石灰粉对粉煤灰水泥浆体固化氯离子能力的影响

第一篇：石灰粉对粉煤灰水泥浆体固化氯离子能力的影响

龙源期刊网 http://.cn

石灰粉对粉煤灰水泥浆体固化氯离子能力的影响

作者：张韬 吴相豪 张从凯

来源：《科技创新导报》2013年第05期

摘要：采用吸附平衡法测定粉煤灰水泥浆体中氯离子含量，研究了石灰粉等量取代部分水泥和等量取代部分粉煤灰对粉煤灰水泥浆体固化氯离子总量、物理吸附氯离子量以及化学结合氯离子量的影响。

第二篇：外文翻译(中文)使用轻集料时内部固化对混凝土界面上过渡区渗透和氯离子侵蚀的影响

使用轻集料时内部固化对混凝土界面上过渡区渗透和氯离子侵

蚀的影响

摘要：处于水泥砂浆和骨料之间的界面过渡区（ITZ）的微结构在很大程度上取决于骨料的性质，尤其是它的孔隙率和吸水率。表面层多孔的轻集料已经引起人们的注意并且用来生产致密的界面过渡区微结构，它与散装水泥浆的微结构相当，与孔更多的界面过渡区截然相反，后者通常是包裹在一般骨料的周围。这种界面过渡区微结构对混凝土的扩散传输有着很大的影响，特别是当这些独立的界面过渡区域在三维的微结构当中是相互连接的。在这篇论文中，我们使用轻集料砂来代替普通重量的砂，以此对混凝土产生内部固化，同时我们邀考虑到它对界面过渡区渗透和氯离子侵蚀的影响。氯离子渗透深度的实验测量值与界面过渡区渗透的电脑模型和随机扩散模型紧密相关，它决定着内部固化的混凝土被降低的扩散率的大小，并与掺有普通重量的砂的混凝土作比较。在此项研究中，对于砂的混合物当中，含有体积含量为31%的轻集料和69%的普通重量的砂，根据所获得的渗透深度，氯离子的扩散率估计会降低25%或者更多。

关键词：建筑工程学，扩散，界面过渡区，内部固化，轻骨料微观结构，渗透 1引言

轻集料混凝土在严峻的天气条件下，总体上有比较好的性能表现。这样说的原因之一是轻集料和周围的湿水泥浆体之间形成的接触区域具有很高的完整性。最近一段时间，界面区域和界面过渡区域这样的术语以及被人们采用继而代替接触区域。对于普通重量的集料来说，因为水泥和骨料之间固有的尺寸差异，存在着一个“墙效应”，所以靠近骨料的表面存在着水泥颗粒的不足，这与它们在完整水泥浆体（没有界面过渡区）的浓度有关。通过使用扫描式电子显微镜对微观结构进行直接的检测发现，用过多孔外层的轻集料，不存在这种墙的效应并且水解产物的一种几乎是连续统一的微观结构与轻集料相邻，并且部分渗入到1轻集料当中。例如，图1表示的是使用扫描式电子显微镜所观察到的具有和不具有内部固化的混凝土的微观图像。在多孔轻集料的颗粒周围我们可以看到一些连续的微孔结构，有着水泥水化产物的能力，它们渗透到轻集料表层气孔当中并且产生一些不规则性。

FIG1（图1）

这些在普通重量骨料周围的界面过渡区的形成也会受到固化条件的影响。由于墙效应而导致靠近骨料的水泥颗粒填充效率低，界面过渡区域在最初的阶段会有比较高的水灰比，并且和散装水泥浆体相比颗粒间隔更大。如果在最初的阶段没有能够提供足够的固化水分，混凝土就会进行自干燥，散装水泥浆体就会从界面过渡区中最大的气孔中吸取水分，导致水化作用减弱，孔隙率增大，同时在界面过渡区中会形成更大的气孔。如果这样的混凝土暴露于环境之中会发生再饱和，这样的多孔的界面过渡区域对离子和液体传输的抵抗力会变的更低。

