煤系纳米偏高岭土对碱骨料反应的抑制作用分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.煤系纳米偏高岭土对碱骨料反应的抑制作用分析李秋超范颖芳祁妍紫张贵波(大连海事大学土木工程系 大连)摘要:为了探究煤系纳米偏高岭土()对碱骨料反应的抑制作用采用快速砂浆棒试验方法测量 质量分数为、时砂浆棒在不同浸泡时间下的膨胀率利用超声波检测仪获得砂浆棒的相对动弹性模量通过扫描电镜和能谱分析法从微观层次分析 对碱骨料反应的作用机制.结果表明 可延迟砂浆棒表面裂缝的出现及扩展.随浸泡时间的增加 对水泥砂浆内部碱骨料反应的抑制作用逐渐减弱.浸泡时间为 和 时 质量分数为 的砂浆棒膨胀率较普通砂浆棒分别降低.和.砂浆棒的相对
2、动弹性模量随浸泡龄期的变化小于普通砂浆棒.细化了水泥基体内部孔结构使碱骨料反应区更加密实导致砂浆棒内部钠与硅的原子数比值下降从而有效抑制了砂浆棒内部碱骨料反应.关键词:煤系纳米偏高岭土碱骨料反应砂浆棒膨胀率相对动弹性模量中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():().:收稿日期:.作者简介:李秋超()男博士生范颖芳(联系人)女博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目().引用本文:李秋超范颖芳祁妍紫等.煤系纳米偏高岭土对碱骨料反应的抑制作用分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.近年来服役于海洋环境、水工环境中的混凝土结构(如巴西 大坝、法国 大坝、英国 大坝、加拿大
3、博赫尔洛依斯水电站等)相继因混凝土内部碱骨料反应而发生:/.破坏.碱骨料反应是指混凝土内部活性集料与可溶性碱发生反应生成碱硅酸()凝胶.碱硅酸凝胶吸水后发生膨胀凝胶周围的硬化水泥基体对该膨胀起约束作用.当水泥基体承受的拉应力超过抗拉强度时混凝土开裂.碱骨料反应发生于混凝土内部难以修复.如何减缓、抑制混凝土碱骨料反应备受关注.国内外学者在研究碱骨料反应时发现在水泥基材料中掺入辅助胶凝材料(高镁镍渣细集料、磨细黏土砖粉、粉煤灰、偏高岭土、陶瓷抛光渣等)、锂盐或外加剂(引气剂)可有效减缓、抑制碱骨料反应.在众多掺和料中偏高岭土的生产过程污染较小且通过控制生产工艺可满足混凝土力学性能和耐久性需求因而在
4、土木工程领域受到更多关注.文献指出当偏高岭土质量分数为 时砂浆棒 膨胀率较普通砂浆棒降低 当偏高岭土质量分数为 时砂浆棒 膨胀率较普通砂浆棒降低 当偏高岭土质量分数为 时砂浆棒 膨胀率较普通砂浆棒降低约.根据形成原因高岭土可分为煤系高岭土和非煤系高岭土.我国高岭土资源主要以煤系高岭土为主远景储量超过 相当于世界上软质高岭土储量总和煤系高岭土是生产煤系偏高岭土的原材料.合理利用煤系高岭土将产生一定的经济效益.文献指出非煤系偏高岭土对碱骨料反应起抑制作用但煤系偏高岭土对碱骨料反应的抑制效果还不清晰.目前用于研究的煤系偏高岭土多为微米尺度而纳米颗粒在细化水泥基材料内部孔结构时具有明显优势.因此有必要
5、探明煤系纳米偏高岭土()对碱骨料反应的影响为煤系纳米偏高岭土在水泥基材料中的应用提供试验依据和理论支撑.本文制备了 质量分数为、的砂浆棒采用快速砂浆棒试验方法探究 砂浆棒膨胀率在不同浸泡时间的发展规律.利用超声波探测仪获得 砂浆棒在不同龄期下的超声声速计算相对动弹性模量.通过扫描电镜()和能谱分析法()从微观层次分析煤系纳米偏高岭土对碱骨料(碱 硅酸)反应的作用机制.试验.试验材料试验选用小野田 .普通硅酸盐水泥.为内蒙古超牌偏高岭土有限公司生产平均片层厚度为 .的 图谱和 形貌见图.由图可知 的衍射峰呈弥散状为结晶态较差的过渡相.片层厚度远小于 属于二维纳米材料.活性指数为 需水质量分数为
