温度和集料对混凝土ASR有效碱的影响规律.pdf
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1、第 1 5卷第 2期 2 0 1 2年 4月 建筑材料学报 J 0URNAL OF BUI L DI NG MATE RI ALS Vo I 1 5 , No 2 Apr , 2 O 12 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 8 4 0 6 日 , 皿 度和集料对混凝土 A S R有效碱 的影 响规律 庄 园 。 , 钱春香 。 , 徐 文 。 ( 1 东南 大学 材料 科学 与工 程学 院 ,江 苏 南 京 2 1 1 1 8 9 ; 2 东南大学 江苏省土木工程材料重点实验室,江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘 要 : 从 碱
2、硅 酸反 应 ( AS R ) 的化 学本质 出发 , 将 有效碱 进 一 步 定 义为 扩散 进 入 活 性 集料 内并 与 活 性 S i O 发 生化 学反 应 的液相碱 在 此基 础上 , 以熔 融石 英玻 璃 为 活性 集料 , 研 究 养护 温度 、 活 性 集 料粒径和活性集料掺量( 质量分数) 对单颗活性集料 内有效碱含量( 质量分数) 的影响 ; 结合 F i c k第 一 定律和第二定律 , 建立 了有效碱 浓度 的计算模型 结果表 明: 养护温度对单颗活性集料 内有效碱 含量影响显著 ; 活性集料粒径对单颗活性 集料 内有效碱含 量无显著影响; 随着活性 集料掺量的增 加
3、 , 单 颗活 性 集料 内有效碱 含 量呈 现 出一 定 的 下降 趋 势 ; 所 建 立 的有 效 碱 浓度 计 算模 型 可 以有 效 反映养护温度、 活性集料粒径和活性集料掺量对其的影响, 对后续建模工作有一定的参考价值 关 键 词 : 碱 硅 酸反 应 ;养 护温度 ;活性 集料 ;集料 粒径 ;集料掺 量 ; 计 算方 法 中 图分 类 号 : TU 5 2 8 0 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 ; i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 2 0 2 0 0 7 I n f l u e nc e o f Te mpe r a t
4、u r e a n d Ag g r e g a t e o n Ef f e c t i v e Al k a l i Co nt e n t o f Al k a l i S i l i c a R e a c t i o n ( AS R) ZHUANG Yu a n , QI AN C h u n x i a n g , X己 ,We n , 。 ( 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 d En g i n e e r i n g,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n
5、j i n g 2 1 1 1 8 9 ,Ch i n a ; 2 J i a n g s u Ke y L a b o r a t o r y o f Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y,Na n j i n g 2 1 1 1 8 9,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n t he m e c ha ni s m o f a l k a l i s i l i c a r e a c t i on( AS R ),t
6、 h e e f f e c t i v e a l k a l i wa s d e f i ne d a s t he p a r t o f a l ka l i t h a t h a d d i f f u s e d i nt o t h e r e a c t i ve a gg r e g a t e a n d pa r t i c i pa t e d i n t h e c he m i c a l r e a c t i o n Us i ng g l a s s a g g r e ga t e a s r e a c t i ve a g gr e g a t e,
