混凝土Cl—滲透案例辯證邏輯及其無機材料科學基礎理論內涵分析

嚴建華　韓策　郝挺宇　崔素萍　于子豪　崔延帥

摘要：骨料對混凝土抗滲能力的影響、水泥漿CSH凝膠氯離子結合能力隨齡期的變化，摻合料對氯離子結合能力的影響以及齡期對摻加摻合料混凝土抗滲性能的影響存在對立統一關系。而混凝土抗滲理論對無機材料科學基礎理論的傳承性質，豐富了無機材料科學基礎理論的內涵，對無機材料科學基礎教學具有參考意義。

關鍵詞：混凝土；氯離子滲透；氯離子結合；密實度；齡期

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0196-02

辯證法作為一種基本的思想方法，對提高大學生理解問題和創新思維能力的培養有很好的意義。無機材料科學基礎作為硅酸鹽材料的重要理論基礎，起著為學生學習后續課程提供基礎知識的作用。混凝土作為一種重要的無機材料，其理論體系延續了無機材料科學基礎的內容，其中的理論和案例豐富而生動，且具有很好的工程特征和辯證內涵，對無機材料科學基礎的教學具有很好的參考作用，但目前此方面涉及較少。因而，本文嘗試對混凝土的抗氯離子滲透進行辯證分析，并對混凝土理論和無機材料科學基礎理論的關聯進行一些闡述，以期對無機材料科學基礎內容的教學有所幫助。

一、混凝土抗氯離子滲透理論和工程上提高混凝土氯離子抗滲能力的工程措施具有豐富的辯證邏輯內涵

首先，混凝土的多相特征給其氯離子滲透性能帶來矛盾的影響。混凝土由粗細骨料和水泥漿組成，骨料的加入，不僅可以起到提高強度的作用，而且由于其密實度較高，骨料本身對氯離子的滲透有阻礙作用。但由于骨料和膠結材料界面區通過泌水等作用而導致混凝土骨料和漿體界面區水泥漿密度小，導致水化過程中在界面區附近產生孔隙，從而能導致整體混凝土材料的傳輸系數增大。因而骨料對混凝土氯離子滲透作用具有兩面性。

其次，混凝土的氯離子結合也是一個矛盾的統一體。單純由純水泥配制的水泥漿，硬化過程中本身具有氯離子的結合能力，緣于CSH對水泥漿的氯離子結合作用，其原理在于硅酸鈣的水化產生了CSH凝膠，CSH凝膠鈣硅比的變化，導致其結合能力的變化。隨硬化水泥漿水化反應的進行，CSH凝膠經歷了鈣硅比隨水化過程增大然后減小的過程，從而氯離子的結合量也存在先上升而后下降的過程。但考慮另外一個因素即CSH體積增大的因素，純凈水泥漿的氯離子物理吸附和其CSH凝膠的鈣硅比的變化規律并不會一致。其原因是由于CSH含量增多而導致的氯離子結合量增大的效應和將會抵消部分由于CSH凝膠鈣硅比降低而產生的降低氯離子結合能力的作用。

再次，礦物摻合料對混凝土氯離子結合能力的影響也存在矛盾關系。由于硅酸三鈣晶體水化而多余的鈣離子在水化早期大量存在，形成了大量的氫氧化鈣晶體。在水泥漿中活性鋁含量較高以及存在氯離子的情況下，也可能在水化早期形成化學結合的氯鋁酸鹽而對氯離子存在結合作用。而與此同時，沉積的氫氧化鈣通過摻合料的二次水化產生氯鋁酸鹽和CSH凝膠因而對氯離子產生結合作用。而水泥漿環境中的各種陰離子對上述氯離子結合有干擾作用，首先，硫酸根、碳酸根的存在以及水泥漿酸堿性的變化，將使氯鋁酸鹽的穩定性受到影響，不同陰離子之間的競爭導致不同化合物的產生而導致已經結合的氯離子的釋放。其次是CSH凝膠的氯離子結合能力將會由于孔溶液中存在較多鈉離子而使表面正離子吸附層氯離子的電位降低，從而導致氯離子的結合力下降。而鋁離子的存在，一方面可以通過形成氯鋁酸鹽而提高氯離子結合能力，而另外一方面，可能通過被結合進入CSH凝膠而使其對氯離子的吸附能力下降。

