K+和Na+在C3S-纳米SiO2浆体上的存在形式
2017-12-25,,2,
, ,2,
(1.江苏省先进生物与化学制造协同创新中心,江苏 南京 210009; 2.材料化学工程国家重点实验室,南京工业大学材料科学与工程学院,江苏 南京 210009)
K+和Na+在C3S-纳米SiO2浆体上的存在形式
陆国森1,邓敏1,2,莫立武1
(1.江苏省先进生物与化学制造协同创新中心,江苏南京210009;2.材料化学工程国家重点实验室,南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009)
以拌合液为KOH和NaOH混合溶液的C3S-纳米SiO2浆体为对象,研究了液固比对浆体在去离子水中释放K+和Na+的影响以及浆体对K+和Na+的滞留能力;并采用29Si MAS NMR分析讨论了K+和Na+在C3S-纳米SiO2浆体上的存在形式。结果表明:随着液固比的增大,浆体释放的K+和Na+的百分数逐渐增大;经去离子水充分洗涤后仍有一部分K+和Na+存在于浆体中,且浆体对K+和Na+的滞留能力随着纳米SiO2掺量的增加以及拌合液碱浓度的增大而增强。29Si MAS NMR分析证实了K+和Na+能够进入C-S-H凝胶层间形成不可逆的化学结合。K+和Na+通过取代C-S-H凝胶层间≡SiOCa+中的Ca2+,缩短了C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体链长,从而使凝胶中Q1和Q2峰向左移动。
C3S-纳米SiO2浆体; C-S-H凝胶; K+和Na+; 存在形式
1 引 言
水泥混凝土作为当今重要建筑材料之一,得到了越来越广泛的应用。然而常常由于物理损伤或化学腐蚀使得混凝土结构耐久性不足而遭到破坏,不仅造成严重的工程事故,还导致高额的维修费用[1]。其中碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction,ASR)是影响混凝土耐久性的重要因素之一。
实验表明[2-5],水泥水化产物C-S-H凝胶具有较大的比表面积以及较强的离子交换能力,可通过物理、化学等方式“固化”混凝土中游离态的K+和Na+,从而起到抑制或减缓ASR的作用。但目前对于K+和Na+在C-S-H凝胶中的存在形式以及吸附机理尚不明确。K+和Na+在C-S-H凝胶中主要有物理吸附、化学吸附、化学结合三种存在形式。如果K+和Na+是以物理吸附存在于C-S-H凝胶中,当周围环境溶液碱度降低时,被吸附的K+和Na+会被重新释放出来继续参与ASR。目前对于粉煤灰是彻底抑制ASR还是仅仅延缓了ASR的发生机理尚不清楚,粉煤灰的长期有效性受到质疑,很难指导实际工程应用,在重大混凝土工程中留下安全隐患。因此,弄清楚水泥主要水化产物C-S-H凝胶对K+和Na+的吸附和滞留能力,不仅可以进一步认识粉煤灰抑制或延缓ASR机理;而且能够更深入地了解其抑制ASR的长期有效性。
2 原材料与试验方法
2.1 原材料
2.1.1单矿C3S的制备 C3S通过CaCO3、SiO2和CaF2煅烧制得。分析纯CaCO3和SiO2按照摩尔比3∶1进行配料加入1%的CaF2后在滚筒式混料机上混料24h,然后将混合料压制成型(压力7MPa),在105℃干燥箱中干燥3h,最后置于高温炉中煅烧。煅烧温度为1500℃,升温速率为8℃/min,保温5h,保温结束后将煅烧的样品迅速出炉,急冷至室温。反复煅烧,直至f-CaO%<1%。煅烧所得试样的XRD图谱见图1,可见煅烧所得产物为C3S,通过甘油-乙醇法测得样品中f-CaO%=0.31%。将煅烧所得C3S研磨过80μm筛后,保存于干燥器中备用。
图1 C3S的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of C3S
2.1.2纳米SiO2纳米SiO2是购置于阿拉丁的Hydrophilic-380型亲水性气相纳米二氧化硅,其化学组成和物理性质见表1。图2为纳米SiO2的XRD图谱,可以看到纳米SiO2仅在2θ≈23°处有一馒头状弥散峰,表明其为无定型态物质。
表1 纳米SiO2的化学组成和物理性质
图2 纳米SiO2的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of nano-SiO2
2.1.3C3S-纳米SiO2浆体的制备 纳米SiO2等质量取代C3S的质量百分数分别为0%、5%、10%、15%,拌合液分别采用0.2mol/L和0.5mol/L的KOH和NaOH混合溶液,水胶比(W/B)为1.45(质量比),配合比见表2。将称量好的纳米SiO2加入拌合液置于200mL的塑料杯中手动搅拌,使纳米SiO2在溶液中充分分散后加入称量好的C3S粉末,继续手动搅拌10min。搅拌后,将浆体装填进塑料冰格后振实。由于纳米SiO2的需水量较大,因此未掺纳米SiO2的C3S水化在带盖的塑料瓶中进行。样品密封后在20℃下养护直至C3S完全水化后真空干燥,研磨过80μm筛后备用。
