LDHs-偏高岭土复合改性混凝土抗氯离子渗透性能探讨

刘明玮 江苏开放大学讲师

柴中发 江苏城市职业学院建筑工程学院

水滑石类化合物是一类阴离子型层状化合物，由于它们的主体成分一般是由2 种金属的氢氧化物构成，因此又称层状双金属复合氢氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）。有学者通过分别添加LDHs 材料与偏高岭土获得不同混凝土试样，对混凝土工作与力学性能、抗氯离子渗入性能进行深入探究。大量试验结果表明，偏高岭土在混凝土中火山灰效果可推动水泥水化过程，改善混凝土内微观架构[1]。此外，LDHs 材料能够高效固化外部进入的氯离子，进一步在混凝土内部创建防御屏障。因此，LDHs和偏高岭土复合能够完成固化氯离子与改善孔架构的叠加效果，很大程度上改善与提高其强度，并且可以更有效地抗氯离子渗透[2]。

1 化学试验基本阐述

1.1 相关原料探讨

表1 对水泥、LDHs 材料、偏高岭土和超细粉煤灰原材料进行了化学分析。依据LDHs 原料层间阴离子替换能力大小，在进行实际试验的过程中，需要围绕LDHs 的相关化学性能展开研究。在试验中，需要采用高温煅烧的方式对LDHs材料进行处理，命名为LDOs。试验中，采用偏高岭土原材料进行试验，粉煤灰采用的是一级粉煤灰，为了确保研究的准确性，需要将超细粉煤灰的细度控制在45 μm 的细度范围内，试验中使用的粉煤灰比表面积为330 m2/kg。

表1 原料中主要化学成分解析

试验过程中，需要采用不同的试验方式与试验工艺进行科学研究，通过X 射线衍射图谱（X-Ray Diffraction，XRD）对上述材料进行分析。其中，LDHs 材料呈现出带正电架构的单元走向，并且能在层与层之间出现可位移的阴离子[3]。因此，通过整合LDHs 材料的带电性，能够有效提高其对氯离子的吸附性能。当试验过程中LDHs 材料升温到500 ℃时，其材料间的层隔之中阴离子则退去，进而转化为层状的具有抗氧化性的物质LDOs，其在水与阴离子共同环境下，随即固化阴离子，又组成了LDHs 结构。通过XRD 衍射图谱可发现，未经过煅烧的LDHs 结晶状态优良，但通过煅烧之后的LDOs 层板架构损坏加剧，原特性消失殆尽，且发生了氧化镁（MgO）的衍射峰。然而，偏高岭土XRD 衍射峰呈现出特征鲜明的无定形架构，经过750 ℃煅烧后，原高岭土矿离子键断开，进而变化成了无定形非晶态架构，使其拥有了火山灰特性。

1.2 试验方法

结合LDHs 材料和试验用土中的不同层状结构进行分析，在试验过程中会出现用水量急速增长的情况，特别是在进行混凝土整体性能探究的过程中，更是需要运用到大量的水。另外，在超细的粉煤灰和偏高岭土土性的土壤进行融合的过程中，能够对坍落损失进行补充。因此，在进行试验的过程中，可以将超细的粉煤灰添加到LDHs 与偏高岭土材料融合的混凝土中，在此基础上得到添加偏高岭土的粉煤灰复合物，调整LDHs 的添加量。

混凝土按照GB/T 50080-2002 执行标准规范，且检测坍落度进而评判工作性能。按照试验要求与相关标准，在要求的环境下对混凝土进行28 d 的养护，并测试其抗压性能。随后取样内部混凝土实施孔架构解析，试验利用AUTOPORE 9500IV 压汞仪，进一步精准解析混凝土内置孔隙分配[4]。

此外，在针对混凝土抗氯离子性能研究的过程中，需要运用到诸多方式进行深入探究。其中，电通量方法与快速氯离子迁移系数法（简称RCM 法）遵照GBT 50082-2009 执行标准实施。其中，非稳定状态试验中的混凝土需要将其浸泡在氯盐水的溶液中，随后利用化学解析方式获得氯离子浓度与扩散间距联系，且利用菲克定律核算氯离子扩散系数。