7、t he i nf l u e nc e o f c u r i ng t e mpe r a t ur e,r e a c t i v e a g gr e g a t e s i z e a nd r e a c t i v e a g g r e g a t e a d d i t i o n( b y ma s s )o n t h e e f f e c t i v e a l k a l i c o n t e n t ( b y ma s s )i n s i n g l e r e a c t i v e a g g r e g a t e p a r t i c l e wa
8、 s s t u di e dBa s e d o n t he Fi c k S f i r s t l a w a n d Fi c k S s e c o n d l a w ,a c a l c u l a t i on me t h o d f o r e f f e c t i ve a l ka l i c o nc e n t r a t i o n wa s p r o p os e d The r e s u l t s s h o w t h a t t he e f f e c t i ve a l k a l i c o nt e nt i s i n f l ue
9、nc e d by c u r i ng t e m pe r a t ur e o bv i o us l y Howe v e r,t he i n f l ue nc e of r e a c t i ve a g g r e ga t e s i z e o n e f f e c t i v e a l ka l i c o nt e nt i s no t r e ma r ka bl e Be s i d e s ,t h e e f f e c t i v e al k a l i c o nt e n t de c r e a s e s wi t h t he i nc r
10、 e a s e o f r e a c t i ve a g gr e g a t e a dd i t i o n Th e p r o p o s e d c a l c u l a t i o n me t h o d f o r e f f e c t i v e a l k a l i c o n c e n t r a t i o n c a n b e u s e d t o e v a l u a t e t h e e f f e c t o f C U r i n g t e mp e r a t ur e,r e a c t i v e a gg r e g a t e
11、 s i z e a nd a d di t i o n e f f e c t i v e l y Ke y wo r d s :a l k a l i s i l i c a r e a c t i o n ( AS R) ;c u r i n g t e mp e r a t u r e ;r e a c t i v e a g g r e g a t e ;a g g r e g a t e s i z e ;a g g r e g a t e a d d i t i o n:c a l c u l a t i o n me t h o d 碱硅酸反应( AS R) 是指水泥 、 矿物
12、掺合料 中的 碱与活性集料中的活性成分( S i O ) 之间发生的化学 反应 , 其产物凝胶通常会吸水膨胀 , 在混凝土结构 内 部产 生应 力 , 最终 导致 混 凝 土 结 构 发 生 破 坏 水 、 碱 和活性 集料 是 AS R发生 的 3个必 备条 件 混凝 土 组分中的碱通常 以固相和液相 2种形式存在 , 一般 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 1 2 2 ;修订 日期 : 2 0 1 l _ 0 5 一 O 9 基金项 目: 国家重点 基础研究 发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) 第一作 者 : 庄 园( 1 9 8