当每一个在混凝土的普通重量的集料被这样的多孔界面过渡区所包围时，它们在三维微观结构之间的渗透性和连通性就成为了影响传输和耐久性的因素。这种渗透性通过一种由国家标准和科技机构发展的中心较软的硬壳模型（HCSS)进行全面的检测，在检测的过程中我们把集料当作是实心的（无法穿透）球形颗粒，而那些界面过渡区则被当作是包裹在周围的同心软壳。HCSS模型的应用范围已经被扩展到用来检测含有聚合物纤维的高性能混凝土的核散裂状况，以用来使那些受到保护的浆体的体积适应内部固化的过程，最近的是用来证明水灰比和水泥的粒度分布对水泥水化浆体最初阶段时颗粒间距离的影响。在本文中，这种模型将被用来进一步的去研究普通重量砂颗粒，ITZ和没有明显接界面过渡区存在的集料的混合物，这与前面利用它来研究包含了惰性和活性颗粒的没有宏观缺陷的水泥有一点相似性。我们应该注意的是有关混凝土中存在界面过渡区渗透性的文献中，还存在着一些争议，尽管微结构的检测工作已经证实了混凝土当中这种具有渗透性的路线的存在。

前面的研究中，我们知道实验模型和计算机模型使得这些分布在界面过渡区的离子的扩散率得以量化，以此来相对于那些分散于纯浆体当中的离子。例如Brettonetal使用被水泥浆体包裹的圆柱状的集料来进行模拟实验，并且得出结论，在水泥浆体的水灰比为0.5，固化10天并假定界面过渡区的厚度是100lm，此时

ITZ的氯离子扩散系数是纯浆体的12-15倍。

Bourdette估计了一个更低的水灰比会使得界面过渡区对纯浆体的扩散率变成3，此时的水灰比是0.4，混凝土的固化时间是3个月并且假定界面过渡区的厚度是120lm。相反地，Otsuki et al提出了这样的观点，界面过渡区对纯浆体的扩散系数比值在水灰比从0.4变化到0.7，并且假定界面过渡区的的厚度在骨料的尺寸范围并且从0到80lm的范围内发生着变化时，会达到100倍。根据一个多级微观结构模型，Bentz认为，当假定界面过渡区的厚度为15lm时，扩散率会从0.7变化到大约为21，并且水化的程度从0.62变化到0.88.在那项研究当中，那些小于1的值表明，界面过渡区对扩散的抵抗能力要比纯浆体好，这样的结论只是在水灰比为0.3并且混凝土中含有硅灰的时候才会获得。我们可以观察到在更大的值，如接近20的时候，此时的水灰比是0.5，并且与Bretton et al在以上得出结论相统一。根据这些实验所得出的结论，我们可以知道对很多传统意义上的混凝土，那些界面过渡区却是可以为那些有毒的离子提供一些便利的通道，比如氯离子。

作为混凝土研究的进一步的例子，轻集料混凝土当中缺少明显的和更加多孔的界面过渡区会使得Thomas对扩散系数值的观察所得到的结论因为没有掺加轻集料而降低的值多达70%。更进一步的说，他的研究结果表明了当在有普通质量砂存在的情况下，粗集料和细集料都被他们相对应的轻质集料所替代时，我们就可以使得混凝土在扩散率上产生最大程度的降低，这与全部取代粗集料的结果是截然不同的。我们很容易会产生这样的疑问，多孔的轻集料可能不会像我们所期望的那样去实际提高传输的速率，我们可以从图1中看到，分布在轻集料中的气孔是不连续的，是分散的，可能不能够在集料颗粒之间产生渗透。实际上，这种缺少三维渗透性的表现已经被得以证实，我们利用从市场上可以获得的轻集料在NIST对它们进行了X射线断层摄影研究。这种不连续性同样与张和Gjorv等人的研究结果相符，他们指出高强轻质混凝土的渗透性比轻集料的多孔性对水泥浆体的性能的依耐性都要大。最近，Pycetal进行了大量的测量工作，指出一旦轻集料中的气孔在固化过程中因为向正在水化的水泥浆体提供水分而变干，它们不会发生连续的散裂，即是是使样本处于完全浸湿的状态。就算这些轻集料中的气孔保持空的状态，离子通过他们进行扩散是没有实际意义的，相反，它们可能会具有某种潜在的功用，作为一种有效的空气气孔系统从而对混凝土的冻融循环产生有效的抵抗作用。当然，对于那些事前润湿的轻集料，如果能够使得它在在接

