模拟地热环境下延迟钙矾石的形成探究.pdf
《模拟地热环境下延迟钙矾石的形成探究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《模拟地热环境下延迟钙矾石的形成探究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4 4卷第4期V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3青 岛 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 模拟地热环境下延迟钙矾石的形成探究李金鑫,逄 博,金祖权*(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 2 6 6 5 2 5)摘 要:随着“西部大开发”战略推进,我国基建工程逐渐延伸至藏南川西滇西地热带,工程中经常出现高温蒸汽喷出、隧洞岩壁高温等地热高温热害问题。而在蒸养、地热等高温环境下,混凝土水化硬化初期生成的钙矾石(A F t)会受热分解,转化为单硫型硫铝
2、酸盐(A F m),随龄期增长易与未反应的硫酸根在孔隙或骨料界面处生成延迟钙矾石,从而导致混凝土膨胀开裂,为西部山脉中桥隧工程的安全服役埋下严重隐患。鉴于此,试验采用溶液法模拟水泥孔溶液中钙矾石生成的液相环境,通过高温蒸养模拟9 0 地热环境,综合运用X R D、S E M、热重分析等测试技术,对地热环境中钙矾石的生成与温度、石膏掺量的关系进行了研究,得出了7 0 7 5 为延迟钙矾石生成(D E F)的临界温度区间,地热环境服役混凝土中石膏的适宜掺量在4%左右的结论。关键词:地热环境;钙矾石;延迟钙矾石生成;模拟试验;温度界限;石膏掺量中图分类号:T U 5 2 8 文献标志码:A 文章编号
3、:1 6 7 3-4 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 7 3-0 8收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 9基金项目:国家自然科学基金资助项目(U 2 1 0 6 2 2 1;5 1 9 1 1 0 2 0 1 2)作者简介:李金鑫(1 9 9 6-),男,安徽庐江人。硕士,研究方向为地热环境下混凝土耐久性。E-m a i l:3 2 2 6 1 3 9 7 8 7 q q.c o m。*通信作者:金祖权(1 9 7 7-),男,四川南充人。博士,教授,主要从事海工混凝土制备及耐久性等方面的研究。E-m a i l:j i n z u q u a n 1 2 6.c o m。S t
4、 u d y o n t h e f o r m a t i o n o f d e l a y e d e t t r i n g i t e i n s i m u l a t e d g e o t h e r m a l e n v i r o n m e n tL I J i n x i n,P A N G B o,J I N Z u q u a n*(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,Q i n g d a
5、 o 2 6 6 5 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e p r o m o t i o n o f t h e“C h i n as W e s t e r n D e v e l o p m e n t P o l i c y”,C h i n as i n f r a-s t r u c t u r e p r o j e c t s g r a d u a l l y e x t e n d t o t h e s u b t r o p i c a l z o n e o f S o u t h e r n T i b e t-W
6、e s t e r n S i-c h u a n-W e s t e r n Y u n n a n.H i g h t e m p e r a t u r e h e a t h a z a r d s s u c h a s h i g h-t e m p e r a t u r e s t e a m e-j e c t i o n a n d h i g h t e m p e r a t u r e o f t u n n e l r o c k w a l l o f t e n o c c u r i n t h e p r o j e c t s.U n d e r t h
7、e h i g h-t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t s u c h a s s t e a m c u r i n g a n d g e o t h e r m a l,t h e e t t r i n g i t e(A F t)g e n e r a-t e d a t t h e i n i t i a l s t a g e o f c o n c r e t e h y d r a t i o n a n d h a r d e n i n g w i l l b e d e c o m p o s e d b y h e
8、a t i n g a n d c o n v e r t e d i n t o s i n g l e s u l f u r s u l p h o a l u m i n a t e(A F m).W i t h t h e i n c r e a s e o f a g e,i t i s e a s y t o f o r m d e l a y e d e t t r i n g i t e w i t h u n r e a c t e d s u l f a t e a t t h e p o r e o r a g g r e g a t e i n t e r f a c
