混凝土中钙矾石作用的二重性及其发生条件
第36卷第2期 2003年2月
土 木 工 程 学 报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
Vol136 No15Feb
2002
混凝土中钙矾石作用的二重性及其发生条件
杨建森
(宁夏大学)
摘 要 钙矾石被广泛用来提高混凝土或胶凝材料的早期强度,形成却引起混凝土的胀裂性破坏,、结晶构造、形成条件、稳定性及延迟钙矾石的成因,力求找出抑制延迟钙矾石膨胀的途径,。
关键词 发生条件:A文章编号:(2003)02Ο0100Ο04
DISCUSSIONONTHEACTIONDUALITYOFETTRINGITEANDITπSCAUSINGCONDITIONINCONCRETE
YangJiansen
(NingxiaUniversity)
Abstract
Anactiondualityoftheettringiteinconcreteisstudiedinthepaper.Today,theettringiteisusedtoimprovetheearlystrengthofconcreteorcement.Sometime,itπsexpansioncharacteristicisusedtomakeashrinking-compensateconcrete.Thedelayedettringiteformationwillcausetheexpansivecrackofconcrete.Therefore,anactiondualityoftheettringiteinconcretearise.Inordertoexposethemechanismoftheactiondualityoftheettringiteinconcrete,severalaspectsaredis2cussedindetail.Itisincludedasthecrystalstructure,formationcondition,andstabilityoftheettringite.Thecausesanddetrimentofthedelayedettringiteformationarealsodiscussed.
Keywords:ettringiteexpansion,action,duality,delayedettringiteformation,causingcondition
自1892年被发现到1940年的一段较长时期内,钙矾石(国际名称ettringite,简称AFt—aluminatefer2ritetrisulphatehydratephase)曾被视为“水泥杆菌”而一直遭受工程界的排斥和冷落。随着科学技术的日益发展和水泥生产工艺的不断革新,作为混凝土重要胶凝材料的水泥,其品质和强度取得了本质性的提高。20世纪30年代后,经过各国学者的锐意研究,发现生长在高强度高密实度水泥石孔隙中的钙矾石膨胀致裂作用会受到抑制,也就是说,在水泥混凝土强度大幅度提高的前提下,水泥石的强度与钙矾石的致裂作用两者之间存在着统一的辩证关系,这就导致了随后的变害为利,因此40年代中期各种混凝土用膨胀剂和膨胀水泥相继诞生。从此,钙矾石就广泛被用作混凝土收缩补偿及水泥早强快硬所不可缺少的组分。但是,在利用其有利的一面时,往往由于对其生成与稳定条件的忽略,有时又带来负面的影响。如AFt处于
收稿日期:2001-03-13
)会发生分解,有产生更大收高温环境(高于70℃
缩以致开裂或分解后的AFt重新结晶导致膨胀开裂的
危险性,延迟钙矾石的形成(delayedettringiteforma2tion,简称DEF)可能会引起混凝土的膨胀破坏。这
就构成了钙矾石作用的二重性。
1 钙矾石的形成机理
综观目前工程领域中使用的各种膨胀剂(M型、S型、K型等)和膨胀水泥,它们大都是通过水化产生AFt来实现膨胀目的。在这些水泥水化过程中,形成AFt的反应主要有下列3种:3CaO・A12O3+3(CaSO4・2H2O)+26H2O3CaO・A12O3・3CaSO4・32H2O;
CaO・A12O3+3(CaSO4・2H2O)24H2O→3CaO・A12O3・3CaSO4・32H2O;
3CaO・A12O3・CaSO4+8CaSO4+6CaO+96H2O→
+2Ca(OH)2+
→
第36卷 第2期杨建森・混凝土中钙矾石作用的二重性探讨
・101・
3(3CaO・A12O3・3CaSO4・32H2O)1
无论上述哪种反应形式,都经历相同的反应历程———水泥加水后,其矿物与石膏快速溶解,产生
---Ca2+,SO24,A1O2,OH等离子,这些离子通过浓
差扩散聚集在一起,以3步反应形成钙矾石:
A1O2-+2OH-+2H2O=[A1(OH)6]3-2[A1(OH)6]3-+6Ca2++24H2O={Ca6[A1(OH)6]2・24H2O}6+
{Ca6[A1(OH)6]2・24H2(S2(1)(2)
-{Ca6[A1(OH)6]2・24H2O}6++3SO24+2H2O=
()
钙矾石基单是面{Ca6[A1(OH)6]2・24H2O}6,[A1(OH)6]3-八面体,
多面柱内是钙与4个OH-,4个H2O配位而成的多面
-体,其中4个OH-是与铝八面体共棱。SO2进入柱4
内,平衡正电荷。[A1(OH)6]3-八面体的形成对钙矾石基本结构单元的建立至关重要,它的形成快慢取决于[A1O2-]与[OH-]。Ca2+与[A1(OH)6]3-配合,形成[(A1(OH)6]
3-
图1 钙矾石的泰勒结晶构造
Fig1 Taylercrystalstructureofettringite
八面体与钙多面体交替排
列的{Ca6[A1(OH)6]2・24H2O}6+多面柱。实验表明[1],钙矾石的形成速度取决于
-[A1O2-],而[Ca2+],[SO24]对其影响不大。由此可推断,反应(1)速率最慢,是钙矾石形成的控制步骤。不同铝酸钙形成钙矾石速率的差异是由铝矿溶出A1O2-速率及其浓度的不同所造成的。石灰减慢钙矾石形成速率是因为石灰能抑制铝酸钙溶解,使液相[A1O2-]降低。饱和石灰溶液中,A1O2溶出速率迟缓,[A1O2-]很低,浓差扩散慢,往往在其还未扩散至溶液中部就与OH-作用形成[A1(OH)6]3-,并进
-一步与Ca2+,SO24作用形成分布在铝酸钙周围的团
钙原子,每个钙原子外围有4个水分子配位,共有24
个,这些水分子定向排列成柱状。平行于纵轴外侧有
-4个沟槽,其中3个沟槽各含有1个SO24,另1个沟
聚状钙矾石晶体。SO4-2虽对钙矾石形成速率影响不
-大,但SO24过低时,可使反应(3)逆向进行,故液-相中维持一定量的SO2是钙矾石稳定存在的重要条4
件。
槽中含有两个水分子。在一定条件下,晶胞可纵向增生,也可横向簇生,成长为杆状的较大晶体,以致在光学显微镜下可以看得到。杆状的钙矾石结晶成长在水泥石的孔隙内部或成长在水泥石的周围,只要环境为Ca(OH)2的高浓度碱性介质便可。钙矾石容易脱水,也容易再水化,但其结晶架都是相当稳定的。试验证明,经150~400℃脱水的钙矾石,虽然可以通过蒸气再行水化,但其晶体已非杆状。在大气温度和干湿条件下,钙矾石可以部分脱水和再水化,以维持其稳定的结晶状态。
2 钙矾石的结晶构造
在20世纪中期,当人们研制成功混凝土用各种类型膨胀剂和膨胀水泥后,Taylor和Moore等人利用现代科研设备,对钙矾石的分子结晶构造进行了研究,取得了多项成果,其中就包括单晶胞的结晶构造(见图1)[2]。
图1表示一个晶胞的构造,在长1017A