触氯离子之前而变干是很重要的。在目前的研究当中，这种结论已经被得以证实，具体过程是使包含了事前润湿的轻集料的样本在被氯离子浸湿之前进行密封固化7天或者28天。

在标准的内部固化实验研究当中，只有一部分普通重量的集料被取代为轻集料。即是是这样的取代量也能够大幅度的降低界面过渡区浆体的总含量，同样这对于混凝土的三维渗透性和氯离子的输送传播也会有很大的影响，就像图2中的二位图所表示的那样。在最近的研究报告提出当前研究的动力是观察粘度调节剂的成效，减少了氯离子进入混凝土内（判断：粘度降低促进剂在混凝土技术的融合衍射）。在这项研究中，三烷基聚乙二醇引入到砂浆利用粘度调节剂的方法进行了探索，即除了直接加水搅拌，固化的应用解决方案作为一个专题，并通过预湿轻细集料的结合的方法。后者的技术，FLAIR序列（精细轻集料为内部储存处），先前已引进外加剂（SRA）应用于砂浆，同时观察到的特别外加剂被直接添加与混合水添加时可减轻空气逸出。如图3所示，所有这三种方法的结论是在水灰比为0.4砂浆内减少了氯离子渗透深度，当水溶液的粘度增强剂是利用预湿轻细集料时是最有效的。基于这些结果，本研究使用轻集料方法预先分离出这些判断中水浸湿内部固化的有利影响。

FIG2（图2）

2.实验与模型

在这项研究中准备好水灰比为0.4的砂浆，在表1中实际分批处理了一些混合比不同的和无内部固化的砂浆。一般情况下用轻集料取代，单位质量的水泥增加0.08的固化水，由于在砂浆中混合添加砂或轻集料，因此维持了整体体积率的55%。取自一家扩展页岩的轻集料生产厂家，它的饱和表面干燥比重为1.08、耗水量22%、吸水能力22.3%，在相对湿度为93%下约占轻集料释放总用水量的93%。

TABLE1（表1）

在砂浆中混合后，制成直径50mm，高度100mm的圆柱试件。在模具中固话一天，随后固七天和二十八天，暴露在氯离子为1mol的密封塑料瓶内，控制砂浆在氢氧化钠和氢氧化钾以及氢氧化钙的的碱金属中固化。对于有固化的砂浆用密封的双塑料袋（7天或28天）后应用，则会促进水从轻集料到周边水泥的运动，如前所述，在第一个七天在25摄氏度下等温固化后，密封砂浆中试样重量在7g和7.5g。

在暴露28天、56天、180天和365天后，控制氯离子进入气瓶和固化圆柱砂浆体利用硝酸银喷洒的试验方法，在每次暴露的的时间，两个圆柱体时间从氯离子环境取出，利用万能试验机从中间分开。对每个标本，两个中一个用硝酸银喷洒，在用图像处理，然后用先进一起用肉眼观察氯离子渗透深度(先前的技术成果在图3中体现）。

FIG3（图3）

先前已经测量了不同轻集料的粒度分布，对固化砂浆，在表1中体现了用不同重量轻集料代替普通砂的差异，为了维持一个类似的总体细骨料粒径分布，具体尺寸将用于HCSS电脑程序，以确定一个界面过渡区厚度的两个砂浆的功能，这些仿真，计算机代码进行了修改，目前界面过渡区周边都有普通沙粒，而不是

轻集料，尽管模拟了界面过渡区的厚度范围，一般的界面过渡区预计接近水泥中颗粒大小，在水泥研究中大约12lm。20毫米计算量?20毫米?采用20毫米计算量在每次仿真中进行研究，砂和轻集料颗粒比大约超过75万。对于12lm的界面过渡区厚度，随机扩散研究评定了无固化砂浆和砂浆的相对性，设定蚁长6lm和用一万蚁长模拟研究，每次10万随机步骤。鉴于这些实验样品暴露在氯化物易老化，界面过多区域（周围重量正常下）扩散系数在20倍以上的散装水泥粘度更大，以上讨论，为了更好的了解此参数的影响，第二组模拟结果进行了扩散系数比为5：1的保守实验，实验中无论是普通沙子和轻集料都不扩散。

在另一项实验中，从轻骨料和粗砂（硅胶）中吸收或释放氯离子进行了监测，揭示100g总的干骨料在500ml蒸馏水或任意氯离子摩尔溶液中的情况，实验是氯离子浓度浓度变化，结果表明在28天期间，不论是轻集料还是普通砂在这项研究中采用的评估期内无明显吸收或释放氯离子，这表明任何减少氯离子深度并不是由轻集料的氯离子吸收造成的。3.结果和讨论

