碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨.docx

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1、碱性胶凝材料在混凝土中应用的初步探讨摘要：混凝土是目前使用量最大的建筑材料，而水泥是混凝土中不可缺少的重要组成部分。众所周知，生产硅酸盐水泥会释放大量的C02,对环境污染极大。碱性胶凝材料是一种环境友好型的新型胶凝材料，拥有许多比硅酸盐水泥更加优异的性能。本文主要介绍碱性胶凝材料的分类及其优缺点，碱性胶凝材料的收缩特性以及今后的研究方向。关键字：碱性胶凝材料、碱矿渣水泥、矿物聚合物、收缩Pre1iminarydiscussionontheapp1icationofa1ka1inecementitiousmateria1sintheconcreteJiTao,ZhengWenyuan(Co11e

2、geofCivi1Engineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,FujianProvince350108,China)Abstract:Concreteisthemostpopu1arbui1dingmateria1,andthecementisanimportantpartoftheconcrete.Asweknow,theproductionofPort1andcementwi11re1easea1otofCO2,whichisgreatpo11utiontotheenvironment.Thea1ka1inecementitiousmateria1isanewt

3、ypeofcementitiousmateria1whichisenvironmentfriend1y,withmanymoreexce11entperformancethanPort1andcement.Thispapermain1yintroducesthec1assificationofa1ka1inecementitiousmateria1sandtheiradvantagesanddisadvantages,shrinkagecharacteristicsofa1ka1inecementitiousmateria1sandtheresearchdirectioninfuture.Ke

4、ywords:a1ka1inecementitiousmateria1s;a1ka1iactivateds1agcement;geopo1ymer;shrinkage.硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，其用量之大，使之成为人类使用量最大的人工材料。然而，硅酸盐水泥本身仍然存在固有的不足。一方面，能源与资源消耗大，污染大。另一方面，在熟料的锻烧过程中，因石灰石分解和燃料燃烧释放出大量的CO2,以及SO2,NO2等有毒气体，导致严重的环境污染，其中尤以巨大的CO2排放量给地球的温室效应不断添加沉重的祛码。因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用研究，是一项既具有科学意义，又具有实

5、际意义的工作。碱性胶凝材料是近年来新发展起来的一种新型无机非金属胶凝材料。所谓碱性胶凝材料是指由具有火山灰活性或潜在水硬性原料与碱性激活剂反应而成的一类胶凝材料,这类材料多以铝硅酸盐类矿物为主要原材料。许多工业固体废弃物如：矿渣、钢渣、粉煤灰和煤肝石等.主要矿物成分均为硅酸盐或铝硅酸盐类。因此，这些工业固体废弃物均可作为制备碱性胶凝材料的主要原材料，这将为充分利用工业固体废弃物开辟一条新的途径。2碱性胶凝材料分类及其优缺点目前，有学者川提出碱性胶凝材料主要有两类，一类是碱矿渣水泥，另一类是矿物聚合物。碱矿渣水泥是由碱组分和矿渣（铝硅酸盐组分）组成，是一种无熟料水泥。其原材料矿渣可以采用水淬高炉

6、矿渣、电热磷渣、有色金属矿渣、钢渣和化铁渣；碱质组分可以采用工业产品，如氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾、水玻璃等。碱矿渣水泥具有生产工艺简单、投资省、生产能耗低、能有效利用工业副产品和废渣、生产过程排放的温室气体少、综合技术性能特别是耐久性优良等特点。矿物聚合物材料是近年来国际上研究非常活跃的非金属材料之一，它是一种化学键合陶瓷，以烧黏(偏高岭土)或其他以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料为主要原料，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类既具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点的一类新型无机聚合物材料。蒲心诚等已对碱矿渣混凝土的各