2.2 试验方法
2.2.1C3S-纳米SiO2浆体的分析表征
(1)结合水含量的测定 采用灼烧失重法测定C3S水化浆体不同水化龄期的结合水量,主要过程为:养护至规定龄期的试样用无水乙醇终止水化后,研磨至全部过80μm筛。取2.0g左右粉末样品放入已灼烧至恒重的瓷坩埚中,在105℃下烘干至恒重,取出置于干燥器中冷却至室温后称量得m105,再将试样放入马弗炉内,升温至950℃并保温20min,取出置于干燥器中冷却至室温后称得m950,化学结合水量按式(1)计算:
表2 C3S水化浆体的配合比/wt%
(1)
(2)XRD分析 采用SmartLab转靶X射线衍射仪,对C3S水化样进行分析。铜靶,40kV,30mA,扫描模式为θ-θ,扫描速率10°/min,步长0.02°,扫描范围5°~70°。
2.2.2C3S-纳米SiO2浆体中K+和Na+的测定 称取约0.50g粉末浆体置于300mL烧杯中,加入10mL盐酸(用去离子水1∶1稀释)及30mL去离子水,搅拌,置于电炉上加热至微沸并保持5min,使固体样品充分溶解。取下冷却后,用中速定性滤纸过滤,少量温水洗涤滤纸3~5次。将滤液和洗液移入100mL容量瓶中,冷却至室温后,用去离子水稀释至标线,摇匀,采用FP650型火焰光度计测定溶液中K+和Na+浓度。进一步转化为浆体中K+和Na+含量。
2.2.3液固比(V/m)对浆体在去离子水中释放K+和Na+的影响 称取2.0g粉末浆体放入50mL聚乙烯离心试管中,按不同液固比,加入不同体积的去离子水,振荡使浆体充分分散。将离心试管密封后竖直放置于20℃下2d,达到测试龄期后,过滤,测定滤液中K+和Na+的浓度,进一步通过计算得出浆体释放K+和Na+的百分数。
2.2.4C3S-纳米SiO2浆体对K+和Na+的滞留能力 称取2.0g粉末浆体,每次通过定量200mL的去离子水洗涤浆体并真空抽滤数次,直至洗液中基本无K+和Na+。将洗净后的固体浆体在真空干燥箱中真空干燥后备用。采用第2.2.2节描述的方法测定经去离子水洗涤后浆体中K+和Na+的含量。通过经去离子水洗涤后浆体中K+和Na+的含量占初始浆体中总K+和Na+含量的百分数来评定浆体对K+和Na+的滞留能力。所有实验数据均为3次实验所得平均值。
2.2.529Si MAS NMR分析 采用Avance 400核磁共振谱仪,4mm/15KHz固体15N~31P探头对粉末浆体进行29Si的MAS(魔角旋转)实验。频率为79.49MHz,磁场强度为9.4T,化学位移外标物为四甲基硅烷(tetramethylsilane, TMS)。核磁共振谱图通过专业软件处理分析,C-S-H凝胶的平均链长按下式进行计算[6-7]:
(2)
式中,Qn值代表不同化学位移的NMR峰面积在图谱中所占比例。
3 结果与讨论
3.1 C3S-纳米SiO2浆体的分析表征
3.1.1结合水含量分析和讨论 表3为掺0%、5%、10%和15%纳米SiO2的C3S养护不同龄期的结合水含量。由表可以看出,在水化前1~56d,样品中结合水量随着龄期的延长而逐渐增大,水化56d后样品中结合水含量基本保持不变,表明C3S已经完全水化。从表中还可以看出,水化28d前,随着纳米SiO2掺量的增加,C3S浆体的结合水量逐渐增加;90d时,C3S浆体中结合水量随纳米SiO2掺量的增加而有所降低。水化初期纳米SiO2的掺入加快了C3S的水化速率,而水化后期掺纳米SiO2的C3S浆体体系中结合水不增反减可能归因于C-S-H凝胶结构的变化。研究表明[8-9],火山灰反应除了消耗Ca(OH)2外,还需要一定的自由水参与,纳米SiO2的掺入使得C-S-H凝胶中[SiO4]4-链长增加,使得浆体中化学结合水含量降低。为了确保C3S完全水化,本文后续实验均采用养护90d的样品。
表3 不同纳米SiO2掺量浆体在不同水化龄期的结合水含量/wt%Table 3 Combined water contents of C3S pastes withdifferent substitution levels of nano-SiO2 at different ages/wt%
3.1.2XRD分析和讨论 图3为20℃下密封养护90d,掺0%、5%、10%和15%纳米SiO2的C3S浆体的XRD谱图。可以看出,养护90d后谱图上已经观察不到C3S的特征峰(2θ=32°),表明C3S已经完全水化。随着纳米SiO2掺量增加,Ca(OH)2的衍射峰强度逐渐降低,即Ca(OH)2含量随着纳米SiO2掺量的增加而减小。这主要是由两方面原因造成的,一方面纳米SiO2取代C3S后,C3S含量下降,水化生成的Ca(OH)2数量减少;另一方面,Ca(OH)2与纳米SiO2发生二次火山灰反应,使得体系中Ca(OH)2含量减少。养护90d时,C3S浆体中均存在C-S-H凝胶和Ca(OH)2两种组分,掺纳米SiO2的样品中可能存在部分未反应的纳米SiO2。