在表2中，测量不同的砂浆和无内部固化的砂浆中氯离子侵蚀渗透深度。每种情况，硝酸银的喷洒技术在相同条件下内部固化砂浆氯离子渗透深度远小于没有内部固化砂浆，即使流体吸附和反应都忽视，然而对于氯离子进入一个体积稳定的圆柱体砂浆的分析结果相当复杂，它的包含形式DT/L2，其中D是扩散系数，T是曝光时间，L是穿透深度。这就意味着对于一个固定的曝光时间，对于内部固化砂浆和受控制砂浆的渗透深度比应相当于其扩散系数比的平方根，或反过来说，它们的扩散系数比的比例是其渗透深度平方，认识到多种反应情况在现实的材料中反生非常简单的Fick扩散映射。在表2中列出了对各种养护条件和氯离子曝光时间这些比率。他们表明在没有内部固化砂浆的扩散系数可以应用于控制砂浆中，明显减少只有55%-75%。在目前现实的退化情况下，扩散系数与混凝土使用寿命是成正比的关系，从而减少由一个或两个因素影响扩散系数，例如，可以使混凝土的寿命增加一倍。

TABLE2（表2）

请问这样的扩散系数显著降低能被简单的解释为无内部固化砂浆的界面过渡区缺少轻集料吗？根据图4模拟的结果，通过假定界面过渡区厚度为12lm，渗出界面过渡区的体积分数仅为无内部固化砂浆的60%，随机仿真模拟表明，内部无固化砂浆和砂浆相比减少界面过渡区体积将产生22%的的扩散。受控砂浆没有轻集料，相反，假设一个5：1的比例是相对界面过渡区扩散到粘结状，扩散率减少仅10%，由于加强水化扩散系数这些模拟没有任何的进一步减少。例如，水灰比为0.4的水泥净浆，以先前的发展将表明水泥浆体扩散减少32%，在表5中表明，如果其水化程度增加75%至80%，由于提供额外的内部固化水，即使从77%增加到80%，扩散会减少13%，但是在后期放热增强了内部固化砂浆的水化。

内部固化的混凝土在后期阶段中水化过程的加强得到了图5中给出的等温热量测定结果的证实，结果表明，固化时间为7天时，在二者都处于密封养护的时候，相对于受控的混凝土，内部固化混凝土在热量的释放上（或者说是水化的程度）增加了5%。表1也同时定性的指出了内部固化的混凝土在后期阶段（120天）也加强了水化的过程并且获得了更加密集的微观结构。所以我们用界面渗透区的体积降低分数（渗透性）和加强的水化过程就可以很容易的获得内部固化的混凝土的扩散率大概是受限混凝土扩散率的55%到75%（例如：0.78×0.68=0.53或者0.9×0.87=0.78）。

FIG4和FIG5（图4和图5）

这些结果是从砂的体积含量为55%的混凝土中所获得的。按体积分数来看，那些混凝土中含有的集料（粗或细)为60-70%时，可以看到的混凝土扩散系数的明显的降低可能是不同的，传统混凝土中的界面过渡区需要被充分的浸湿以便它能够被更多的轻集料所替代从而大幅度降低具有渗透性的界面过渡区浆体的体积分数。同样，在水化过程加强的同时，我们也可以获得一定数量的降低，这样或许内部固化的混凝土与受限的混凝土相比就会有一个较低的扩散系数。进一步 的说，我们在这里所采用的模拟技巧和实验技巧同样也适用于其他的混凝土，在未来的研究中也会被进一步的加以利用。4.结论

在本实验研究中，我们制备了内部固化的砂浆，然后把他们放在密封的条件下进行养护，和受限的砂浆相比，他们表现出了在氯离子的渗透深度会大幅度的降低的特性。利用模型所获得的结果表明这种扩散系数的降低很可能是因为具有渗透性的界面过渡区浆体体积含量的大幅度减少以及具有内部固化的砂浆在长时期后发生的水化过程的加强。所以，根据研究所获得的结果，我们可以知道，内部固化不仅仅可以使得早期的自发收缩大幅降低，28天强度大大增加，它还可以使得砂浆和混凝土对氯离子和其他的有害离子的抵抗能力大幅度的增加。致谢

