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碱-集料反应(Alkali-Aggregate Reaction,AAR)是影响混凝土耐久性的重要因素。由于碱-集料反应膨胀导致的混凝土工程严重破坏已经给许多国家带来了巨大损失,研究、防治碱-集料反应是世界性的重大课题。AAR包括碱硅酸反应(ASR)和碱碳酸盐反应(ACR),本课题研究的是ASR。目前防止ASR的措施主要有:(1)使用非活性集料;(2)控制混凝土碱含量;(3)控制湿度;(4)使用锂盐外加剂或掺合料。
研究表明使用锂盐外加剂能一定程度抑制ASR,认为硝酸锂是最适合用于抑制ASR的锂盐。硝酸锂不会增加孔溶液中pH值,无论掺量多少,都会降低膨胀(与空白样相比)。但长期以来,硝酸锂作为工业级或化学纯的锂盐,价格昂贵,这制约了硝酸锂在混凝土工程中的应用,因此合成专用于抑制ASR的硝酸锂具有非常重要的意义。
掺合料抑制ASR也是目前国内外研究的重点,掺合料包括粉煤灰、矿渣和硅灰等。本文提出一种含锂掺合料抑制ASR,该掺合料是从锂辉石矿中提取锂过程的中间产物。使用焙烧锂辉石(DS)作为掺合料,进行抑制ASR研究,并对焙烧锂辉石抑制ASR机理进行了讨论。
1.抑制ASR用硝酸锂的合成
本文调研了全国锂资源分布,研究了目前国内的锂盐生产工艺。在现有石灰石法生产氢氧化锂的工艺基础上,采用锂辉石为原料,简化生产流程,得到生产硝酸锂的最佳工艺参数。其中锂辉石与石灰石的原料配比、锂辉石焙烧温度和浸出时间等工艺参数通过电感耦合等离子发射光谱分析(ICP-AES)和XRD分析确定。
2.合成硝酸锂对ASR抑制效果研究
实验参照《砂、石碱活性快速试验方法》,并作了部分调整。设定在80℃养护条件下,固定碱含量为2.5%和Li/Na摩尔比为0.74时,掺加实验室合成的硝酸锂和分析纯硝酸锂对三种不同集料进行抑制效果比较,结果表明:实验室合成的硝酸锂和分析纯硝酸锂均可使石英玻璃、沸石化珍珠岩和花岗岩三种集料成型砂浆试件180天时的膨胀率小于0.1%,并且膨胀抑制效果接近。
3.焙烧锂辉石对ASR抑制效果研究
实验参照《砂、石碱活性快速试验方法》,并作了部分调整。设定1.0%和2.5%碱含量、40℃和80℃养护条件下,DS取代不同掺量水泥,对不同集料砂浆ASR抑制效果进行比较。此外,固定DS掺量,用不同掺量粉煤灰(FA)取代水泥,检测ASR膨胀抑制效果。结果表明:150天龄期内试件随DS掺量增加,抑制作用增加。随着FA掺量的增加,抑制效果增加。加入DS后改善了集料与水泥浆体间的界面区结构。焙烧锂辉石主要是通过Li+溶出对ASR进行抑制,可能还存在离子交换对ASR进行抑制。