LDHs-偏高嶺土復合改性混凝土抗氯離子滲透性能探討

劉明瑋 江蘇開放大學講師

柴中發 江蘇城市職業學院建筑工程學院

水滑石類化合物是一類陰離子型層狀化合物，由于它們的主體成分一般是由2 種金屬的氫氧化物構成，因此又稱層狀雙金屬復合氫氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）。有學者通過分別添加LDHs 材料與偏高嶺土獲得不同混凝土試樣，對混凝土工作與力學性能、抗氯離子滲入性能進行深入探究。大量試驗結果表明，偏高嶺土在混凝土中火山灰效果可推動水泥水化過程，改善混凝土內微觀架構[1]。此外，LDHs 材料能夠高效固化外部進入的氯離子，進一步在混凝土內部創建防御屏障。因此，LDHs和偏高嶺土復合能夠完成固化氯離子與改善孔架構的疊加效果，很大程度上改善與提高其強度，并且可以更有效地抗氯離子滲透[2]。

1 化學試驗基本闡述

1.1 相關原料探討

表1 對水泥、LDHs 材料、偏高嶺土和超細粉煤灰原材料進行了化學分析。依據LDHs 原料層間陰離子替換能力大小，在進行實際試驗的過程中，需要圍繞LDHs 的相關化學性能展開研究。在試驗中，需要采用高溫煅燒的方式對LDHs材料進行處理，命名為LDOs。試驗中，采用偏高嶺土原材料進行試驗，粉煤灰采用的是一級粉煤灰，為了確保研究的準確性，需要將超細粉煤灰的細度控制在45 μm 的細度范圍內，試驗中使用的粉煤灰比表面積為330 m2/kg。

表1 原料中主要化學成分解析

試驗過程中，需要采用不同的試驗方式與試驗工藝進行科學研究，通過X 射線衍射圖譜（X-Ray Diffraction，XRD）對上述材料進行分析。其中，LDHs 材料呈現出帶正電架構的單元走向，并且能在層與層之間出現可位移的陰離子[3]。因此，通過整合LDHs 材料的帶電性，能夠有效提高其對氯離子的吸附性能。當試驗過程中LDHs 材料升溫到500 ℃時，其材料間的層隔之中陰離子則退去，進而轉化為層狀的具有抗氧化性的物質LDOs，其在水與陰離子共同環境下，隨即固化陰離子，又組成了LDHs 結構。通過XRD 衍射圖譜可發現，未經過煅燒的LDHs 結晶狀態優良，但通過煅燒之后的LDOs 層板架構損壞加劇，原特性消失殆盡，且發生了氧化鎂（MgO）的衍射峰。然而，偏高嶺土XRD 衍射峰呈現出特征鮮明的無定形架構，經過750 ℃煅燒后，原高嶺土礦離子鍵斷開，進而變化成了無定形非晶態架構，使其擁有了火山灰特性。

1.2 試驗方法

結合LDHs 材料和試驗用土中的不同層狀結構進行分析，在試驗過程中會出現用水量急速增長的情況，特別是在進行混凝土整體性能探究的過程中，更是需要運用到大量的水。另外，在超細的粉煤灰和偏高嶺土土性的土壤進行融合的過程中，能夠對坍落損失進行補充。因此，在進行試驗的過程中，可以將超細的粉煤灰添加到LDHs 與偏高嶺土材料融合的混凝土中，在此基礎上得到添加偏高嶺土的粉煤灰復合物，調整LDHs 的添加量。

混凝土按照GB/T 50080-2002 執行標準規范，且檢測坍落度進而評判工作性能。按照試驗要求與相關標準，在要求的環境下對混凝土進行28 d 的養護，并測試其抗壓性能。隨后取樣內部混凝土實施孔架構解析，試驗利用AUTOPORE 9500IV 壓汞儀，進一步精準解析混凝土內置孔隙分配[4]。

此外，在針對混凝土抗氯離子性能研究的過程中，需要運用到諸多方式進行深入探究。其中，電通量方法與快速氯離子遷移系數法（簡稱RCM 法）遵照GBT 50082-2009 執行標準實施。其中，非穩定狀態試驗中的混凝土需要將其浸泡在氯鹽水的溶液中，隨后利用化學解析方式獲得氯離子濃度與擴散間距聯系，且利用菲克定律核算氯離子擴散系數。

國外在很早前就針對氯離子的擴散試驗進行了相關標準的界定，而歐洲在此基礎上作出優化形成了NT Build 443法，其詳細的試驗方式如下。首先，需要將待測試的混凝土制作成一個邊長為100 mm 的正立方體，并且在進行試驗前，對該混凝土塊進行28 d的科學養護。其次，在試驗的過程中，需要將混凝土塊放到飽和氫氧化鈣溶液中，并且需要確保研究對象的外表形狀不發生改變。另外的2 塊研究立方塊，需要將其暴露在相對裸露的空間中，并且其中1 個立方塊4 面都需要用到環氧樹脂進行密封，隨后再將其浸泡在相關的溶液中。在本次研究中，研究的實踐時間為35 d，當試驗結束后，需要將立方塊上的環氧樹脂除去，并將立方塊打磨成粉狀，進行后續的擴散間距聯系試驗與研究。

