锂盐对水泥砂浆碱骨料反应抑制效果的研究

日期: 2018-11-17
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碱骨料反应(AAR)被喻为混凝土的“癌症”,这类破坏性的化学反应已经给混凝土工程带来了巨大的危害,引起了相关人员的普遍重视。因此,人们采取种种措施,以防止碱骨料反应的发生。其中,掺入矿物外加剂和化学外加剂是较常用的预防碱骨料反应措施。研究表明,掺入外加剂可以有效地抑制碱骨料反应造成的膨胀,但其对碱骨料反应膨胀的抑制效果也受各种因素的影响[1]。

为此,选用锂盐作为外加剂掺入水泥砂浆,系统研究了它们的不同掺量对碱骨料反应膨胀的影响,并从机理上进行了探讨。

1 试验原料和方法

1.1 试验原料

(1)水泥:采用山东水泥厂生产的P·O 42.5 级水泥,水泥的化学组成如表1 所示。水泥碱质量分数为0.46%(按等当量Na2O 计,下同)。

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(2)骨料:标准砂。按产品质量标准规定标准砂的W(SiO2 )>96%。经检测,标准砂为非碱-硅酸反应活性骨料。玻璃砂。由石英玻璃厂生产的石英玻璃破碎而成,主要成分为无定型SiO2,属高活性骨料。本试验选用玻璃砂粒径为0.61~1 mm。

(3)化学试剂:化学纯NaOH 试剂,制备所需浓度的溶液来调节碱含量。

(4)锂盐抑制剂(LS):主要成分为锂盐,自行配制。

1.2 试验方法

本试验参照CECS 48:93《砂、石碱活性快速试验方法》设计了以下试验方案,参照ASTMC 1260 方法进行膨胀率的测定。按ASTM1260—94 规定,每单位水泥掺加0.75% NaOH,使水泥含碱量达到Na2Oeq=1.25%。NaOH 养护溶液浓度为1 mol/L,膨胀率试样的尺寸是20 mm×20 mm×280 mm,活性骨料掺加量为10%,试样在NaOH 溶液中养护,温度为80℃,时间为14 d。

(1)试样的制备

按表2~3 的配合比成型20 mm×20 mm×280 mm 砂浆棒试样,一组3 个试样。

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1.3 试样养护

试样成型后在湿养护箱内养护24 h 后脱模,然后将其放入80℃恒温箱中升温养护,达到要求温度后恒温4 h,使试样内部温度均匀一致;取出试样立即用比长仪精确测量其原始长度(L0);测量完毕后立即将试样放入盛有养护碱溶液(1 mol/L)的密封容器中,并将试样与容器一起放入80℃恒温箱内进行碱溶液环

境下的养护;以后每隔24 h 取出试样精确测量其长度变化并记录下来。试验周期为14 d,14 d 后取出试样。试样膨胀率按式(1)

计算:

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以试样在NaOH 养护液中养护14 d 的膨胀值作为评定集料是否具有活性的依据。当试样的14 d 膨胀率小于0.10%时,为非活性集料;14 d 膨胀率大于0.20%时,为活性集料;在两个范围之中,不能判定集料是否具有活性。

2 试验结果与分析

2.1 试样膨胀率的测定

试验中锂盐抑制剂的掺入量分别为水泥质量的0.05%、0.10%、0.15%、0.20%。测试试样在规定龄期(14 d)时的膨胀率,结果如图1 所示。

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由图1 可见,锂盐抑制剂的掺量不同时,对试样膨胀率的影响明显不同,但与空白试样相比,锂盐抑制剂的加入都可以降低试样的膨胀率。当掺入0.05%的锂盐抑制剂时,在养护前6 d,试样膨胀缓慢,膨胀率在0.05%以下,说明在这段时间里锂盐较好地抑制了试样膨胀。随着养护时间的延长,试样膨胀率逐渐增大,并超过了0.05%,说明随着抑制剂的消耗,其抑制效果有所减弱,当养护到14 d 时,试样膨胀率达到0.08%以上。当锂盐抑制剂的掺量为0.1%时,初期试样的膨胀率为0.01%,14 d 时的膨胀率为0.04%,膨胀率都较低,说明锂盐抑制剂的掺量为0.1%时能够很好地抑制AAR;但是当进一步提高锂盐抑制剂的掺量时,它对试样膨胀率的影响并不明显。所以实际应用在搅拌水泥砂浆先期掺入锂盐抑制剂时,其掺量控制在水泥质量的0.1%左右比较适宜。

2.2 机理分析[2- 3]

AAR 可用简单的化学方程式表示为[4]:

Ca2++SiO2+H+ → C-S-H   (2)

C-S-H+H2O → C-N(K)-S-H   (3)

其中由于生成了具有膨胀性的产物(C-S-H 凝胶)从而导致混凝土结构开裂。通过试验,可以看出掺入锂盐抑制剂,能够很好地抑制AAR,原因主要是试样中掺加锂盐抑制剂后,Li+ 对水泥中的Na+,K+ 及养护液渗入的Na+ 均可发生作用。Li+ 与Na+,K+ 相比,其具有更小的离子半径,更高的电荷密度,因此L-S 比

N(K)-S 具有更强的离子结合力,含Li+ 化合物的引入将致使Li+ 取代Na+,K+,优先形成另一种凝胶产物———锂硅酸凝胶(L-S-H),Li+ 与活性集料的反应可用式(4)表示:

Li++OH-+SiO2 → L-S-H   (4)

硅酸锂凝胶L-S-H 是无色、无味微浑浊液体可用水无限稀释,硅酸锂凝胶自身是非膨胀性物质,不会对体系内部产生膨胀性危害。硅酸锂凝胶浓缩至较高浓度时可发生聚合,进一步蒸发失水后可析出沉淀即结构致密的固体硅酸锂,体系中加入锂盐抑制剂后,在渗透作用下,Li+ 进入微孔或裂缝中,优先与活性骨料反应生成硅酸锂凝胶L-S-H,包裹在骨料周围,可以阻止Na+、K+ 对骨料的侵蚀;对于已经生成的碱硅酸凝胶,Li+ 也可取代碱硅酸凝胶中的Na+、K+,使其失去膨胀破坏作用。所以锂盐抑制剂加入能有效抑制碱骨料反应的发生,而且对已发生碱骨料反应的部位也可以起到修复作用,使其尺寸保持稳定。

3 结论

由以上分析可知,向试样中加入含有Li+ 的抑制剂后,Li+ 可以取代碱骨料反应产物中的K+,Na+,生成锂硅酸凝胶L-S-H,此种物质是非膨胀性物质,不会发生吸水膨胀,因而有效地阻碍了试样的膨胀,起到了抑制试件碱骨料反应的作用,并且对已发生碱骨料反应的试样具有一定的修复作用。

参考文献:[1]于洋,李国忠.  锂盐对水泥砂浆碱骨料反应抑制效果的研究 [J].混凝土,2009,3(233):50-51

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