13、 4 一 ) , 男 , 江苏宿迁人 。 东南大学博士生 E ma i l : z h u a n g y u a n 2 O O 5 y a h o o c o m c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 庄 园, 等 : 温度 和集 料对 混凝土 AS R有效碱 的影响规律 1 8 5 认为只有液相碱参与和活性集料的化学反应 , 这部 分碱一般被称 为有效碱 液相碱一般存在 于混凝 土孑 L 隙溶液 中 然而 , 有研究 表明, AS R 的产物 凝胶 对碱 金属 离 子具有 一定 的吸附 作用 这 表 明 , 混 凝 土孔 隙 液 中 只有 部
14、 分 液 相 碱 能 够 参 与 碱 硅 酸 反 应 , 也就 是说 , 只有 进入 到 活性集 料 内并 与活 性成 分 ( S i O ) 发生反应 的液相碱才会对 AS R有所 贡献 因 此 , 从 化 学反应 的角度 出发 , 可 以将 混凝 土 中 的有 效 碱进 一 步 定 义 为 扩 散 进 入 活 性 集 料 内 并 与 活 性 S i O 发生化学反应的液相碱 影 响有效 碱 含量 的 因素 很 多 凡 是 影 响混 凝 土 组分中碱的释放与吸收的因素 , 例如温度 、 活性集料 粒径 、 活性 集 料种 类 、 水泥 与 混 合 材 的碱 含 量 等 , 都 能对有效碱的迁
15、移和分布造成影 响, 最终影 响有效 碱含量 AS R对 温度极 其敏感 , 温度升 高往往可 以 加速 胶凝 材料 的水 化 , 增 加 碱 硅 酸反 应 动 力 6 - 7 活 类、 掺量和粒径不 同, 在某 时刻其参 与 AS R 的“ 面 积” 也不同, 因此必然对 A s R过程 中混凝 土及活性 集料 内碱 的分 布 与消耗 产 生不 同影 响 本文 以熔融石英玻璃为活性集料 , 研究 了养护 温度 、 活 性集料 粒 径 、 活性集 料掺 量 对单 颗活 性集 料 内有 效碱 含量 ( 质 量分 数 , 下 同 ) 的影 响 规 律 此 外 , 本文基于 F i c k第一定律
16、和第 二定律 , 建立 了 AS R 有效碱浓度的计算模型 1 试验原料与试验方法 水泥 : 江南 小 野 田 P O4 2 5普 通硅 酸 盐 水 泥 , 碱含量( 以等 当量 Na O计 , 下 同) 0 5 9 ; 粉煤 灰: I级灰 , 碱 含量 1 O 2 ; 细集 料 : 石 英 砂 ; 粗 集 料 : 玄 武岩和熔融石英玻璃 ( 活性集料 ) ; 外加碱 : Na OH, 分析纯 ; 水 : 自来水 ; 外加剂 : J M P C A聚羧酸高效减 水剂 , 碱含量 1 O 0 2 试验采用 的混凝 土配合 比如 性集料是影 响 AS R 的重要 因素E 活性集料 的种 表 1 所
17、示 表 1 混凝土配合 比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e 8 9 4 0 0 1 0 1 1 2 O Ba s a l t ,4 0 1 1 7 3 r e a c t i v e 4 7 5 1 9 0 7 2 3 1 3 a g g r e g a t e 6 0 8 O 试验组 1 3 研究养护温度 ( 2 0 , 4 0 , 6 5) 对单 颗 活 性集 料 内有 效 碱 含量 的影 响规 律 , 配制 的混 凝 土 以玄武 岩为 粗 集 料 , 同时 在 试 件 中各 预埋 3颗 活 性集料作为待测
18、定集料 ; 试验组 4 7研究活性集料 粒 径 对单 颗活 性 集 料 内有 效 碱 含 量 的影 响 规 律 , 粗 集料全部采用活性集料 , 活性集料粒径包括 4 7 5 9 5 mm , 9 5 1 9 0 IT t m , 1 9 0 2 65 mm , 26 5 3 1 5 mm; 试验组 8 1 1研究活性集料掺量对单颗 活性集料内有效碱含量 的影 响规律 , 配制 的混凝土 以 玄 武 岩 为 粗 集 料 , 并 分 别 用 2 0 , 4 O , 6 0 , 8 O ( 质量分数) 的活性集料加以取代 另外 , 在使用 熔 融 石英 玻璃 活性 集 料 前 , 先 对 其 进
19、行 切 割 、 打 磨 、 抛光 等 预处理 混凝土试 件尺寸 为 1 0 0 m inx1 0 0 ml T l 1 0 0 r f l r n , 每组 3个 试件 所 有试 件 成 型 后 标 准 养 护 7 d , 然 后 浸入 规定 温度 的 1 mo l L Na OH 水 溶 液 中养 护 养 护容 器参 照蒸 养箱 规格 订制 , 为 不锈 钢带 盖容 器 , 尺 寸为 1 1 0 0 mm7 5 0 mi l l 6 5 0 mi t t 在规定 的龄期 , 取 出混凝 土试 件 , 用 潮 湿 的毛毡 包裹 , 然后 置 于 恒温 恒湿室 2 4 h 将试件破碎 , 取出熔
