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文献精读 Cem.Concr.Compos.：高岭土对水泥基材料氯离子扩散性能的影响  背景介绍 众所周知，混凝土是一种多孔介质材料，这使得它容易受到海水和除冰环境中氯离子的侵蚀。氯离子在连通孔隙网络中的渗透性促进了钢筋的腐蚀，从而引起混凝土结构的早期劣化。氯离子在混凝土和水泥浆体中的扩散性受多种因素影响，包括水灰比、水泥与其他混合组分类型、配合比、压实度以及养护条件等。在实践中，为了降低混凝土的氯离子渗透性，使用各种类型的增塑剂，然而强度或延性并不总是令人满意。因此，开发具有高抗氯离子渗透性的建筑材料将是延缓混凝土结构使用寿命的有效和根本途径，从而提高混凝土结构的可持续性。 研究出发点 随着纳米技术在土木工程中的应用，纳米颗粒掺入水泥基材料中可以改善其性能。然而，关于使用纳米颗粒增强水泥基材料耐久性的研究数量有限，尤其是高岭土对水泥基材料抗氯离子渗透性能的影响。此外，掺配高岭土水泥基材料的早期和长期性能尚未清楚，需要进一步研究。 全文速览 大连海事大学范颖芳课题组研究了高岭土对水泥净浆、砂浆和混凝土力学性能和氯离子扩散性能的影响。结合压汞法（MIP）、扫描电子显微镜/能谱仪（SEM/ EDS）、快速氯离子迁移法（RCM）等实验手段表征了浆体的微观结构、施工性能，测试了早期和长期抗折强度、砂浆的氯离子扩散率、混凝土的抗压强度和氯离子扩散率。这项工作揭示了高岭土对水泥基材料力学性能及氯离子扩散性能的影响。相关论文以“Influence of kaolinite clay on the chloride diffusion property of cement-based materials”为题，于2014年发表在Cement and Concrete Composites上。 图文解析 （1）高岭土对水泥浆体微观结构的影响  图1 高岭土改性水泥净浆的SEM显微图：(a)未掺高岭土；(b)掺配0.75%高岭土；(c) 掺配1.0%高岭土；(d) 掺配1.5%高岭土 图1显示了添加高岭土与未添加的水泥净浆的SEM显微图片。从高岭土改性的水泥浆样品的SEM图像可知，相比于未添加高岭土的水泥浆，当高岭土添加量从0.75 wt.%逐渐增加至1.5 wt.%时，可以明显观察到板状结构。SEM观察结果表明了高岭石起到了填料的作用，一旦高岭土在水泥浆中分散良好，水泥中的孔隙率将会得到改善。此外，作为一种火山灰材料，高岭石促进了水泥浆中的化学反应。 （2）高岭土对水泥浆体孔隙特征的影响  图2 累积孔径分布：(a)累积孔径分布；(b)微分孔径分布  图3 高岭土掺量与对照组及改性水泥浆体组孔特征的关系 通过MIP孔隙特征实验测试了混凝土试件内部孔径分布和孔隙率的变化规律，得到未改性与改性混凝土的孔径分布微分曲线，如图2所示。实验结果表明，高岭土的加入改善了水泥浆体的孔径分布，当高岭土掺量为1%时，水泥浆体孔隙率降低18.48%，平均、中孔和众数孔径分别降低20.64%、43.26%和56.84%，这种影响随着高岭土添加量的增加而增强。如图3所示，该图显示了孔径分布参数（例如孔隙率、平均孔径、总孔面积、总侵入体积）与高岭土添加量之间的关系。 （3）高岭土对水泥净浆和混凝土强度的影响 表1弯曲试验结果   图4 不同龄期水泥试样强度与高岭土掺量的关系：(a)掺量与不同龄期抗弯强度的关系；(b)不同掺量下养护龄期与抗弯强度的关系  图5水泥净浆早期抗折强度。 在标准固化条件下固化1、3、7、14、28和90天后，进行弯曲测试。高岭土添加量为0、1、3和5 wt.%的水泥浆体的抗弯强度获得，比较和讨论了不同粘土掺量下水泥净浆的强度随龄期的发展，结果示于表1。