白云石粉作为矿物掺合料对水泥抗AAR性能的影响文献综述
2020-05-11 23:25:56
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文 献 综 述 白云石粉对水泥抗AAR性能的影响 1.概述 碱集料反应（AAR）是影响混凝土耐久性的重要因素之一，自1940年首次在美国发现至今，已有大量的破坏案例在世界各国报道，号称混凝土的”癌症”。AAR根据不同反应机理可分为碱-碳酸盐反应（ASR）和碱-硅酸反应（ACR）[1,2]。主要是根据集料中含有的碱活性矿物类型、数量以及反应机理类型的差异而分类。目前，抑制AAR的途径主要有控制水泥碱含量、采用非活性骨料以及掺用矿物掺合料。其中，大量研究表明，矿物掺合料（硅灰、粉煤灰、矿渣、偏高岭土）是抑制混凝土AAR的一种有效途径[3-6]。 石灰石粉作为矿物掺合料广泛应用于水泥混凝土中[7-9]。相反，与石灰岩伴生存在的白云岩微粉在水泥混凝土中研究及应用鲜有报道，在石灰石粉应用过程中不可避免地引入白云石。白云石与石灰石显著不同之处在于，白云石在碱性环境中的活性远高于石灰石，容易发生去白云化反应，部分典型白云岩骨料是发生碱-碳酸盐反应导致混凝土膨胀开裂的潜在原因，但白云石以粉料形式掺入水泥混凝土中对性能影响尚未有明确结论。国外的研究发现，白云石粉在水泥基材料的性能接近或优于石灰石粉[10-12]，提高温度和碱含量显著加速去白云化反应，生成方解石和水镁石[13,14]。 白云石粉作掺合料掺入水泥基材料中会发生去白云化反应，消耗部分碱，而碱集料反应主要是活性集料与碱之间反应。最近研究表明，白云石粉掺入水泥中发生去白云化反应与水泥中Al相反应生成新的产物水滑石，填充孔隙，致密体系，利于强度发展[15]。偏高岭土是一种有效抑制碱集料反应的矿物掺合料，其与白云石粉复掺时能够提供更多Al，理论上促进水滑石的形成。白云石粉作矿物掺合料单掺以及与偏高岭土复掺应用在混凝土中抗AAR性能也是其安全应用的基础 本课题围绕掺入白云石粉对水泥基材料抗AAR性能影响，选取4种活性骨料（ASR和ACR活性骨料各2种），参照中国快速砂浆棒法，以石灰石粉作对比，探究单掺白云石粉、偏高岭土对水泥抗AAR性能的影响以及白云石粉与偏高岭土复掺对水泥性能抗AAR性能影响。
2.AAR的类型 碱-骨料反应的类型主要为以下三种 1、碱-硅反应（Alkali-Silica Reaction，简称ASR），是指混凝土中的碱与不定型二氧化硅的反应； 2、碱-硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction，简称ASR），是指混凝土中的碱与某些硅酸盐矿物的反应。 3、碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR），是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物的反应。 碱-骨料反应时固相与液相之间的反应，起发生具备三个要素：Ⅰ碱活性骨料；Ⅱ有碱存在（K、Na等离子）；Ⅲ水。 有人试图用阻挡水分来源的方法控制碱骨料反应的发展，例如日本从大孤到神户的高速公路松原段陆地立交桥，桥墩和梁发生大面积碱骨料反应开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂，注射后又将整个梁、桥墩表面全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分和湿空气进入的方法控制碱骨料反应的进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。
