第36卷 第3期2014年3月
武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.36 No.3
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doi:10.3963/j.issn.1671-4431.2014.03.004碱激发水泥砂浆碳化行为研究
陈晓星1,曹海琳1,翁履谦1,陈 伟2(1.深圳航天科技创新研究院,深圳518057;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)
摘 要: 针对当前对碱激发水泥混凝土碳化行为认识的不足,开展了不同加速龄期和不同碳化条件下碱激发水泥砂浆
的碳化深度、强度和收缩实验。结果表明:碱激发水泥碳化速率较快,碳化后砂浆抗折和抗压强度均降低,完全碳化时,抗折强度降低50%以上,碳化后集料周围出现较多微裂纹。采用XRD、FTIR、SEM等分析方法探索碱激发水泥抗碳化性能不良的机理。根据普通水泥碳化预测公式,结合实验结果,估算了碱激发水泥砂浆的碳化寿命。碱激发水泥欲推广使用,须改善其抗碳化性能。关键词: 碱激发水泥; 碳化深度; 碳酸钙; C-S-H凝胶; 微裂纹
中图分类号: TQ172文献标识码: A文章编号:1671-4431(2014)03-0018-05
ResearchonCarbonationProcessofAlkali-activatedCementMortarsCHENXiao-xing1,CAOHai-lin1,WENGLv-qian1,CHENWei2(1.ShenzhenAcademyofAerospaceTechnology,Shenzhen518057,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract: Inordertoknowthecarbonationprocessinalkali-activatedcement,carbonationdepth,strengthandshrink-
agetestsindifferentacceleratedagesandconditionswereassessed.Theexperimentalresultsshow:alkali-activatedce-
mentismoresusceptibletocarbonation,strengthdecreasesandmanymicro-cracksexistaroundaggregateinmortarsafterthecarbonation.Whenthemortarswerecarbonatedabsolutely,theflexuralstrengthwasdecreasedto50%orless.XRD,
FTIR,SEMandotheranalysismethodswereusedtoexplorethemechanismofpoorcarbonationresistanceofalkali-acti-
vatedcement.Accordingtothecarbonationformulaofordinarycementandtheresultsofthetests,theservelifewaspre-
dictedoncarbonationofalkali-activatedmortars.Theanti-carbonationperformanceofthealkali-activatedcementmustbeimprovedinordertopromoteitsusage.Keywords: alkali-activatedcement; carbonationdepth; calciumcarbonate; C-S-Hgel; micro-cracks
收稿日期:2014-03-03.基金项目:国家国际科技合作专项资助(2012DFR50670).
作者简介:陈晓星(1988-),男,工程师.E-mail:xxchen@whut.edu.cn
100多年以来,硅酸盐水泥是最广泛的建筑材料,硅酸盐水泥有诸多优点,但也存在缺点。制备硅酸盐
水泥过程消耗大量能源,排放大量CO2
,耐久性也存在不足。碱激发水泥作为一种节能、利废、环保型建筑
材料,是利用粉煤灰、矿粉等工业废渣或天然矿物加以一定量的激发剂配制而成,比普通水泥CO2排放量降低70%左右[1],且碱激发水泥有优越的力学性能和耐久性能,价格相对低廉,是一种绿色环保水泥,是当今
建筑材料研究的热点之一,但是目前对碱激发水泥的研究尚不完善,应用还不够广泛。与传统硅酸盐水泥相比,碱激发水泥具有早强高强低水化热高密实度等优点,但也有研究表明,和普通水泥混凝土相比,碱激发水泥碳化较严重[2-3]。碳化会降低混凝土碱度,致使钢筋脱钝而开始锈蚀,并最终导致混凝土结构失效。硅酸
盐水泥混凝土碳化过程已被深入研究,而碱激发水泥混凝土碳化研究相对较少。Puertas等[4]研究发现,用水玻璃作为碱组分时,碳化会加速C-S-H凝胶脱钙,使浆体孔隙率增加、强度降低;而用NaOH作为碱组分时,碳化后强度有所增加。然而混凝土的实际服役环境不同于加速碳化条件,实际环境中水泥混凝土碳化速率很小,Xu等[5]用NaCO3/NaOH制备的混凝土其碳化深度18年仅为8mm。用加速碳化试验结果预测实
际环境中碱激发混凝土的碳化深度比真实值大[6-7]。碱激发水泥的水化产物及结构受碱组分影响,而不同的
水化产物和结构会产生不同的碳化行为,这使碱激发水泥的碳化过程变得非常复杂。目前对碱激发水泥混凝土的抗碳化性能评价存在争议,未确立有效改善其抗碳化性能的技术途径,因此研究碱激发水泥的碳化过程,分析其碳化机理,并测量实际环境中砂浆碳化深度,对提高碱激发水泥混凝土抗碳化性能和综合评价碱激发水泥混凝土耐久性有现实意义。
1 试 验
1.1 材料
用以制备砂浆的碱激发水泥由深圳航
天科技创新研究院生产,主要成分为矿渣微粉,激发剂主要成分为偏硅酸钠,密度为2.65g/cm3,胶砂28d强度为49.5MPa,
厦门艾思欧标准砂有限公司生产标准砂,
表1 矿渣微粉化学组成Table1 Chemicalcomposition(bymass)ofslag
w
/%
SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOSO3S
2-
Loss
37.5711.4341.61—6.330.045.81.82
洁净自来水,广东韶关钢铁集团矿渣微粉,矿渣微粉主要化学成分见表1。1.2 方案
胶凝材料与标准砂按1∶3比例,水胶比0.4,成型40mm×40mm×160mm砂浆试样8组,成型12mm×12mm×280mm砂浆收缩试样3组,成型后24h脱模,放入标准养护箱养护至28d时,测试抗压
强度。取出3组试样经烘干、封蜡处理后进行加速碳化试验(T=
(20±3)℃,CO2=(20±3)%,RH=
(65±5)%);1组试件取出置于空气中进行自然碳化;1组试件于空气中进行干湿循环试验(60℃
烘
6d18h,模拟海水浸泡6h),其余试样于养护箱中继续养护,一定龄期时测试强度,与加速碳化后砂浆强度
作对比。砂浆收缩试样养护6个月后开展碳化收缩试验。一定碳化龄期后劈开试样,用酚酞指示剂测试碳化深度,碳化约50%和完全碳化时,分别测试抗折和抗压强度。加速碳化后分别从碳化区域和未碳化区域取样,经过研磨、过筛、烘干后做XRD、FTIR、SEM测试。
2 结果与分析
2.1 碳化深度测试
砂浆试样经过一定碳化和干湿循环龄期后劈开,向断面喷洒酚酞指示剂,未碳化区域胶砂pH>9,指示
剂显示紫色,已碳化区域则显示无色。结果如图1和表2所示。
表2 不同加速龄期和碳化条件下碳化深度Table2 Carbonationdepthindifferentacceleratedageandcarbonationconditions/mm
AgeAccelerated4dAccelerated7dNaturesetting10monthsWetanddrycycle3monthsCarbonationdepth11.514.54.14.5 从表2可以看出碱激发水泥砂浆加速碳化4d碳化深度已经达11.5mm,自然环境条件下放置10个月
和模拟海水中干湿循环3个月后,碱激发水泥砂浆的碳化深度约为4mm,可以预测碱激发水泥混凝土可以
在恶劣环境中服役。当前,对普通水泥混凝土碳化过程研究较深入,普通混凝土碳化深度和时间、CO2浓度
91第36卷 第3期 陈晓星,曹海琳,翁履谦,等:碱激发水泥砂浆碳化行为研究