7、种性能进行了系统的研究，制成了超早强、超高强、高抗渗的碱矿渣混凝土，并得出一下研究成果：(1)用碱矿渣水泥制成的混凝土混合料具有良好的流动性，不掺塑化剂或流化剂时，其坍落度即可达到122cm0(2)在不掺入减水剂和不采取特殊成型措施的情况下，用现在广泛应用的振动密实(振动棒、振动台)方法，既可以制成C50C90的高强混凝土和C1OOC150的超高强混凝土。(3)硬化速率快，在不用早强剂的情况下，Id强度可以达到2068MPa,3d强度可以达到6596MPa,这样的硬化速率，普通硅酸盐水泥混凝土无法与之相比。(4)水化热低，碱矿渣水泥的水化热仅为硅酸盐水泥的1213,所以，碱矿渣水泥又是低热水泥

8、。(5)抗渗性极好，抗渗等级一般为P10P30,可以达到P40以上，而普通硅酸盐水泥的混凝土为P2P12,所以碱矿渣混凝土属于高抗渗混凝土。(6)抗冻性高，碱矿渣混凝土可以抗冻融3001000次循环，普通硅酸盐混凝土水泥混凝土为300循环以下，所以碱矿渣混凝土又系高抗冻混凝土。(7)抗侵蚀性能优良，在海水里放置1年，普通硅酸盐水泥强度降低，而碱矿渣混凝土强度增高。在1%MgSO4溶液中放置1年，碱矿渣混凝土强度增高，普通硅酸盐水泥混凝土经6个月后破坏。在稀酸溶液中放置1年，碱矿渣混凝土强度不变，而普通水泥硅酸盐水泥混凝土经36个月即破坏。(8)护筋优良，碱矿渣混凝土具有较高的碱度(pH=.51

9、2.9),加之，结构致密，抗渗性好，因此具有优良的保护钢筋的能力。(9)碱矿渣混凝土与钢筋有良好的粘结力，比同标号的硅酸盐水泥混凝土高出15%30%,能保证混凝土与钢筋的共同作用。与此同时，碱矿渣水泥对工业废料进行循环利用，取代硅酸盐水泥之后，减少生产硅酸盐水泥时排出的温室气体，是一种环境友好型的材料。但是，也有学者发现碱矿渣水泥存在一些缺陷，如耐高温性能差、会产生较大的体积收缩乩5。综上所述，碱矿渣混凝土拥有优异的工作性、力学性能以及耐久性，同时对环境有利，具有广泛的工程应用前景。对于矿物聚合物而言，许多基础性的研究还并不够完善，不过也有学者对其性能进行研究。研究发现其密度较低叵力，体积稳定

10、性很好，耐高温性能好叫抗硫酸盐性能好”叫但是在常温中应用时发现其强度太低。通过对粉煤灰基矿物聚合物混凝土进行热养护发现，强度较常温养护确实得到了很大的提高。但是，其强度随着龄期的增大并不明显有学者研究U发现，由于矿物聚合物混凝土的许多性能都与波特兰水泥混凝土相似，如弹性模量、泊松比、抗拉强度、应力-应变关系等，因此可以利用现行的混凝土结构设计的相关规范对粉煤灰基矿物聚合物混凝土结构进行设计。3碱性胶凝材料的收缩特性混凝土收缩是指混凝土体积随时间而减小现象。混凝土收缩值对混凝土的性能有很大的影响，如果收缩值过大就会引起混凝土的开裂，轻则会影响结构外观及正常使用，重则将会导致有害介质侵入混凝土造成

11、材质劣化、结构失效，主要表现在如下几方面：(1)冰冻的影响。混凝土有了裂缝，水可渗入，当气温较低时，水分就会结成冰，结成冰的水分膨胀，会导致沿裂缝边缘散裂。冻融循环每重复一次，散裂现象就会发生一次，裂缝将逐渐加宽。(2)钢筋锈蚀。由于空气中二氧化碳长期作用使混凝土中性作用物质的碱度降低，丧失保护作用。当碳化到达钢筋表面时，就会发生电化学腐蚀，使受力钢筋截面积不断削弱。另外，锈蚀的产物大约是钢筋被侵蚀体积的2倍3倍，这种膨胀效应足以使外围混凝土产生相当大的拉应力，致使混凝土裂缝继续扩张，影响钢筋和混凝土的粘结力。(3)破坏结构整体性，降低结构刚度、结构承载力、耐久性，发生渗漏。(4)加快混凝土碳