图3 养护90dC3S-纳米SiO2浆体的XRD图谱(a) 拌合液为0.2mol/L KOH+NaOH溶液; (b) 拌合液为0.5mol/L KOH+NaOH溶液Fig.3 XRD patterns of C3S-nanoSiO2 pastes cured for 90d(a) The solution of 0.2mol/L KOH+NaOH;(b) The solution of 0.5mol/L KOH+NaOH
3.2 液固比(V/m)对浆体释放K+和Na+的影响
图4和图5分别为在20℃下液固比对拌和液为0.2mol/L和0.5mol/L 的KOH和NaOH混合溶液分别密封养护90d的C3S-纳米SiO2浆体在去离子水中释放K+和Na+百分数的影响图。由图可见,V/m<100mL/g时,浆体释放K+和Na+的百分数随液固比的增大而增大;当V/m>100mL/g时,掺纳米SiO2的浆体的K+和Na+释放趋于稳定,释放百分数基本保持不变;而未掺纳米SiO2、拌合液为0.5mol/L KOH和NaOH混合溶液的浆体,随液固比的增大K+和Na+释放百分数仍然有增长的趋势。从图4和图5还可以发现,当V/m>20mL/g时,K+和Na+的释放百分数随纳米SiO2掺量的增加而降低。当V/m=200mL/g,拌合液为0.2mol/L KOH和NaOH混合溶液时,掺0%、5%、10%、15%纳米SiO2的浆体释放K+和Na+的百分数分别为80.1%,78.1%,75.5%,71.8%和81.3%,77.6%,74.8%,72.1%;拌合液为0.5mol/L KOH和NaOH混合溶液的浆体,K+和Na+释放百分数分别为76.4%,73.2%,71.1%,66.9%和76.9%,72.6%,70.3%,66.1%。可以看出,浆体中仍然有部分K+和Na+未被释放出来,拌合液浓度从0.2mol/L升高到0.5mol/L时,相同纳米SiO2掺量的浆体释放的K+和Na+百分数有所下降,表明浆体中剩余的K+和Na+百分数随着拌合溶液碱度的升高而增大。
3.3 C3S-纳米SiO2浆体对K+和Na+的滞留能力
浆体中的K+和Na+在去离子水中属于一种自然溶出的过程,K+和Na+只是在固-液两相之间达到一个动态的平衡,并不能完全反映浆体能够释放出的K+和Na+的总量,并且如果液固比过大,火焰光度计精确度难以准确测出样品之间的差距,误差也较大。本文通过测定经去离子水充分洗涤后浆体中剩余的K+和Na+的含量来进一步考察浆体对K+和Na+的滞留能力。
图4 液固比对拌合液为0.2mol/L KOH和NaOH混合溶液的浆体释放K+和Na+的影响(a) K+; (b) Na+Fig.4 Effect of liquid-to-solid ratio on the release of K+ and Na+ ions in the pastes mixed with 0.2mol/L KOH+NaOH solution(a) K+; (b) Na+
图5 液固比对拌合液为0.5mol/L KOH和NaOH混合溶液的浆体释放K+和Na+的影响(a) K+; (b) Na+Fig.5 Effect of liquid-to-solid ratio on the release of K+ and Na+ ions in the pastes mixed with 0.5mol/L KOH+NaOH solution(a) K+; (b) Na+
通过去离子水洗涤一方面要使浆体中能被洗脱的K+和Na+完全洗脱下来,另一方面要避免C-S-H凝胶因不一致溶解而导致结构破坏。前期实验表明20℃下密封养护90d,拌合液分别为0.2mol/L和0.5mol/L KOH和NaOH的混合溶液的C3S-纳米SiO2浆体经去离子水洗涤6次后,滤液中已基本检测不出K+和Na+,此时拌合液为0.2mol/L KOH和NaOH的混合溶液,掺0%、5%、10%、15%纳米SiO2
浆体中CaO/SiO2比分别为1.75,1.56,1.46,1.40;拌合液为0.5mol/L KOH和NaOH的混合溶液,掺0%、5%、10%、15%纳米SiO2的浆体中CaO/SiO2比分别为1.70、1.54、1.48、1.36。图6为去离子水洗涤6次后,拌合液为KOH和NaOH混合溶液未掺纳米SiO2和掺15%纳米SiO2浆体的29Si MAS NMR图谱。从图中可以看出,谱图中仍存在Q1和Q2峰,表明C-S-H凝胶结构未被破坏。因此,确定洗涤次数为6次。
图6 去离子水洗涤后浆体的29Si MAS NMR图谱(a) 拌合液为0.2mol/L KOH+NaOH溶液; (b) 拌合液为0.5mol/L KOH+NaOH溶液Fig.6 29 Si MAS NMR spectra of the pastes after washed by de-ionized water(a) The solution of 0.2mol/L KOH+NaOH; (b) The solution of 0.5mol/L KOH+NaOH
