白云石矿物掺合料的研究*

阮炯正 王力强 刘雅琪 宋 双

(1:吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春 130118; 2:吉林建筑大学城建学院,长春 130111)

混凝土在凝结硬化过程中经常发生体积收缩,进而对混凝土的许多性质均产生不利影响.如何制备具有体积补偿的复合混凝土掺合料减少混凝土的体积收缩,可能是一条值得探索的新路,由此，笔者提出了利用白云石微粉作为复合掺合料加入到混凝土,研究利用碱-碳酸盐反应提高混凝土抗渗性能的可行性.

1 白云石复合矿物掺合料的抗渗机理

众所周知,如果在混凝土拌合料中使用了白云石作为粗集料,经常会发生碱-碳酸盐反应(Alkali—carbonateriaction),是指水存在的环境下水泥中的碱与粗集料白云石之间发生的反应,形成的混凝土体积膨胀甚至会使混凝土出现开裂[1].所以，碱-碳酸盐反应被认为是引起混凝土体积安定性不良的原因之一.迄今为止,研究碱骨料反应目的多是为了防止其对混凝土工程造成损害.应因势利导采取合理措施使碱-碳酸盐反应产生的体积膨胀来补偿混凝土的体积收缩,并努力使之成为制备抗渗混凝土复合掺合料的技术措施.

文献[2]中介绍“碱—碳酸盐反应(也称为去白云石化反应)机理如下:

CaMg(CO3)+2MOH=CaCO3+Mg(OH)2+M2CO3

式中,M为碱金属离子即Na+,K+,Li+,去白云石化反应的产物层中，除了方解石和水镁石外,还有K+,Na+和CO32-离子,即去白云石化反应的反应产物K+,Na+和CO32-未回到孔溶液中,而是保留在产物层中占据一定的空间.因此,去白云石化反应产物所占据的空间大于参加反应的白云石所占据的空间,从而引起膨胀”.所以，合理利用该膨胀反应,研发具有膨胀功能的混凝土掺合料在理论上是可行的.唐明述在中国科学基金1995年第三期里介绍了碱-碳酸盐膨胀机理[3],白云石表面的Mg2+离子与OH-离子结合形成水镁石,原表面层处的碳酸钙形成方解石,膨胀是由局部反应和结晶压引起的,去白云石反应的自由能⊿G298=-12.19kJ,说明反应在室温条件下即能进行.

碱-碳酸盐反应的本质是白云石里的碳酸镁与环境溶液里的氢氧根离子反应生成氢氧化镁的过程.而且大量实验结果表明[4],碱-碳酸盐反应与碱-硅酸反应不同,即采用低碱水泥或不同掺合料材料并不能有效抑制碱-碳酸盐反应,这对利用碱-碳酸盐反应形成的体积膨胀,补偿混凝土体积收缩反而是有利的,即碱-碳酸盐反应与掺入的掺合料种类和数量不敏感,有利于控制体积膨胀的数量.所以利用天然白云石作为主要原料,与水泥里的碱(或外加碱)反应产生的体积膨胀,补偿混凝土凝结硬化时产生的体积收缩在理论上是可行的.

2 白云石复合矿物掺合料实验验证

2.1 实验用材料

(1) 水泥. 长春亚泰水泥厂鼎鹿牌PO42.5R普通硅酸盐水泥,经能谱分析检测水泥的当量碱含量为1.16%,可认为是高碱水泥；

(2) 白云石. 产地为山东石河,用X射线衍射仪检测确认为白云石岩.用行星式快速研磨机将白云石磨细,控制粒径与水泥的相近.

2.2 实验方法及试验结果

按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》规定,共制作12组试件.每组试块加入不同掺量的白云石粉,奇数组采用在温度为20℃的空气中养护,偶数组采用在温度为20℃的水中养护.每组试块白云石粉含量及养护条件见表1.

表1 水泥胶砂试件中白云石粉掺量(外掺)及养护条件

水泥胶砂试件在成型1d后拆模检测基准长度,然后在第2d、第5d、第10d、第17d、第28d分别对试件长度的变化量进行测定(详见表2).

表2 水泥胶砂试件不同龄期内长度变化量 (mm)

续表

注：表格中“+”表示体积膨胀，“-”表示体积收缩

掺入白云石粉水泥胶砂试件的强度试验结果,见表3、表4所示.

表3 单数编号水泥试块强度试验值(20℃空气中养护)

表4 双数编号水泥试块强度试验值(20℃水中养护)

2.3 试验结果分析

从上述实验结果可以知道,利用水泥中的碱与白云石粉反应能产生体积膨胀,可获得补偿(或部分补偿)水泥水化硬化时产生的体积收缩的目的,在水中养护对碱-碳酸盐反应有明显的促进作用.

2.4 X射线衍射试验结果及分析

2.4.1 X射线衍射试验

为验证白云石是否发生了去白云石化反应,还对白云石粉及掺入白云石粉的试件进行X射线衍射测试,结果如图1,2所示.

图1 白云石粉的X射线衍射图谱

图2 12#试件的X射线衍射图谱

2.4.2 试验结果分析

通过上面的X射线衍射图谱对比分析可知,12#试件里白云石粉的衍射峰已经基本不见,证明白云石粉与碱发生了去白云石化反应.

2.5 扫描电镜试验微观结构观察及结果分析

2.5.1 扫描电镜微观结构观察

为检验微观结构是否致密,采用扫描电镜观察2#,11#试件的微观结构,结果如图3图4所示.

图3 2#试件扫描电镜微观结构

图4 11#试件扫描电镜微观结构

2.5.2 扫描电镜微观结构观察分析

通过对比微观结构可以看出,加入白云石粉的11#试件密实度增加,消除了试件的显微裂纹.这可能是由于碱-白云石反应产生的体积膨胀,使水泥石更加密实的结果.

2.6 抗渗混凝土实验

采用C30P6泵送抗渗混凝土配合比作为基准配比,即PO42.5强度等级的水泥,水泥碱含量0.85%,水泥用量为275kg,粉煤灰80kg,中砂840kg,碎石(5mm～31.5mm)1 010kg,水170kg,萘系减水剂9kg.28d实际检测混凝土抗渗等级可达P8的技术要求.

在上述基准配合比的基础上设计的对比实验配合比,用白云石复合掺合料40kg(内含氢氧化钠0.24kg)代替粉煤灰40kg,28d实测混凝土抗渗等级可达P12技术要求.

3 结语

从上述实验结果可以证明,利用水泥中的碱(或外加碱)与白云石粉发生的碱-碳酸盐反应,可产生体积膨胀,能起到部分补偿水泥水化硬化时产生的体积收缩.

参 考 文 献

[1] 刘 铮,韩苏芬,唐明述,碱-碳酸盐反应机理[J].硅酸盐学报,1987(4):302-308.

[2] 封孝信,冯乃谦,碳酸盐反应的膨胀机理[J].硅酸盐学报,2005(7):921-915.

[3] 梅来宝,邓 敏,唐明述,碱-碳酸盐反应研究进展[J].南京工业大学学报,2002(2):104-110.

[4] 吕忆农,兰祥辉,程东明,韩素芬.碱-白云石反应和碱-碳酸盐反应膨胀机理[J].硅酸盐学报,1994,22(4):315-324.