每种混合物的弯曲强度增加率（SIR）如图4所示。图5显示了掺有不同高岭土掺合料的水泥浆体早期抗折强度的发展趋势。可见高岭土的加入可以提高水泥浆体的抗折强度，当高岭石以水泥重量的1%掺入新拌水泥浆体中时，在1、3和7天的弯曲强度值分别增加30.41%、39.04%和36.27%，高岭土对强度的提高顺序为水泥+1%粘土＞水泥+5%粘土＞水泥+3%粘土＞对照水泥。 （4）粘土对水泥混凝土氯离子渗透性的影响  图6 水泥砂浆氯离子扩散系数与粘土掺量的关系  图7 28龄期混凝土试件氯离子扩散系数与粘土掺量的关系 基于RCM方法，得到了水泥砂浆在14、28和56 d龄期的氯离子渗透深度。计算了普通水泥砂浆和不同粘土掺量水泥砂浆养护14、28、56 d后的氯离子扩散系数。图6显示了水泥砂浆氯离子扩散系数随养护龄期的演变。观察到与未改性的对照混合物相比，改性的样品具有较低的氯离子扩散系数值。当高岭石粘土以水泥重量的1%掺入新拌水泥砂浆中时，氯离子扩散系数在28天和56天时，其值分别降低了29.03%和20.80%。当高岭石以水泥重量的5%混入新拌水泥砂浆中时，28天的氯离子扩散系数值下降了53.03%。 对28天龄期的含高岭土和不含高岭土的混凝土试件进行了氯离子渗透试验。图7显示了混凝土在28天养护龄期时氯离子扩散系数的演变。结果表明，水泥混凝土的氯离子扩散系数随高岭土掺量的增加呈指数衰减。在新拌水泥混凝土中掺入占水泥重量1%和5%的高岭石粘土，氯离子扩散系数分别降低8.68%和18.87%。随着粘粒含量的增加，氯离子扩散系数的降低会减缓。 总结 本文研究了掺入高岭土提高混凝土结构抗氯离子渗透性的潜力。探究了高岭土对水泥基材料力学性能和抗氯离子渗透性能的影响，根据本研究获得的结果，可以得出以下结论： 1、高岭土的加入改善了水泥浆体中的微孔孔径分布。粘土含量为1%时，水泥浆体孔隙率降低了18.48%，平均孔径、中孔径和众数孔径分别降低了20.64%、43.26%和56.84%。与对照水泥浆体相比，掺量为0.75%和1.0%的水泥浆体的平均孔径分别降低了6.9%和18.5%;并且直径的减小限制了氯离子的引入。扫描电镜观察结果表明，高岭土既是填料，又是水泥水化的促进剂； 2、粘土的加入提高了水泥浆体的早期和长期抗折强度，而28天抗折强度仅略有提高。掺1%高岭石粘土的水泥净浆在1、3、7和90龄期的抗折强度分别提高了30.41%、39.04%、36.27%和38.32%。试验结果表明，粘土的掺入改变了水泥浆体的标准稠度用水量和凝结时间，但对安定性影响不大； 3、观察到与对照组砂浆试件相比，具有高岭土的水泥砂浆具有较低的氯离子扩散系数值（DCl-）。28天DCl-值在掺1%粘土的水泥砂浆在28d和56d时氯离子含量分别下降了29.03%和20.80%。28天DCl-值当粘土掺量为5%时，水泥砂浆的氯离子含量降低了53.03%； 4、掺高岭土水泥混凝土的抗压强度和抗氯离子扩散能力均高于相同水灰比的普通水泥混凝土。当粘土含量为1%、3%和5%时，混凝土的抗压强度分别比对照值提高了12%、13.5%和28.4%。水泥混凝土的氯离子扩散系数随粘土掺量的增加呈指数下降。当粘土含量为1%和5%时，水泥混凝土的氯离子扩散系数分别降低了8.68%和18.87%。28天抗压强度随混凝土氯离子扩散系数的增大而线性增大。 本期编者简介 翻译： 罗盛禹 硕士生 深圳大学 审核： 李雪琪 硕士生 深圳大学 排版： 冯炎金 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： http://dx./10.1016/j.cemconcomp.2013.09.021 |
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