国外在很早前就针对氯离子的扩散试验进行了相关标准的界定，而欧洲在此基础上作出优化形成了NT Build 443法，其详细的试验方式如下。首先，需要将待测试的混凝土制作成一个边长为100 mm 的正立方体，并且在进行试验前，对该混凝土块进行28 d的科学养护。其次，在试验的过程中，需要将混凝土块放到饱和氢氧化钙溶液中，并且需要确保研究对象的外表形状不发生改变。另外的2 块研究立方块，需要将其暴露在相对裸露的空间中，并且其中1 个立方块4 面都需要用到环氧树脂进行密封，随后再将其浸泡在相关的溶液中。在本次研究中，研究的实践时间为35 d，当试验结束后，需要将立方块上的环氧树脂除去，并将立方块打磨成粉状，进行后续的扩散间距联系试验与研究。

上述试验的具体研究公式为：

式中：C（x,t）代表的是时间t深度x处所实测的氯化物浓度，%；Cs代表的是裸露表面上的氯化物浓度，%；Ci是切片后得到的初始氯化物的浓度，%；x代表的是暴露面以下的深度，m；t代表的是暴露时间，s；De则代表的是扩散系数，m2/s。在进行研究的过程中，依照上述公式进行代入计算即可[5]。

不仅如此，在进行实际研究的过程中，需要更加具体与深入地针对混凝土的抗氯离子性能进行分析，可以应用氯离子的内掺法进行LDHs-偏高岭土复合改性混凝土材料的固化氯离子能力测试。在试验过程中，需要将相关的溶液植入到混凝土泥浆当中去，并针对混凝土展开一系列养护。具体的养护周期需要按照相关的标准落实。为了确保研究的准确性，混凝土的混合比例需要严格按照试验标准进行混合，具体的混合标准如表2 所示，MH1/2 指的是变量为LDHs含量的实验标本编号， MO1/2 指的是变量为LDOs 含量的实验标本编号 。在试验中，水泥净浆需要形成边长为40 mm的立方块，并且需要放到封闭的环境下进行养护，周期分别为3 d、7 d 与28 d。当养护周期结束后，需要将立方块击碎，并选择碎块中粒径为0.30 ～1.25 mm 的颗粒进行试验，利用此粒径范畴对氯离子固化性能实施比较。所选择的颗粒，在后期的试验中，需要用氯离子水浸泡1 d，并且需要用相关的仪器检测其中游离的氯离子含量，标记为G1，在整体固化前，水泥中的总氯离子含量同样需要进行标记，并以G2 作为表达，在进行氯离子固化炉核算的过程中，需要用到如下演算公式：

表2 水泥净浆配合比

2 结论与讨论

2.1 混凝土工作性能

对不同添加物的混凝土测试对象进行研究可以发现，水泥胶砂的流动度更加符合实际建筑需要。由此得出结论，LDHs 与偏高岭土材料在进行混凝土混合的过程中，需要应用诸多的水进行混合，并且水泥浆中的流动性会受到这一因素的干扰。在进行后期的煅烧中，该材料的混凝土流动性下降了25 mm 左右。另外，针对混凝土材料坍落度的研究中发现，LDHs 与偏高岭土材料混合后的混凝土，其在加入相关的粘稠剂后，与其他混凝土的坍落度相同，比较空白对比样减少了10 mm， 且整体工作性降低不显著。这是由于LDHs 材料与偏高岭土的颗粒形状极其相似，具备较多需水量。在进行混凝土混合的过程中，产生了滚珠轴承效果，在一定程度上缓解了LDHs 材料的位置阻力，使其流动自如，混凝土工作性能不会出现明显的降低，在一定程度上确保了LDHs 材料的实际使用效果。

2.2 抗压强度

针对混凝土抗压强度的检测，需要在相关标准下进行为期3 d、7 d 与28 d养护后实施。在初期养护，单掺偏高岭土的样本试样强度上升极为显著，当到28 d 养护后，则强度上升幅度缓慢下降，上涨幅度仅15%左右。针对LDHs 与偏高岭土材料的混凝土在进行强度测试的过程中，在掺杂相关的物质后，其混凝土的强度相比以往有着明显的提升，这是因为在进行混凝土搅拌的过程中产生了一些补充孔洞，密实孔架构效果，能够进一步提高混凝土的初期强度，但在随着混凝土养护深入后，所研究的混凝土样本强度则不断下降。因此，在养护到28 d 时，对混凝土进行复掺，掺杂不同的混合物在一定程度上能够有效提高混凝土的强度。