3.AAR机理 碱#8212;硅酸反应(ASR）反应机理：Na (K ) SiO2 OH-→Na(K)-Si-Hgel 膨胀机理：吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大时体积可增大3倍以上，大量凝胶体在混凝土骨料界面区的积聚、膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。 碱#8212;碳酸盐反应(ACR）反应机理：碱与白云石发生反应,去白云化。 (1)CaMg(CO3)2 2ROH=Mg(OH)2 CaCO3 R2CO3 (2)R2CO3 Ca(OH)2=2ROH CaCO3 膨胀机理：碱-碳酸盐反应机理与碱-硅酸盐反应完全不同。一般的碳酸盐如石灰石和白云石是非活性的，只有泥质石灰质白云石才能发生碱-碳酸盐反应。在泥质石灰质白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁反应时，将其中白云石（MgCO3）转化为水镁石，使干燥的粘土暴露，这种干燥紧密的粘土吸水膨胀，引起混凝土内部应力，导致混凝土开裂。 加拿大的基洛特进行大量研究表明，这种反应掺混合材不能抑制，曾试验掺高达20%的硅灰，但一年之后还继续膨胀。对如何抑制碱-碳酸盐反应，国际科学界还在继续研究之中。 唐明述对此也进行了研究，从矿物和岩石学角度详细研究了其活性程度。研究表明，所有层状结构的硅酸盐矿物和叶蜡石、蛇纹石、伊利石、绿泥岩、云母、滑石、高岭石、蛭石等均不具碱活性。有少数发生膨胀的，经仔细研究，其中均含有五髓，微晶等含活性氧化硅矿物，从而证实这种碱-骨料反应仍属于碱-硅酸反应。这个报告在第八届国际碱-骨料反应学术会议上发表后，得到许多知名学者的赞同。 4、AAR发生条件 4.1混凝土中碱含量：过量的Na2O(Na2O 0.66K2O) 来自水泥、外加剂、掺合料、骨料、拌合水等组分及周围环境。 低碱水泥：钠、钾含量小于0.6%的水泥称为低碱水泥。 发生碱骨料反应的碱含量范围：高活性的硅质骨料(如蛋白石)，大于2.1kg/m3；中等活性的硅质骨料，大于3.0kg/m3;碱#8212;碳酸盐反应活性骨料，大于1.0kg/m3。 4.2碱活性骨料 含活性二氧化硅的岩石分布很广，碱#8212;碳酸盐反应活性的只有黏土质白云石质石灰石。充分掌握骨科碱活性的情况，建立碱活性骨料分布图。 4.3 潮湿环境 只有在空气相对湿度大于80%，或直接接触水的环境中，AAR破坏才会发生；有效隔绝水的来源是防治AAR破坏的一个有效措施。
5.AAR的影响因素 碱集料反应所以倍受工程界的广泛关注，重要原因之一是碱集料反应受多种因素的影响而难以控制。碱集料反应发生必须同时具备三个方面的条件:足够数量的碱(以当量Na2O计)、活性集料和水。 5.1碱对碱集料反应的影响 碱是混凝土碱集料反应的内在根源之一，不含碱或碱含量过低，混凝土不会发生碱集料反应破坏。引起碱集料反应的碱不是通常化学意义上的碱，而是指碱金属钾、钠的化合物形式存在的碱，以氧化钠当量计。 5.2活性集料 活性集料是碱集料反应的必需反应物之一，活性集料对碱集料反应的影响主要体现在其种类、含量和粒径三个方面。引起碱碳酸反应的活性集料主要是石灰石质白云石， 目前，已发现的由这类活性集料引起的碱集料反应较少，大量碱集料反应是由含活性二氧化硅的集料引起的。这类集料包括蛋白石、玉髓、隧石、玛瑙、鳞石英、方石英、微晶石英、具有较强波状消光的石英和火山灰玻璃体等，虽然它们均参与碱硅酸反应，但由于其内部结构差异较大，使其碱活性差别较大，一般，蛋白石、玉髓的碱活性较高。 5.3水 水或潮湿环境的存在是碱集料反应发生的必要条件之一。碱集料反应膨胀的发生主 要根源于反应产物的吸水肿胀。如果混凝土或砂浆中不能提供反应产物吸水的条件，即使碱与活性集料发生了化学反应，反应产物也不会膨胀。这也是采取物理措施如对结构表面进行防水处理防止碱集料反应膨胀破坏的技术基础。 5.4掺合料 掺合料的种类和数量对混凝土碱集料反应有重要影响，通常，矿物掺合料对碱集料反应具有抑制作用。 5.5温度 如同其它化学反应，温度对碱集料反应有一定影响，温度对碱集料反应速率的影 响符合阿仑尼乌斯定律。但温度对碱集料反应膨胀的影响具有自身特点。研究表明， 其它条件相同时，砂浆的碱集料反应膨胀率随温度的变化呈现如下次序: 40℃gt;80℃gt;20℃。上述反应表明，无论是硫酸钠还是防冻盐均与混凝土中的碱集料反 应之间相互协同作用，促进碱集料反应，加速混凝土性能的劣化。目前，有关硫酸 钠、防冻盐与混凝土碱集料反应协同作用的机理尚有待进一步研究。