9、 e,a n d r e s u l t i n c o n c r e t e e x p a n s i o n a n d c r a c k i n g,w h i c h p o s t s a s e r i o u s h i d d e n d a n g e r f o r t h e s a f e s e r v i c e o f t h e b r i d g e a n d t u n n e l e n g i n e e r i n g s i n t h e w e s t e r n m o u n t a i n s.I n v i e w o f t h
10、 i s,t h e t e s t u s e s t h e s o l u t i o n m e t h o d t o s i m u l a t e t h e l i q u i d p h a s e e n v i r o n m e n t o f e t t r i n g i t e f o r m a t i o n i n c e-m e n t p o r e s o l u t i o n,s i m u l a t e s t h e g e o t h e r m a l e n v i r o n m e n t o f 9 0 t h r o u g h
11、 h i g h-t e m p e r a-青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷t u r e s t e a m c u r i n g,a n d c o m p r e h e n s i v e l y u s e s X R D,S EM,t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s a n d o t h e r t e s t t e c h n o l o g i e s t o e x p l o r e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e t t r i n
12、g i t e f o r m a t i o n a n d t h e t e m-p e r a t u r e a n d g y p s u m c o n t e n t i n g e o t h e r m a l e n v i r o n m e n t.I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e c r i t i c a l t e m p e r a t u r e r a n g e o f d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r m a t i o n(D E F)i s a b o u
13、t 7 0 7 5,a n d 4%i s t h e a p p r o p r i a t e c o n t e n t o f g y p s u m i n c o n c r e t e i n g e o t h e r m a l e n v i r o n m e n t.K e y w o r d s:g e o t h e r m a l e n v i r o n m e n t;e t t r i n g i t e;d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r m a t i o n(D E F);s i m u-l a t i o
14、 n t e s t;t e m p e r a t u r e l i m i t;g y p s u m c o n t e n t 为了合理利用资源、带动西部经济发展,我国提出了“西部大开发”战略。2 0 2 0年开工的川藏铁路雅林段是我国未来几年内重要西部工程之一,其沿线生态环境脆弱、地理条件复杂且存在地热高温热害,部分隧道洞内出现高温热泉(9 2),建设施工极为困难。地热环境造成的高温热害作为深埋、特长隧道地质灾害之一,在采矿工程、交通运输工程中并不少见1。尤其是我国西南部有一条贯穿西藏、四川、云南的地热带,即藏南川西滇西地热带,是全球性地中海喜马拉雅地热带的东支。这就导致西部工程中
15、经常出现高温热害问题,例如昆仑山地区的布伦口公格尔水电站引水发电隧洞高温段隧洞长达4 k m,高温洞壁钻孔温度可达9 7 2;新疆的齐热哈塔尔水电站引水隧洞岩壁温度在9 0 以上的区段超过9 0 0 m,隧洞裂隙中喷出的高温蒸汽可达到1 7 0 左右3。地热高温不仅会影响混凝土力学性能的发展,产生围岩温差应力,还有可能使早期生成的钙矾石(A F t)分解,诱发延迟钙矾石产生,导致体积膨胀开裂,造成安全隐患。延迟钙矾石生成(D e l a y e d E t t r i n g i t e F o r m a t i o n,D E F)属于混凝土材料硫酸盐侵蚀的一种类型,是指在没有外界硫酸盐介
16、入的条件下水泥净浆、砂浆或混凝土在完全硬化后生成钙矾石的情况。目前关于造成延迟钙矾石的高温养护温度还没有达成共识,普遍认为养护温度7 0 就会造成钙矾石的分解4,混凝土中大量钙矾石会转化为单硫型硫铝酸盐(A F m)。在高温环境下,水化硅酸钙凝胶(C-S-H凝胶)能够快速吸附石膏、水泥熟料以及钙矾石分解产生的硫酸盐(物理吸附),此后温度逐渐降低至室温并处于潮湿环境中时(相对湿度大于9 5%),单硫型硫铝酸盐(A F m)又会与C-S-H凝胶中渗出的硫酸盐反应重新转化成钙矾石5,并造成体积膨胀,反应前后体积膨胀1.5 2倍。杨鼎宜等6通过对钙矾石(A F t)晶体热分解曲线的非线性拟合,提出长时
17、间处于干燥环境下,4 0 时A F t晶体也会出现分解现象。由于实际工程地热环境多样、水泥水化过程复杂,试验采用溶液法模拟水泥孔溶液中钙矾石生成的液相环境,通过9 0 高温蒸养模拟地热环境,探究地热环境中温度、石膏掺量对钙矾石生成与分解的影响,确定其温度界限和石膏的适宜掺量。1 试验1.1 试剂与材料硫酸铝(A l2(S O4)31 8 H2O)为化学分析纯,白色晶体小颗粒,相对分子质量为6 6 6.4 3,含量 9 9%;氢氧化钙(C a(OH)2)为化学分析纯,白色粉末,相对分子质量为7 4.0 9,含量 9 9%。水泥熟料为河南某水泥厂生产的纯水泥熟料,化学成分如表1所示。石膏为电厂脱硫
