碱－白云石反应及碱－碳酸盐岩反应的膨胀机理

应用分析电镜／能谱仪（ＡＥＭ／ＥＤＳ）和薄膜试样分析技术，研究了与碱反应前后活性碳酸盐岩的结构和组成变化，采用ＥＤＳ定量分析测定了白云石晶体中的Ｃａ／Ｍｇ（Ｃ）的分布，从理论上求出了碱－白云石反应碱溶液的ｐＨ临界值与白云石的组成Ｃ有关。认为采取降低混凝土溶液ｐＨ值的措施不能保证以活性碳酸盐岩作集料的混凝土的耐久性，提出碱－碳酸盐岩反应膨胀机理是：固相产物吸水肿胀加上产物水镁石和方解石晶体生长及重排产生的结晶压力。膨胀值的大小不仅取决于碱－白云石反应进行的程度，而且取决于产物的晶粒尺寸和结晶度。

碱-白云石反应机理与预防

根据颗粒堆积原理计算了碱白云石反应引起的固相框架体积的变化，并用图象分析技术研究了反应产物间的孔隙体积。研究了碱白云石反应机理，从热力学和通过实验分析了溶液ｐＨ值对碱白云石反应程度与速率的影响。通过监测白云岩粉末样压实体和基本不含粘土及石英的白云质灰岩在碱溶液中的膨胀行为，研究了碱白云石反应本身的膨胀性。评估了低碱度的硫铝酸盐水泥对碱白云石反应的抑制作用。结果表明：球形产物如呈最紧密堆积，则固体产物的孔隙率为２５．９５％，碱白云石反应后固相框架体积将增加２９．２３％。实际上，固体产物的孔隙率为１５％，反应后固相框架体积将增加１２．５％，这为反应产生膨胀提供了前提条件。白云石与碱作用生成水镁石、方解石和碳酸碱，该过程能直接引起膨胀。反应和膨胀的速率取决于溶液的ｐＨ值，ｐＨ值越高，反应和膨胀越快，当ｐＨ值低于某一值后，碱白云石反应将不发生，相应地，岩石不产生膨胀。碱白云石反应膨胀的驱动力为去白云化反应生成的方解石和水镁石晶体在受限空间生长产生的结晶压力。硫铝酸盐水泥能有效地抑制碱白云石反应膨胀，从而能防止混凝土的开裂破坏。

白云石晶粒尺寸对白云岩中碱白云石反应及膨胀性的影响

采用激光共聚焦显微镜（LSCM）测量了白云岩JFG、DHC、DHF和DHG中白云石晶粒的尺寸,采用X-射线衍射（QXRD）定量分析了白云岩中碱白云石反应（ADR）生成的水镁石含量,并依据RILEM AAR-2、CECS 48、RILEM AAR-5和NRAA-02检测了白云岩的膨胀性。结果表明,白云岩JFG、DHC、DHF和DHG中白云石中位径为13μm、14μm、94μm和81μm;随着养护时间的延长,养护在150℃、10%KOH溶液中的5-10 mm白云岩颗粒中的白云石反应程度逐渐增高,4 d后,白云石晶粒尺寸越大,白云岩中去白云石反应程度越高;RILEM AAR-5混凝土微柱试件的膨胀大小依次为,细晶白云岩DHF〉粉晶白云岩JFG及DHC〉细晶白云岩DHG,白云岩中白云石晶粒尺寸与ADR膨胀性没有直接的相关性,可见白云石晶粒尺寸不是影响白云岩ADR膨胀性的唯一因素。

方解石颗粒尺寸对白云质灰岩中碱白云石反应的影响

探讨了白云质灰岩中方解石基质对Na^+在岩石中迁移及其对碱白云石反应的影响。采用图像分析法测定不同白云质灰岩样本中方解石颗粒的尺寸,采用N_2吸附法测定岩石孔径分布,采用火焰光度计测定养护在80℃、1mol/L NaOH溶液中岩石柱内部的Na^+含量,采用X-射线内标法定量分析白云质灰岩中碱白云石反应(ADR)生成的水镁石含量。结果表明,白云质灰岩TS-1、TS-2、GS-2及FHS-1中方解石颗粒中位径分别为4μm、12μm、15μm和33μm;方解石颗粒越小,迁移到岩石内部的Na^+含量越高,岩石中白云石的碱白云石反应程度越高。