6抗AAR国内外研究进展 由于碱集料反应被称为水泥混凝土的癌症，因此，对己存在的水泥混凝土工程，己确定发生碱集料反应而破坏的工程几乎不可能被修复，预防和抑制碱集料反应的措施包括两大类:物理措施和化学措施，前者主要通过对混凝土表面进行防水处理、选择不含活性组分的集料和使用低碱水泥等，后者包括使用矿物掺合料和掺加化学外加剂等，虽然原理有所不同，但实际应用中往往采用几种途径综合处理。具体途径包括以下几类： 6.1使用非活性集料 活性集料是碱集料反应的基本组分，如果集料不具有碱活性，碱集料反应自然不 会发生。使用非活性集料可以根治碱集料反应，其实施需要有良好的资源和可靠的检 验方法为基础。但在有些地区，使用非活性集料需要付出昂贵的经济代价。 6.2使用低碱水泥 使用低碱水泥，从而将混凝土的总碱量控制在足够低的水平，可以有效防止碱集 料反应破坏的发生。通常所说的低碱水泥是指其碱含量低于水泥重量0.6%(以氧化钠 当量计)的水泥。目前，在碱集料反应较严重的国家或地区如南非、美国、日本、加 拿大等，均将使用低碱水泥作为预防碱集料反应的重要措施。 6.3限制混凝土的总碱量 一定量碱是混凝土发生碱集料反应的必要条件之一，因此，限制混凝土中碱的总 量可以预防碱集料反应。该措施与使用低碱水泥的目标一致，但它将混凝土中各组分 所带入的总碱量作出规定，控制条件更严格，技术上也更合理。根据资源、环境的 具体条件，许多国家均规定了预防碱集料反应时单位体积混凝土允许的最高碱含量， 如英国#8212;4kg/m3，澳大利亚约#8212;2kg/m3，新西兰#8212;5kg/m3，美国#8212;3.3kg/m3，日本 #8212;3kg/m3，南非#8212;2.1kg/m3。由于对混凝土强度及工作性的影响，抑制碱集料反应时，沸石的掺量一般控制在水泥用量的20~40%，且经500℃热处理的沸石粉具有更好的抑制碱集料反应的功效。 6.4表面处理 在混凝土表面涂敷涂层以阻止外界介质特别是水和侵蚀介质向混凝土的渗透，可 以有效预防混凝土的碱集料反应。这是一种物理措施，虽然有效，但保护层往往易于 老化，需经常修补。
7.白云石的特性 每年白云石开采量超过千万 吨,平均每吨矿石约产生0. 15～0. 20t石屑。石屑粒径一般 ＜5mm，大部分多棱角状或片状，且其莫氏硬度较低，并含有大量的石粉。白云石是碳酸盐矿物，分别有铁白云石和锰白云石。它的晶体结构像方解石，常呈菱面体。遇冷稀盐酸时会慢慢出泡。有的白云石在阴极射线照射下发橘红色光。白云石是组成白云岩和白云质灰岩的主要矿物成分。目前，对白云石岩屑的研究和应用并不多，主要的研究方向是将白云石碎屑用作细骨料运用于混凝土的配制。白云石试体在碱性环境中的膨胀是由于岩石内部分散在黏土和泥晶方解石基质中的白云石晶体发生了去白云石化反应( ACＲ) 。膨胀的根源主要是去白云石化反应产物在受限空间内结晶和重排而产生的结晶压。
8.实验所用材料 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥（P#183;II 52.5） 白云石粉、石灰石粉和偏高岭土 加拿大CK白云岩、徐州白云岩和典型膨胀硅质岩。
9.实验参照标准及配料情况 9.1 参照标准 参照CAMBT测试ACR膨胀性能 w/c = 0.33 参照CAMBT测试ASR膨胀性能 w/c = 0.33 其中集料粒径选择2.5-5mm，水泥:集料为1:1，试件尺寸选择20#215;20#215;80mm 9.2 配合比 实验配合比见表1
10.实验内容及要求 实验设计如下 10.1实验内容：
1）原材料表征 表征课题所用原材料基本物理化学性能测试，如化学组成、矿物组成、粒度分布、比表面积、密度等； 2）实验方案设计 （1）单掺白云石粉、石灰石粉和偏高岭土体系抗AAR性能 （2）固定掺量白云石粉或石灰石粉与偏高岭土复掺体系抗AAR性能 3）性能测试 按照设计的试验方案，检测单掺和复掺体系抗AAR膨胀性能 微观结构选用光学显微镜，XRD和SEM分析。 10.2实验要求： 掌握实验中涉及到的各种实验方法，且符合规范要求； 实验操作中，必须踏实、认真、负责，实验数据的测量和处理应准确、可靠。、
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