作者感谢来自建筑和消防实验室的Mr.Max Peltz 对本次试验过程所给予的帮助，感谢东北索尼特公司对材料的提供和利哈伊波特兰水泥有限公司的支持。

参考文献

[1]霍尔姆助教，布雷姆纳荃湾，纽曼巴顿。轻骨料混凝土经受严重风化。硅酸盐学报 1984，6:49-54.[2]张氢，Gjorv OE.轻集料和水泥浆体界面层之间的显微结构。水泥和混凝土研究1990,20:610-8.[3]罗子仪,崔赫兹.多孔轻集料对混凝土强度的影响.Mater Lett 2004, 58: 916-9.[4]Bentz DP, Stutzman PE.高性能砂浆的内部固化和显微结构，ACI SP-256.高性能混凝土的内部固化：试验和实地实验，美国混凝土学会，法明顿山，ML，2008：81-90.[5] Bentz DP, Garboczi EJ.矿物掺合料对水泥浆集料界面区影响的模拟研究.ACI Mater J 1991，88(5):518–29.[6] Bentz, DP.水泥源后降解对多孔吸水性和化学收缩性的影响.见Persson B,和Fagerlund G,编辑.第二次国际研讨会对自干燥及其对混凝土技术的重要性的相关会议记录.隆德大学，1999,127=34.[7] Winslow DN, Cohen MD, Bentz DP, Snyder KA, Garboczi EJ.砂浆和混凝土中的渗透性和孔结构.水泥和混凝土研究 1994，24:25–37.[8] Bentz DP, Snyder KA, Garboczi EJ.在三维复合介质中用于研究渗透性和输送特性的硬核壳软的微结构模型.NISTIR 6265.美国商务部，1999.[9] Bentz DP.高性能混凝土中的纤维，渗透性和散裂.ACI Mater,2000，97(3):351–9.[10] Bentz DP, Snyder KA.混凝土中受保护的浆体体积：使用饱和轻质混凝土对对内部固化的延伸.水泥和混凝土研究，1999，29:1863–7.[11] Bentz DP, Aitcin PC.水灰比的硬汉隐含意义.硅酸盐学报，2008，30(5):51–4.[12] Desai P, Lewis JA, Bentz DP.宏观无缺陷复合材料中未反应的水泥含量：对结构性能的影响.材料科学，1994，29(24):6445–52.[13] Diamond S.实验砂浆由于界面过渡区产生的渗透性及微结构评估.水泥和混凝土研究，2003，33:949–55.[14] Scrivener KL, Nemati KM.混凝土中水泥浆体和集料界面区的孔隙渗透.水泥和混凝土研究，1996，26:35–40.[15] Bentz DP,高性能混合水泥砂浆的内部固化，ACI Mater [Ĵ]2007;104(4):408-14.[16] Bentz DP, Jensen OM, Coats AM, Glasser FP.硅灰对在计算机和实验研究中对水泥基材料的影响，杰姆Concr2000;30:953-62.[17] Crank J.扩散数学，牛津大学出版社1975年.[18]Baroghel-Bouny V, Belin P, Maultzsch M, Henry D.通过硝酸银的喷洒测试氯离子进入水泥的优点、缺点和用量.第2部分：非稳态迁移实验和氯离子扩散系数.Mater Struct 2007;40(8):783–99.[19] Baroghel-Bouny V, Belin P, Maultzsch M, Henry D.硝酸盐喷洒实验：不同氯离子用量测定的优点、缺点；第一部分，非稳态扩散实验和自然条件下曝光.Mater Struct 2007;40(8):759–81.[20] 美国ASTM C778。标准砂的标准规范;2005.[21] Bentz DP,混凝土中外加剂自干燥.见：第四届国际研讨会和技术的重要性及其在具体程序.隆德大学，2005.第189-96.[22] Bentz DP, Peltz MA, Snyder KA, Davis JM.混凝土技术判决粘度大大降低扩散。Concr诠释2009，31（1）:31-6.[23] Bentz DP, Lura P, Roberts JW.内部固化的混凝土配合比.Concr诠释2005年，27（2）:35-40.[24] Pyc WA, Caldarone MA, Broton D, Reeves D.中间轻骨料内部固化的研究，ACI SP-256.高性能混凝土内部固化的实验室和实际经验.美国混凝土学会，Farmington Hills, MI;2008.p.13–4.[25] Zhang MH, Gjorv OF.高强轻质混凝土渗透性.ACI Mater J 1991;88(5):463–9.[26] Thomas MDA.在高性能轻集料混凝土氯离子扩散.高性能轻混凝土;2003。第77-93.