图7为掺15%纳米SiO2浆体洗涤前的29Si MAS NMR图谱。比较图6和7可以发现,掺15%纳米SiO2的浆体经去离子水洗涤后,Q2峰有所增强,表明C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体聚合度逐渐增大。Barreira[10]同样发现了此现象。
表4和表5分别为20℃下密封养护90d,拌合液分别为0.2mol/L和0.5mol/L KOH和NaOH混合溶液的C3S-纳米SiO2浆体经去离子水洗涤前后的K+和Na+含量。由表可知,拌合溶液碱度相同时,随着纳米SiO2掺量的增加,经去离子水洗涤6次后浆体中剩余的K+和Na+的量增加;相同纳米SiO2掺量的浆体经去离子水洗涤6次后剩余的K+和Na+的百分含量相差不大,即表明浆体对K+和Na+吸附能力基本相同。当拌合溶液浓度从0.2mol/L增加到0.5mol/L时,相同纳米SiO2掺量的浆体经去离子水充分洗涤后浆体中剩余的K+和Na+百分数有所增大。拌合溶液为0.2mol/L KOH和NaOH混合溶液时,掺0%、5%、10%、15%纳米SiO2的浆体被洗脱的K+和Na+百分数分别为88.8%、86.3%、84.1%、80.6%和90.9%、87.9%、85.3%、79.8%;拌合溶液为0.5mol/L KOH和NaOH混合溶液时,被洗脱的K+和Na+百分数分别为89.3%、84.9%、81.7%、76.2%和90.1%、83.5%、79.8%、74.9%。可以发现,此结果普遍比第3.2节中的高,即表明浸泡在去离子水中时,浆体中部分能被洗脱的K+和Na+未被释放出来。浆体经去离子水充分洗涤后中仍有部分K+和Na+残留在浆体中,并且随着纳米SiO2掺量的增加以及拌合液碱浓度的升高,浆体对K+和Na+的滞留能力增强。
图7 去离子水洗涤前CS15-0.2A和CS15-0.5A浆体的29Si MAS NMR图谱Fig.7 29Si MAS NMR spectra of the pastes before washed by de-ionized water
表4 拌合液为0.2mol/L KOH+NaOH溶液的浆体经去离子洗涤前后浆体中K+和Na+含量
表5 拌合液为0.5mol/L KOH+NaOH溶液的浆体经离子洗涤前后浆体中K+和Na+含量
3.4 机理分析
由3.3节结果可知,C3S-纳米SiO2浆体经去离子水充分洗涤后仍有部分K+和Na+残留于浆体中。图8为CS15-0.2A和CS15-0.5A浆体的29Si MAS NMR图谱,由图可见,随着拌合溶液碱浓度的升高,C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体链长逐渐缩短,且谱图中Q1和Q2峰向左平移,如表6所示。其他学者[11-12]同样发现了这种现象。根据核磁共振基本原理,H原子核和K或Na原子核对邻近化学配位的Si原子核的化学屏蔽作用小于Ca原子核。这表明拌合液为碱溶液时,K+或Na+能够取代层间补偿≡SiOCa+中的Ca2+形成不可逆的化学结合,从而导致C-S-H凝胶中Q1和Q2峰向左移动。Labbez和Nonat[13]研究表明,当有K+或Na+存在时C-S-H凝胶表面的负电荷增加,这表明C-S-H凝胶层间的Ca2+含量减少,从而使得更多的Ca2+能够形成C-S-H凝胶中的Ca-O层,使C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体链长缩短,如图9所示。这种化学结合可表示为:
≡SiOCa++K+(Na+)⟹SiO-K+(Na+)+Ca2+chemical binding
这种化学键合的结合力较强且具有不可逆性,只有当C-S-H凝胶结构遭到破坏时(如酸溶)K+和Na+才会被释放出来。
图8 养护90d浆体的29Si MAS NMR图谱Fig.8 29 Si MAS NMR spectra of the pastes cured for 90d
MixingwaterQ1Q2ppm%ppm%MCL0.2mol/LKOH+NaOH-78.555.8-84.844.23.60.5mol/LKOH+NaOH-78.262.8-84.137.23.2
图9 在碱溶液中水化生成C-S-H凝胶结构示意图Fig.9 Shortening of the silica chain length due to the partial replacement of Ca2+ by alkali ions in the interlayersolid circle: Ca2+; empty circle: alkali ions in the interlayer
5 结 论