白云岩粉末压实体碱白云石反应的膨胀应力

采用自制膨胀应力测定仪对白云岩粉末压实体的碱白云石反应(ADR)膨胀应力进行直接测定。结果表明:白云岩粉末压实体与碱发生去白云石化反应可以产生膨胀应力,膨胀应力可以达到103 MPa。白云岩粉末压实体发生去白云石化反应产生的膨胀应力趋势相同,即变化过程可分为3个阶段:平缓阶段、缓慢增加阶段和快速增加阶段。在养护过程中,受限的白云岩粉末压实体内的白云石发生去白云石化反应,生成细小的方解石和水镁石。这些产物在受限的孔隙和间隙里沿白云石边缘生长并形成搭接框架后,继续生长引起白云岩粉末压实体缓慢产生膨胀应力。

混凝土中白云岩的去白云石化反应与机理

采用岩相分析、扫描电子显微分析、电子探针、电泳试验等研究了混凝土内白云岩中的去白云石化过程和机理。结果表明 ,白云岩中的去白云石化反应属原位化学反应 ,反应仅限定在界面处集料边缘反应环的窄小区间内 ,反应生成的胶体尺寸的水镁石吸附 OH-离子形成带负电的扩散双电层 ,阻止 OH-离子向白云岩内部迁移 ,水镁石和方解石在有限空间成核与生长 。

白云石矿物掺合料的研究

本文研究一种功能性混凝土复合掺合料,即利用碱与白云石之间发生的碱-碳酸盐反应能产生体积膨胀的原理,制备出具有抗渗功能的混凝土复合掺合料.白云石矿在我国分布广泛、储量丰富,所以碱-白云石混凝土功能复合掺合料是一种理想的抗渗混凝土复合掺合料.若能在我国大范围内推广这项技术,将会对功能性混凝土复合掺合料的生产和推广应用起到良好的示范作用.

结构特征对白云质灰岩ADR膨胀的影响

运用激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对中国山东省潍坊市虎头山的白云质灰岩HTS-3、HTS-5、HTS-8、HTS-10、HTS-12和HTS-13的岩石结构特征进行分析,并采用混凝土微柱法(RILEM AAR-5)和碱-碳酸盐反应快速鉴定法(NRAA 02)对岩石的碱-碳酸盐反应活性进行检测。结果表明:泥晶白云质灰岩中,伊利石含量、白云石含量和白云石-基质间的间隙是影响碱白云石反应(ADR)膨胀的重要因素,伊利石的含量越高,越有利碱迁移至白云石表面发生碱白云石反应;白云石含量越高,碱白云石反应位置增多;白云石-基质间的间隙越小,碱白云石反应生成产物越受限,结果均使得ADR膨胀增大。

40℃和60℃养护时含白云石微粉砂浆的强度和水化产物

为探究白云石微粉(DM)在水泥中的物理化学效应,以石灰石微粉(LS)为参照,研究40℃和60℃养护时DM掺量(10%、20%和30%)对水泥砂浆强度的影响,并分析混合水泥浆体的水化产物。结果表明:随养护温度和掺量不同,两者对砂浆强度的影响有明显差异。40℃时,LS优于DM促进早期强度发展,但两者差异随掺量增加和龄期延长而减小甚至反转,养护90 d时,掺量超过20%的DM砂浆强度高于LS砂浆。提高养护温度到60℃,对DM砂浆各龄期强度的促进效应均比对LS体系更为显著,且掺量愈大,两者对温度效应的差异愈明显。40℃时,两种微粉均参与反应,早期形成单碳铝酸钙(Mc),但龄期延长至90 d时,DM浆体中出现少量水滑石(Ht)。60℃时,两种微粉体系中均未生成Mc,而是形成单硫型硫铝酸钙(AFm);随龄期延长,LS体系中水化产物无明显变化,DM体系中AFm减少直至消失,同时生成大量Ht,且Ht量随DM掺量增加而增多。DM在高温和后期的化学活性效应强于LS,是导致两者在40℃养护后期和60℃养护全龄期强度差异的主要原因。与集料的去白云石化反应导致碱碳酸盐反应不同,白云石微粉在水泥浆体中反应并未形成水镁石,而是与浆体中铝质组分反应生成碳铝酸盐或/和水滑石。该反应不仅未对砂浆强度产生不利影响,反而具有促进效应。