20、融石英玻璃活性集 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 6 建筑材料学报 第 1 5卷 料 , 再沿 预处 理过 的截 面 向集料 内部 打磨 通 过控 制 打磨下 的粉 末质 量 使每 次 打磨 的深 度 为 1 0 0 m 将 粉 末置 于蒸 馏水 中溶 解 , 搅拌 、 静置 后用 火焰 光度 计 ( F P, 检测 精 度 为 1 g mL ) 测 定 溶 液 中 的 Na 。 。 含 量 , 得 到单 颗活 性集 料 内不 同深度 处 的有效 碱含 量 文献 5 曾将 F P检测结果与 S E M E D S ( 扫描电镜 能谱 分 析) 检 测结
21、果进行 对 比, 结果 表 明两者 相 关性 良好 2 试 验结果与讨论 2 1 养护 温度 对有 效碱 含量 的影 响 图 1为在不 同温 度 的 1 mo l L N a OH 水溶 液 中 养护 5 d后 , 单 颗 活 性 集 料 内不 同深 度 处 的 有效 碱 含量 由 图 1可 见 , 随着 养 护 温度 的升 高 , 单 颗 活性 集料 内有效碱含量显著提高 , 说明温度对 AS R具有 明显 的加 速 作 用 Ar r h e n i u s方 程 可 以用 来 定 量 描 述 温度 对化 学反应 的影响 以往 的研 究 表 明 , Ar r h e n i u s 方 程
22、也是研 究 AS R速率 的有 效工 具 k = = =A e a ( 1 ) 式 中 : k为反 应 速 率 常 数 ; A 为 指前 因 子 ; T 为 绝 对 温度 ; 尺 为气 体 常 数 ; E 是 Ar r h e n i u s 活 化 能 , 当温 度变化 不 大时 , 可视 为 常数 由式 ( 1 ) 可 见 , 随着 温度 的升 高 , 化 学反 应速 率提 高 , 参与反 应 的有效 碱 含量 相应 增 加 而 同时 , 由于碱 扩 散 系数 的增 加 , 从 胶凝 材料 及外 界养 护环 境进 入混 凝 土孔 隙溶液 的碱 将 显 著 增多 , 这对 有效 碱含 量 的
23、增加 具有促 进作 用 Lo c a t i o n wi i n r e a c t i v e a g g r e g a t e , m 0 -1 0 0 ; _ 1 0 0 2 0 0; 2 0 0 3 0 0 ; X 3 0 0 4 0 0 ; 4 0 0 5 0 0 图 1 养护温度对有效碱含量 的影 响 Fi g 1 Ef f ec t of c u r i ng t e mpe r a t ur e on e f f e c t i v e a l k a l i c o nt e nt 2 2活 性集 料粒 径对 有效 碱含 量 的影响 活性 集料 粒径 对单 颗 活性集 料
24、 内不 同深度 处 有 效碱 含 量 的影 响 见 图 2 由图 2可 以看 出 , 在 AS R 的前期 , 活性集料粒径对单颗活性集料内有效碱含 量并 无 显著 的影 响 , 这 与 一 些 文献 中涉 及 的有 关集 料 的 “ 最 不 利 尺寸 效 应” l 1 “ 不 一致 这 主要 是 因为 此 处 的测试对 象 为 某 一 单 颗 活性 集 料 , 试 验 结 果 仅 用 来说 明单 颗 活性 集 料 中的 有效 碱 含 量 , 无 法 代 表 混凝土试件整体 的有效碱含量 对于混凝土 中小粒 径 ( 微 米级别 ) 的细集 料而 言 , 在 加速 试验 制度 下 , 高 浓度
25、的碱溶 液 可 以将 粒 径 较 小 的集 料 完 全 消 耗 , 产 物凝 胶在 填充 原集料 所 占空 间的 同时还将 填 充 集料 周 围浆体 的孔 隙 ; 产 物 凝胶 体积 和孔 隙 体 积 的 差异 可 能造成 了集 料 “ 最 不 利 尺 寸效 应 ” 对 于 粗 集 料 而 言 , 短龄 期 内其 消 耗量 与原体 积相 比很 小 , 甚 至可 以 忽 略不 计 因此 , 在 粗 集料 掺 量 相 同 的情 况 下 , 随 着 粗 集料 粒径 的增 加 , 混 凝 土 内部 参 与 AS R 的“ 反 应 元 ” 数 量必 然减 少 , 相 应 的 有 效碱 含 量 也 将 减
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- 关 键 词:
- 温度 集料 混凝土 ASR 有效 影响 规律
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