水泥及混凝土中的有害碱与无害碱

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表时间:2007-06-29 人气:1

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由于碱-集料反应(AAR)对混凝土耐久性的极大危害，使其已成为混凝土工程的全球性问题。碱-集料反应的核心问题是混凝土中的碱与集料中的活性组分发生反应。混凝土中的碱来自于其各个组成成分：水泥、集料、水、化学外加剂及矿物外加剂。各个组成成分中，碱的存在形式是不同的，混凝土中的碱也以不同的形式存在。对碱-集料反应来说，不同形式的碱对其影响是不同的。深入了解碱的存在形式，对认识碱-集料反应，尤其对认识抑制碱-集料反应措施的机理会有很大帮助，从而也为提出更好的抑制措施提供理论依据。 1　混凝土中碱的存在形式与碱-集料反应的关系　　众所周知，混凝土是由固相、液相和气相组成的。固相主要由水泥及掺和料水化后的水化产物和集料组成；液相就是存在于极细孔隙中的含有多种离子的水溶液，即所谓的孔溶液；气相则是分布于混凝土中的大小不等的气孔。混凝土中的碱，一部分存在于固相中，一部分存在于液相中，即孔溶液中。由于碱的存在环境不同，因此其对碱-集料反应的影响也就不同。一般认为，存在于固相中的碱是不参与碱-集料反应的，可称之为无害碱，而存在于孔溶液中的碱则参与碱-集料反应，可称之为有害碱。P.J.Nixon等人的研究证明，孔溶液的碱度降低与抑制碱-集料反应引起的膨胀有较好的关系。因此，若能将孔溶液中的碱度降低到一定程度，则可抑制碱-集料反应的发生。　　固相中的碱主要存在于水化产物C—S—H凝胶中。研究证明，Na、K在C—S—H中的存在量与其Ca/Si比有关。降低C—S—H中的Ca/Si比，可增加其对Na、K的容纳量。F.P.Glasser认为，Ca/Si比高时，C—S—H凝胶带正电，排斥Na、K，使其保留在孔溶液中；Ca/Si低时，C—S—H带负电，吸引Na、K。 H.State认为C—S—H凝胶的层状机构中，存在Si—OH基团，Na、K可通过中和Si—OH基团而被结合在C—S—H相的层间。Ca/Si/比小时，Si—OH基团量多，可结合更多的Na和K。　　为防止AAR，一般规定混凝土中的碱含量以当量Na₂O(简写为Na₂Oe)计不超过3.0kg/m³。但实际工程中却发现，有些情况下，Na₂Oe远远超过了此限值，仍未发生AAR，而有些情况下，Na₂Oe低于此限值，却发生了AAR破坏。我们认为这与碱的存在形式有关。总碱量低，若有害碱占的比例大，则可能引起AAR；总碱量高，若有害碱占的比例小，则可能不发生AAR。因此，AAR是否发生并不决定于混凝土中的总碱量，而是决定于其中的有害碱量。2　水泥中的碱　　水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的碱一部分以硫酸盐(K₂SO₄，Na₂SO₄，3K₂SO₄·Na₂SO₄，2CaS0₄·K₂SO₄)及碳酸盐(K₂CO₃，Na₂CO₃)的形式存在，一部分则固溶在熟料矿物中，如KC₂₃S₁₂，NC₂₃·S₁₂，KC₈A₃，NC₈A₃，熟料矿物的典型组成如表1所示。　　当水泥加水后，硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中，而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中，同时溶入水中的碱又有部分被水化产物所吸收。表2是几种水泥的总碱量、溶于水中的碱和在38℃水化不同龄期后溶液中的碱量分配情况。从表2中的数据可见，并不是水泥中的所有碱都溶于水，也就是说碱在水泥中以可溶和不可溶的形式存在。根据ASTM C114方法测得的水溶性碱含量在10～60％之间变化。可溶部分很大程度以Na₂SO₄存在。它也可能以一连续系列钾—钠复盐存在，组成从NK₄S₅至NK₅S₆变化。也曾找到KC₂S₃化合物。有的熟料含K₂CO₃和Na₂CO₃。不溶碱主要以KC₂₃S₁₂、NC₂₃S₁₂或两者的固溶体存在于C₂S中，及以NC₈A₃、KC₈A₃或两者的固溶体存在于C₃A中及以铝共存于C₄AF组分中。从中还可以看出，有的水泥在28天时其碱的释放已达到平衡，而有的水泥在90天时仍未达到平衡。　　表1　　　　　　　硅酸盐水泥熟料相的典型化学组成(质量百分数)

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