18、二水石膏,石膏样品的水分和含硫量如表2所示。表1 纯熟料样品的化学成分%L O IS i O2A l2O3F e2OC a OM g OS O30.1 72 1.7 04.8 33.3 46 3.4 63.7 20.7 8表2 石膏样品的水分和含硫量%附着水结晶水S O30.1 81 9.1 74 0.2 01.2 试验方案1.2.1 探究不同温度下的钙矾石生成采用饱和氢氧化钙C a(OH)2溶液中加入硫酸铝A l2(S O4)31 8 H2O的方式,模拟水泥孔溶液中钙47第4期 李金鑫,等:模拟地热环境下延迟钙矾石的形成探究矾石生成的液相环境。将0.5 0 0 0 g(误差 0.0 0 0
19、2 g)的硫酸铝A l2(S O4)31 8 H2O缓慢加入到盛有1 0 0 m L的饱和石灰水C a(OH)2中,分别置于6 0,6 5,7 0,7 5,8 0,9 0 的恒温水浴锅中恒温密封7 d。用G 3玻璃坩埚真空抽滤,并用无水乙醇反复洗涤3 4次,烘箱中5 0 烘干至恒重,测得生成的沉淀质量。参考 制盐工业通用实验方法 硫酸根的测定(G B/T 1 3 0 2 5.82 0 1 2),从而测得滤液中剩余硫酸根S O2-4的量,减去假设与C a(OH)2充分反应后多余的S O2-4,即为可反应生成D E F的S O2-4。取同批配制的饱和C a(OH)2溶液1 0 0 m L,加入过量
20、N a2C O3溶液,生成C a C O3沉淀为0.1 5 0 3 g。通过式(1)和各反应物的摩尔质量计算可知,1 0 0 m L饱和C a(OH)2溶液中溶有0.1 1 1 g C a(OH)2,完全反应生成钙矾石需要消耗0.1 6 6 5 g的A l2(S O4)31 8 H2O,即0.5 0 0 0 g的A l2(S O4)31 8 H2O与1 0 0 m L饱和C a(OH)2溶液完全反应后剩余0.3 3 3 5 g,根据 制盐工业通用实验方法 硫酸根的测定(G B/T 1 3 0 2 5.82 0 1 2)可生成0.3 5 0 5 g的B a S O4,反应式如式(2)所示。C a
21、(OH)2+N a2C O3C a C O3+2 N a OH(1)A l2(S O4)31 8 H2O+3 B a C l2 3 B a S O4+2 A l C l3+1 8 H2O(2)因此将滤液中S O2-4(B a S O4计)减去多余A l2(S O4)31 8 H2O中的S O2-4(0.3 5 0 5 g,B a S O4计),即为理论上可生成延迟钙矾石的S O2-4。将过滤得到的部分沉淀样品用玛瑙研钵磨粉并过2 0 0目筛用于X R D测试,其余沉淀样品进行S EM测试。1.2.2 探究不同石膏掺量下的钙矾石生成在纯水泥熟料中,分别掺入0%(即无石膏),2%,4%,7%的石膏
22、制成净浆试件,水灰比为0.3 1,设为1号、2号、3号、4号4组,分别标准养护(2 0 2)和地热环境养护,地热高温环境参考布伦口公格尔水电站工程情况2,采用9 0 高温蒸养模拟地热高温环境。在初凝、终凝、3 d、7 d时,取样置于无水乙醇中终止水化,然后将水泥净浆样品置于真空干燥箱中5 0 烘干至恒重,用玛瑙研钵磨粉并过2 0 0目筛后进行热重测试分析。1.3 分析和测试将研磨过筛的沉淀粉末样品置于铜靶上,使用德国B r u k e r A X S D 8-A d v a n c e型X射线衍射仪进行物相分析。N i滤光,射线波长为1.5 4 1 8,管电压为4 0 k V,管电流为1 0
23、0 mA,扫描角度2为5 4 5,扫描速率为0.3/s,步长为0.0 2。取少量未研磨的沉淀样品均匀涂抹在样本台上,经过喷金处理,使用H i t a-c h i S 4 8 0 0扫描电子显微镜放大观察,扫描电镜的加速电压为1 5.0 k V,放大倍率分别为8 0 0倍和3 0 0 0倍。取5 1 0 m g水泥净浆样品粉末于坩埚中进行热重测试,热重测试采用S D T Q 6 0 0综合热分析仪,温度范围为5 0 1 0 0 0,升温速率为1 0/m i n,0.1 M P a N2氛围保护。2 结果与讨论2.1 不同温度下模拟液中钙矾石生成情况钙矾石的分解温度为7 0 8 0 左右,而在化学
24、模拟生成溶液中,其在高于8 0 的环境下仍有絮状沉淀生成,表3为不同温度下模拟液中沉淀的生成情况。表3 不同温度下模拟钙矾石的生成情况温度/沉淀质量/g滤液中S O2-4/g可生成D E F的S O2-4/g6 00.2 9 5 40.3 0 9 9-0.0 4 0 66 50.2 6 6 80.3 4 8 1-0.0 0 2 47 00.2 5 2 90.3 9 3 60.0 4 3 17 50.1 7 4 10.4 9 4 0 0.1 4 3 58 00.1 5 8 50.5 1 9 90.1 6 9 49 00.1 3 5 90.5 6 9 40.2 1 8 9 注:滤液中S O2-4、
25、可生成D E F的S O2-4均以B a S O4计总体上模拟孔溶液液相环境中钙矾石生成量随温度升高逐渐减少,且在7 0 7 5 之间钙矾石沉淀生成量会骤然降低,即7 0 7 5 是A F t晶相转变为A F m(单硫型硫铝酸盐)晶相的关键温度区间。7 5 以上液相环境中钙矾石依然能够生成,只是生成量较少,说明高温虽然会造成钙矾石分解,阻碍其生成,但57青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷不会完全分解完,随溶液中各反应物离子浓度提高,生成反应与分解反应平衡,溶液体系达到稳定。表3中可反应S O2-4数值可反映不同温度下理论上可生成的延迟钙矾石的量,数值越大说明延迟钙矾石会造成的潜在危害越大
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 模拟 地热 环境 延迟 矾石 形成 探究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。