12、化剥落，降低抗疲劳能力。(5)影响美观效果。因此，在对混凝土的研究中，混凝土的收缩是不可忽略的。在第2节中有提到碱矿渣混凝土有较大的体积收缩，有学者研究发现，水化速率快、水泥石中凝胶体含量多是收缩值大的基本原因。可以通过加强养护、添加外加剂等减少其收缩值。通过对各种外加剂进行研究发现以下结果：(1)不掺外加剂的碱矿渣混凝土比普通硅酸盐水泥混凝土的干缩值大得多，特别是早期干缩发展很快。(2)掺入蔡磺酸甲醛聚合物大幅度地增加了碱矿渣混凝土的干缩值。(3)用木质素硫酸盐为基础的减水剂在一定程度上降低了碱矿渣混凝土的干缩值，但仍比普通硅酸盐水泥混凝土的高。(4)掺入引气剂的碱矿渣混凝土的干缩值低于普通

13、硅酸盐水泥混凝土的干缩值。(5)在碱矿渣混凝土中掺入石膏的收缩值低于普通混凝土收缩值，特别是早期收缩值更低。X射线衍射分析表明，在掺有石膏的这一配合比中生成AFt和Afm,正是这些结晶物的生成，大大降低了碱矿渣混凝土的干缩值。(6)在碱矿渣混凝土中掺入减缩剂也大幅度降低了干缩值，使之低于普通硅酸盐水泥混凝土，因为减缩剂降低了混凝土中孔溶液的表面张力。矿物聚合物混凝土的体积稳定性良好，DaVidOVitS针对这一现象提出了“聚合成块”的概念来对其进行解释。根据该概念提出以下假设，粉煤灰中的硅和铝原子并没有完全溶解于碱性溶液中。而只在原子表面发生聚合反应，使其产生足够的矿物聚合物凝胶将混凝土各个组

14、分黏结成块。因此，原子内部并没有收到破坏，仍然是稳定的。因此可以将其看成是“微骨料”，这样也就增加了混凝土中骨料的比例。在普通硅酸盐混凝土中，骨料的比例是影响混凝土收缩的的重要因素，混凝土的收缩值会随着骨料比例的增加而减少。这样的原理同样适用于矿物聚合物混凝土，“微骨料”的存在，增大了骨料的比例，因此矿物聚合物混凝土的收缩值较小，体积较稳定。4今后的研究方向1、由于碱性胶凝材料的凝结硬化速度快，无法满足工程对混凝土工作性的要求，因此不能进行大范围的推广。今后可以研究其缓凝机理，找到适合的缓凝剂，将凝结时间控制在一个合适的区间内。2、由于碱性胶凝材料中碱含量远远高出硅酸盐水泥中的碱含量，因此碱一

15、骨料反应会成为一个不可忽略的问题。今后要研究在碱性胶凝材料中，不同骨料的碱一骨料反应的机理及规律，并找出合理地控制措施。3、矿物聚合物混凝土的体积稳定性良好，可是碱矿渣混凝土却会发生极大的体积收缩,这将会严重影响混凝土的使用。因此今后要在前人的基础上，对碱矿渣混凝土的收缩机理进行进一步的研究，找出合理地控制措施。同时也要验证DaVidOVitS的理论是否能完整地解释矿物聚合物混凝土体积稳定的特性。参考文献1Xin1,JinyuX,Er1eiB,eta1.Researchonthedynamiccompressivetestofhigh1yf1uidizedgeopo1ymerconcreteJ

16、.ConstructionandBui1dingMateria1s,2013(48):166-172.2蒲心诚.碱矿渣水泥与混凝土M.1.科学出版社,2010.3 E.T.Stepkowska,J.M.B1anes,F.Franco,eta1.PhasetransformationonheatingofanagedcementpasteJ.ThermochimicaActa,2004(420):79-87.4 FrankCo11ins,J.GSanjayan.Micro-crackingandstrengthdeve1opmentofa1ka1iactivateds1agconcreteJ.CementandConcreteComposites.2001(23):345-352.5