水工材料论文
摘 要： 碱激发胶凝材料具有独特的致密微观结构, 本研究通过高炉矿渣微粉、粉煤灰和碱性激发剂制备碱激发胶凝材料, 通过研究暴露在海洋环境下28天、2年、3年、30年龄期试块的XRD和SEM, 来分析该材料在中长期时间跨度上其内部微观结构的演变过程, 为该材料的耐久性研究提供帮助。
关键词： 碱激发; 微观结构; 演变;
1、 引言
作为新型的工程建筑材料, 尤其是用在海岸工程中, 碱激发胶凝材料的长期稳定性至关重要, 因此必须从材料组成和围观结构的角度对碱激发胶凝材料与普通硅酸盐水泥进行理论分析与比较。近些年碱激发材料在水工中的应用研究逐渐增多, 大多停留在混凝土的制备、力学性能或探索方面的研究[1,2,3,4,5]。
本研究通过高炉矿渣微粉、粉煤灰配以碱性激发剂充当胶凝材料制备混凝土, 通过XRD和SEM分析其微观结构海洋环境下2年、3年、30年与初始28d时的对比, 了解其微观结构中长期的演变过程, 为碱激发胶凝材料在水工领域的应用提供实验依据。
2、 实验
本研究中使用的28d、2年和3年的测试样品是有实验室制备并投放在深圳海域, 30年样品是乌克兰研究机构在黑海投放样块, 样块使用的胶凝材料成分与本研究使用的相同, 投放时间为1987年, 地点为黑海, 由本研究人员现场取样带回。
2.1、 原材料
本研究使用矿粉、粉煤灰和碱性激发剂作为胶凝材料, 矿粉采用的是韶钢S95级高炉矿渣微粉;粉煤灰采用深圳妈湾电厂的Ⅰ级粉煤灰;激发剂使用固态硅酸钠、碳酸钠和硫酸钠复配;细骨料使用细度模数为2.4的中砂;粗骨料使用粒径5mm～30mm的连续级配花岗岩碎石。
2.2 、混凝土配合比
碱激发混凝土配合比如表1所示。
表1 混凝土配比 (kg/m3)
2.3 、实验过程
参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》制备、养护, 养护28d后进行原始样块的XRD和SEM表征分析, 并将其余样块投放到深圳码头的水位变动区, 在龄期到2年和3年时, 分别取出样块进行XRD和SEM表征分析, 并同时分析了乌克兰30年样品。
3、 结果与讨论
3.1、 各龄期试块抗压强度
碱激发混凝土各龄期的抗压强度如表2所示。可以看出, 在海洋环境下碱激发混凝土的抗压强度不但没有下降, 反而有增长的趋势, 说明其耐海水腐蚀的性能优异, 且碱激发混凝土的强度在不断的增长。从乌克兰取回的样块, 其抗压强度为47.8MPa。
表2 各龄期抗压强度
3.2、 XRD分析
图1为试样的XRD分析结果, 图中Q为SiO2;C为CaCO3;H为CSH (I) ;G为СaO?Al2O3?2SiO2?4H2O (斜方钙沸石) ;Gm为 (Na2Ca) O?Al2O3?4SiO2?6H2O (钠菱沸石) 。因为4个不同龄期的样品均是从混凝土中钻心取样, 因此样品中的石英结晶的衍射峰 (d=3.35;1.81;4.26;1.54;2.13;1.37;1.36?) , 可以认为是样品中河砂导致的。4个样品中均有明显的水化硅酸钙晶体衍射峰CSH (I) (d=3.04;2.74;1.83?) 。可以看出, 随着龄期的增长, 这些峰变得尖锐了些, 表明CSH相的结构由较无序状态向更有序的状态转变, 但即使是有30年龄期试样中的胶凝材料中, CSH相也并非结晶十分完好, 衍射峰仍然较宽。对于28天龄期的试样, 胶凝相中没有显示出任何结晶态沸石, 但2年后出现了明显的钠菱沸石相 (d=2.46;2.28;2.08;2.11;1.98?) , 在3年和30年后出现了斜方钙沸石相 (d=3.34;4.26;3.19?) , 而且斜方钙沸石含量随龄期增长而增多。4个样品中仅龄期为30年的试样中有明显的CaCO3结晶体存在, 表明这是环境碳化的作用。
3.3、 SEM分析
图2为不同龄期试样的SEM结果。可以观察到化学键合胶凝材料显微结构十分致密, 明显有别于OPC的多针棒状、较疏松结构。28天到30年期间, 胶凝材料微观组织中结晶相有增多的趋势, 但仍存在相当多大的玻璃相。30年龄期试样的胶凝相 (d) 中明显存在片状CaCO3晶体、非晶态/结晶态不佳的水化硅酸钙晶体和水化铝酸盐类沸石相, 与XRD测试结果相一致, 这也印证了其强度会逐渐增加的原因。
4、 结论
(1) 碱激发混凝土随着龄期增长, 强度会逐渐上升, 且受海水腐蚀的影响不大。
(2) 碱激发材料前期的水化类似于OPC的水化, 有CSH相生成, 但是没有Ca (OH) 2相;随着龄期的增长, 会在2年龄期以后出现明显的沸石类矿物相, 在龄期长达30年的试样中, 沸石类产物更加明显。
图1 不同龄期试样XRD图谱
图2 不同龄期试样S EM结果
(3) 微观形貌呈致密的玻璃态结构。随着龄期的增长, 玻璃态结构中有结晶相出现。
(4) 碱激发胶凝材料具有优异的长期稳定性和耐久性, 是性能优异的海工建筑材料。
参考文献
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