溶液化学决定。因此，如果孔隙化学在测量中占主导地位，这种方法的结果可能会引起误解[140]。由于添加了碱性活化剂，孔隙化学变得更加复杂，碱性活化剂可以在水合过程中在非常高的pH下缓冲孔隙化学。因此，应用替代加速的氯化物迁移试验如NordTest方法或积水试验如ASTMC1543，使用硝酸银溶液引起的颜色变化分割样品表面以确定氯化物渗透深度，从而确定氯化物扩散系数。由于氯离子运动是直接测量的，所以这些测试提供了与现场性能更明显的相关性。然而，应该注意的是，在硝酸银比色法中，水泥基材料的孔溶液的碱度和体积以及喷涂AgNO3溶液的浓度和体积都会影响颜色变化边界处的氯离子浓度。这可能会导致测试结果的一些变化，特别是对于碱活化材料。

4.碳化

通过从大气中吸收二氧化碳对水泥进行碳化会导致混凝土的碱度降低，从而增加钢筋对腐蚀的敏感性。这种钢在碱活化混凝土中的去钝化可以直接由于pH值降低而发生，或与氯化物侵蚀相结合。碱活化材料中碳酸化的机理与波特兰水泥中的碳化机理明显不同。在波特兰水泥浆中，大气中的二氧化碳溶解在孔隙溶液中，并与牛磺酸快速反应形成碳酸钙，然后与C-S-H凝胶形成碳酸钙和硅胶。与此相反，碱活化渣浆的碳酸化直接发生在C-A-S-H凝胶中，因为缺乏牛铝酸盐，留下含有氧化铝的残留硅酸盐凝胶以增加CaCO3。碳酸化还可能导致碱激活混凝土的强度损失和孔体积增加。在大多数碱活化炉渣粘结剂中作为次要产物生产的水滑石族相也观察到在结合碳酸根离子和阻碍碳酸化进程中发挥重要作用。低钙碱活化粘合剂的碳酸化主要涉及将富碱孔溶液转化为碳酸盐或碳酸氢盐，而在粘合剂凝胶本身中几乎没有纳米结构改变（如N-A-S-H凝胶不能进行脱钙过程），但这种材料碳酸化引起的强度损失机制仍需要进一步研究。

碳化过程的另一个关键决定因素是相对湿度（RH），其中需要中等湿度以使大气中的二氧化碳吸收，在非常干燥或饱和的条件下，二氧化碳速度较慢。大多数加速碳化试验使用的相对湿度在50-70％之间，其中大部分的混凝土（包括碱激活炉渣）以最快速度碳化。然而，在加速碳化试验过程中，未成熟样品暴露于较低的相对湿度会导致明显的干燥收缩，并随后引起微裂纹，这在加速试验中确实有助于碱活化材料的快速碳化。

5.结语

a)硅酸钠/矿渣比是影响引气剂用量、用水量及混凝土性能的一个重要因素。

b)不管硅酸钠/矿渣比和所用溶液的硅钠比为多少,硅酸钠活化矿渣混凝土在龄期7天及以后的抗压强度不低于相同水灰比和工作度的波特兰水泥混凝土。

c)硅酸钠活化矿渣混凝土的干缩和膨胀应变高于对比波特兰水泥混凝土的相应值。

d)硅酸钠活化矿渣新拌混凝土可能存在气孔系统的不稳定性,致使气孔系统参数较差,有一组拌和物的冻融耐久性不足,这种不稳定性可能源于引气剂和用于活化矿渣的化学成分之间的不相容性。

鉴于目前的测试方法过分积极，但需要相对较高的加速度才能在实验室时间表上观察到缓慢的自然碳酸化过程，如何设计和实施适当和可靠的测试这也需要进一步关注。

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