6、白度为.非活性骨料采用厦门产 标准砂.活性骨料中质量分数为.水泥、标准砂和石英砂的化学成分见表 活性骨料级配见表.试验中 为分析纯试验用水为自来水.()图谱()形貌(单位:)图 煤系纳米偏高岭土的 图谱及 形貌表 试验材料化学成分材料种类()()()()()()()水泥.煤系纳米偏高岭土.标准砂.石英砂.表 活性骨料级配 筛分粒度/.过筛质量分数/东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.试件制备依据水工混凝土砂石骨料试验规程(/)制备砂浆棒.水胶质量比为.胶砂质量比为.试件尺寸为.试件浇筑前在模具两端埋入金属侧钉侧钉尺寸为 试件养护 后脱模.的质量分数选取为、.砂浆棒中活性骨料与非活性骨料的质量
7、比为 与文献一致.由于纳米颗粒具有较高的表面能在水或水泥基材料中容易发生团聚为提高 在水泥砂浆中的分散性首先将 在水中超声分散 然后加入水泥、砂进行拌制.由于水泥中碱的质量分数较低为加速碱骨料反应利用质量分数为 的 溶液将水泥中碱质量分数调至.水泥砂浆配合质量比见表.表 水泥砂浆配合质量比试件编号(水泥)(标准砂)(石英砂)(溶液)(水)().测试方法.砂浆棒膨胀率测试方法砂浆棒脱模后置于温度为 的清水中养护 记录试件初始长度.然后将砂浆棒浸入温度为、浓度为/的 溶液中.每日测量砂浆棒长度测量完成后继续浸入 溶液.砂浆棒膨胀率取 个平行试件的平均值.浸泡 时间后试件的膨胀率计算公式为()式中为
8、浸泡 时间后试件的长度为浸泡前试件的初始长度.相对动弹性模量测试方法采用东华 系列多功能混凝土超声波检测仪测量砂浆棒在不同浸泡时间下的超声声速取 个平行试件的平均值.测试方式为短边对测测试位置为试件中部各龄期测试位置相同.扫描电镜及能谱分析测试方法将测试完成后的砂浆棒破碎取内部 块体在无水乙醇中浸泡 以终止水泥水化.由于水泥砂浆试件导电性较差为使电子枪激发的次级电子信号更加明显对水泥样品进行喷金处理喷金时间持续 .喷金完成后采用美国 场发射环境扫描电子显微镜进行微观形貌观测和能谱分析.试验结果与分析.煤系纳米偏高岭土对碱骨料反应的影响.破坏过程及破坏形态碱骨料反应试验过程中 质量分数对砂浆棒表
9、面裂缝扩展影响显著.浸泡时间 时试件、和 表面有沉淀物质附着.试件 表面沉淀物质体积较试件 大试件 表面沉淀物质零星分布.文献指出沉淀物质减少意味着碱骨料反应被抑制.试件 和 浸泡 时表面开始出现沉淀物质.浸泡 时试件 仅在表面孔隙周围出现肉眼不可见的微裂纹试件 裂纹从侧面底部向上扩展试件 和 表面出现肉眼不可见的三叉裂纹试件 表面开始出现沉淀物质.由图 可知试件表面沉淀物质渗出量和裂纹长度随 质量分数的增加而减小.浸泡 时试件 表面短裂纹呈雪花状试件 表面龟裂.究其原因在于两者初始碱质量分数不同导致试件内部孔隙溶液中初始碱浓度不同进而使得砂浆棒内部碱骨料反应程度不同.试件 裂纹呈龟裂状但裂纹
10、数量较试件 少试件 和 微裂纹主要出现在试件表面孔周围试件 表面裂纹为短裂纹肉眼清晰可见试件 表面多为短小裂纹.浸泡 后试件 裂缝沿轴向出现贯穿裂纹试件 裂缝贯通侧面布满裂纹试件发生翘曲试件 由底部产生的竖向裂纹穿过中轴线试件 侧面底部竖向裂纹长度约为试件高度的/试件 表面出现网状裂纹试件 表面出现网状裂纹裂纹长度约为试件高度的/试件 裂纹在其表面中部扩展为多叉裂纹.综上可知随着 质量分数的增加砂浆棒表面裂纹长度逐渐减小说第 期李秋超等:煤系纳米偏高岭土对碱骨料反应的抑制作用分析:/.()试件()()试件()()试件()()试件()()试件()()试件()图 不同浸泡时间下煤系纳米偏高岭土砂浆
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