1.C3S-纳米SiO2浆体在去离子水中释放的K+和Na+百分数随着液固比的增大而逐渐增大。
2.通过去离子水充分洗涤后仍然有一部分K+和Na+存在于浆体中,浆体对K+和Na+的滞留能力随纳米SiO2掺量的增加以及拌合液碱浓度的增大而增强。
3.对于在KOH和NaOH混合溶液中水化的体系,K+和Na+能够进入C-S-H凝胶层间形成不可逆的化学结合。K+和Na+通过取代C-S-H凝胶层间≡SiOCa+中的Ca2+,缩短了C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体链长,从而使凝胶中Q1和Q2峰向左移动。这种以化学结合方式存在于C-S-H凝胶中的K+和Na+只有在凝胶结构遭到破坏时才会被释放出来。
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BindingFormsofK+andNa+IonsinC3S-nanoSiO2Pastes
LUGuosen1,DENGMin1,2,MOLiwu1
(1.JiangsuNationalSynergeticInnovationCenterforAdvancedMaterials(SICAM),Nanjing210009,China;2.StateKeyLaboratoryofMaterials-OrientedChemicalEngineering,CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing21009,China)
C3S-nanoSiO2pastes mixed with KOH+NaOH solutions were prepared. Effect of liquid-to-solid ratio on the release of K+and Na+ions in the pastes were studied. Meanwhile, the capacities of the pastes on retaining K+and Na+ions were also investigated.29Si MAS NMR was employed to do further characterization, and the binding forms of K+and Na+ions in the pastes were discussed. Results showed that the percentages of K+and Na+ions released by the pastes in de-ionized water increased with the increase of liquid-to-solid ratio. There still remain some K+and Na+ions in the pastes after washed by de-ionized water. Capacities of the pastes on retaining K+and Na+ions increased as increasing the substitution levels of nano-SiO2and/or the initial alkali concentrations. K+and Na+ions can enter into the structure of C-S-H gel to replace Ca2+from the silica fraction bound to Ca2+, resulting in shortening of the silica chain length, and less negative chemical shifts of Q1and Q2. This assumption is supported by structural characterization of C-S-H gel using29Si MAS NMR.
C3S-nanoSiO2pastes; C-S-H gel; K+and Na+ions; binding form
1673-2812(2017)06-0963-07
TQ172
A
10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.020
2016-05-20;
2016-06-24
江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1146)
陆国森(1988-),男,博士研究生,主要从事水泥混凝土耐久性研究。E-mail:luguosen88@163.com。
邓 敏(1965-),男,教授,博导,主要从事水泥混凝土耐久性研究。E-mail:dengmin@njtech.edu.cn。