研究发现，在添加单一原料偏高岭土的时候，混凝土的强度会有明显的提升，并且结合混凝土需水量的不同，在掺入不同的原料后，混凝土的强度呈现出不同的变化趋势，在一定程度上会影响混凝土的机械强度。但是，在后期的继续掺入后，混凝土的强度则会下降。整体来看，LDHs-偏高岭土复合材料针对偏高岭土基改性剂而言，其混凝土初期强度极为显著，进入后期强度依旧显著上涨，对比单掺偏高岭土材料则呈现下降趋势。

2.3 抗氯离子渗透性能

对试验材料进行标准环境下的28 d养护后，随后需要对样本的电通量进行检测，并分别针对PC、MH1 和MO1 的样本进行相同的测试。通过测试结果可以看出，相对不添加偏高岭土材料的研究样本，添加其他材料的混凝土其抗氯离子渗透性能有着明显的提高，其在电通量与氯离子扩散系统检测结论中有显著表现。尤其是LDHs 和偏高岭土复掺的样本，最终改进成效对比单掺偏高岭土较为显著，结果证明LDHs 材料不光针对混凝土内置孔隙产生干扰作用，同时对于混凝土抗渗透性能也有所帮助。

为了更加深入地针对LDHs-偏高岭土复合材料混凝土内部的氯离子侵蚀情况进行研究，需要利用到非稳定状态下的扩散方式进行研究。在测试过程中，需要对研究样本进行为期28 d 的标准养护，并实施35 d 的氯盐水浸泡，在浸泡结束后，需要将其取出打碎，并针对打碎后的样本粉末进行不同层下的氯离子含量研究。

针对添加LDHs-偏高岭土复合材料的混凝土内氯离子分配情况进行对比分析，可以得出结论，在添加偏高岭土材料后，混凝土不同层次检测获取的氯离子含有量完全小于空白对比试样。针对空白样来讲，距离混凝土外表面6 mm位置氯离子含有量大约是外表面位置的40%左右，然而，针对添加3%偏高岭土原料的试样，距离外表面4 mm 位置的氯离子含有量则下降到40%之下。从而说明当偏高岭土材料添加至混凝土中，混凝土内出现的连通孔数量呈现出下降趋势，并且会导致外部的氯离子无法进入到孔洞内。在LDHs-偏高岭土复合改性混凝土材料的测试中，此变化尤为显著，距离外表面大约3 mm 的位置上，其中的氯离子含量已经下降到40%左右。但是，在复掺LDO 材料和MO1 材料后，样本的氯离子含量只在30%左右。总结试验结果与混凝土氯离子扩散体系结论比较一致。

因此，LDHs 与偏高岭土材料完全拥有改变混凝土孔结构效果，其复掺试样和单掺偏高岭土试样的比较说明，LDHs-偏高岭土材料复掺试样相比单掺偏高岭土材料而言，阻止外面氯离子进入混凝土效果更为显著。

针对添加LDHs-偏高岭土复合材料后的样本进行氯离子侵蚀分析中，其与LDOs 材料发生了一定的变化，随后会重置板层间的结构，进而针对在混凝土氯离子中的渗透变化产生了减缓效果。然而添加了未煅烧LDHs 的MH1 试样，氯离子对硝酸根离子的置换反应延缓了其侵入的过程。

比较添加偏高岭土后混凝土的孔架构，其利用压汞法检测，通过分计进汞数量结论不难发现，未添加偏高岭土MO试样孔径聚集分配在20 ～1 000 nm，内置储存了数量庞大且较大的连通孔。伴随着添加偏高岭土，混凝土内置孔向孔径更小的朝向显著转移，重点聚集在10 ～100 mm。孔架构说明了偏高岭土基改性剂添加致使混凝土内置孔架构获得了明显密实，高效改进了混凝土的抗渗透性能。

3 结语

添加LDHs 材料和偏高岭土致使混凝土工作性能明显下降，相反利用超细粉煤灰复合后高效补充了混凝土工作性流失。在加入LDHs-偏高岭土复合材料后能够有效提高混凝土的强度，并且可以有效降低氯离子进入其内部的概率，高效改进了混凝土抗渗透性能。