最后，是齡期和混凝土氯離子滲透性能的矛盾關系。根據資料和我們的試驗數據，盡管水泥漿的氯離子結合量在一定的齡期范圍內會隨齡期的延長而在一定的齡期范圍內提高，但總的趨勢是在一定齡期后呈下降趨勢，尤其是添加摻合料的硬化水泥漿較純水泥漿有更明顯的降低趨勢。以粉煤灰為例，齡期為90d后，甚至低于不摻摻合料的樣品。但由于后期混凝土密實度增大，齡期的延長則對氯離子滲透起到抑制作用，從趨勢上來看，可以認為，摻合料的二次水化在一定的齡期后對氯離子的結合的能力起著降低的作用。但另一方面，摻合料的二次水化而導致的混凝土的密實度的提高，則從擴散系數的角度對氯離子的滲透起到了阻擾作用。因而，在總體效果上，活性摻合料的使用對水泥漿抗氯離子性能起到了提高的作用，是矛盾運動的結果。

二、混凝土抗氯離子滲透案例中無機材料科學基礎理論的一些案例

上述混凝土水泥漿氯離子結合案例，涉及無機材料科學基礎知識的若干部分。

其一，涉及混凝土中鋁離子的作用。混凝土中鋁離子對氯離子的結合作用以其處于氯鋁酸鹽中而產生效果。在不同齡期時，鋁離子由于所處環境不同，而在水泥漿中呈現不同的狀態，以CASH存在的鋁離子，由于在混凝土中相對穩定，可以以消耗鋁離子的形式在較長齡期后降低氯鋁酸鹽的含量，并同時降低CSH的表面正電位而降低氯離子物理結合量。

CASH以水鋁黃長石等結構存在。在無機材料的硅酸鹽結構中，長石是一種重要的礦物形式。以長石、沸石中的Al3++Na+=Si4+的網絡陰離子不等價取代和電荷補償為基礎，可以推論CSH形成CASH，也是基于同樣的機理，這是硅氧網絡結構的特征。從玻璃網絡理論可以推論，如果水泥漿中含有Na+，將會促進CSH轉化為CASH的過程。因而通過類比方法，解決了長石到CASH的理論體系問題。

其二，涉及混凝土水泥漿中的陰陽離子吸附問題。氯離子在正電位表面上，其吸附能力和其他負離子相競爭。不考慮減水劑等添加劑的作用，水泥漿孔溶液中一般包含氯離子、氫氧根離子、硫酸根離子和碳酸根離子。各種陰離子對氯離子的競爭，改變氯離子的物理結合性能，體現為混凝土在碳化、存在硫酸根和堿度提高時的氯離子結合能力下降。

陰離子或陽離子在表面的吸附問題，不僅和陽離子及陰離子的電荷數也和離子的水化半徑相關。在無機材料科學基礎教材中，已經有較為成熟的關于膠團動電電位和表面陰陽離子的競爭吸附關系，這些關系應該對判斷混凝土水泥漿氯離子結合的趨勢有參考意義。

其三，無機材料科學基礎課程中，溶解沉淀是燒結的一個重要內容，顆粒由于不同部位曲率或顆粒半徑的不同，大小顆粒周圍產生濃度差，促進小顆粒表面的溶解和大顆粒表面的沉積，實現傳質過程。而氯鋁酸鹽在硬化水泥漿中，尤其在水化早期，具有典型的溶解沉淀反應特征。氯鋁酸鹽的形成和消失，均和溶液中的不同離子的過飽和度有關系。各組成之間存在競爭的關系，體現為一定的礦物相在溶度積方面的差異。水泥漿的不同原料由于其水化活性的不同而在不同齡期表現出不同的行為。不同原料在不同齡期溶解度的差異，從而導致了孔溶液離子對于不同礦相的過飽和度產生不斷變化，從而導致礦相的轉化。典型的例子有單硫酸鹽和鈣礬石、氯鋁酸鹽的轉換等。

參考文獻：

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