上述試驗的具體研究公式為：

式中：C（x,t）代表的是時間t深度x處所實測的氯化物濃度，%；Cs代表的是裸露表面上的氯化物濃度，%；Ci是切片后得到的初始氯化物的濃度，%；x代表的是暴露面以下的深度，m；t代表的是暴露時間，s；De則代表的是擴散系數，m2/s。在進行研究的過程中，依照上述公式進行代入計算即可[5]。

不僅如此，在進行實際研究的過程中，需要更加具體與深入地針對混凝土的抗氯離子性能進行分析，可以應用氯離子的內摻法進行LDHs-偏高嶺土復合改性混凝土材料的固化氯離子能力測試。在試驗過程中，需要將相關的溶液植入到混凝土泥漿當中去，并針對混凝土展開一系列養護。具體的養護周期需要按照相關的標準落實。為了確保研究的準確性，混凝土的混合比例需要嚴格按照試驗標準進行混合，具體的混合標準如表2 所示，MH1/2 指的是變量為LDHs含量的實驗標本編號， MO1/2 指的是變量為LDOs 含量的實驗標本編號 。在試驗中，水泥凈漿需要形成邊長為40 mm的立方塊，并且需要放到封閉的環境下進行養護，周期分別為3 d、7 d 與28 d。當養護周期結束后，需要將立方塊擊碎，并選擇碎塊中粒徑為0.30 ～1.25 mm 的顆粒進行試驗，利用此粒徑范疇對氯離子固化性能實施比較。所選擇的顆粒，在后期的試驗中，需要用氯離子水浸泡1 d，并且需要用相關的儀器檢測其中游離的氯離子含量，標記為G1，在整體固化前，水泥中的總氯離子含量同樣需要進行標記，并以G2 作為表達，在進行氯離子固化爐核算的過程中，需要用到如下演算公式：

表2 水泥凈漿配合比

2 結論與討論

2.1 混凝土工作性能

對不同添加物的混凝土測試對象進行研究可以發現，水泥膠砂的流動度更加符合實際建筑需要。由此得出結論，LDHs 與偏高嶺土材料在進行混凝土混合的過程中，需要應用諸多的水進行混合，并且水泥漿中的流動性會受到這一因素的干擾。在進行后期的煅燒中，該材料的混凝土流動性下降了25 mm 左右。另外，針對混凝土材料坍落度的研究中發現，LDHs 與偏高嶺土材料混合后的混凝土，其在加入相關的粘稠劑后，與其他混凝土的坍落度相同，比較空白對比樣減少了10 mm， 且整體工作性降低不顯著。這是由于LDHs 材料與偏高嶺土的顆粒形狀極其相似，具備較多需水量。在進行混凝土混合的過程中，產生了滾珠軸承效果，在一定程度上緩解了LDHs 材料的位置阻力，使其流動自如，混凝土工作性能不會出現明顯的降低，在一定程度上確保了LDHs 材料的實際使用效果。

2.2 抗壓強度

針對混凝土抗壓強度的檢測，需要在相關標準下進行為期3 d、7 d 與28 d養護后實施。在初期養護，單摻偏高嶺土的樣本試樣強度上升極為顯著，當到28 d 養護后，則強度上升幅度緩慢下降，上漲幅度僅15%左右。針對LDHs 與偏高嶺土材料的混凝土在進行強度測試的過程中，在摻雜相關的物質后，其混凝土的強度相比以往有著明顯的提升，這是因為在進行混凝土攪拌的過程中產生了一些補充孔洞，密實孔架構效果，能夠進一步提高混凝土的初期強度，但在隨著混凝土養護深入后，所研究的混凝土樣本強度則不斷下降。因此，在養護到28 d 時，對混凝土進行復摻，摻雜不同的混合物在一定程度上能夠有效提高混凝土的強度。

研究發現，在添加單一原料偏高嶺土的時候，混凝土的強度會有明顯的提升，并且結合混凝土需水量的不同，在摻入不同的原料后，混凝土的強度呈現出不同的變化趨勢，在一定程度上會影響混凝土的機械強度。但是，在后期的繼續摻入后，混凝土的強度則會下降。整體來看，LDHs-偏高嶺土復合材料針對偏高嶺土基改性劑而言，其混凝土初期強度極為顯著，進入后期強度依舊顯著上漲，對比單摻偏高嶺土材料則呈現下降趨勢。

2.3 抗氯離子滲透性能

對試驗材料進行標準環境下的28 d養護后，隨后需要對樣本的電通量進行檢測，并分別針對PC、MH1 和MO1 的樣本進行相同的測試。通過測試結果可以看出，相對不添加偏高嶺土材料的研究樣本，添加其他材料的混凝土其抗氯離子滲透性能有著明顯的提高，其在電通量與氯離子擴散系統檢測結論中有顯著表現。尤其是LDHs 和偏高嶺土復摻的樣本，最終改進成效對比單摻偏高嶺土較為顯著，結果證明LDHs 材料不光針對混凝土內置孔隙產生干擾作用，同時對于混凝土抗滲透性能也有所幫助。

為了更加深入地針對LDHs-偏高嶺土復合材料混凝土內部的氯離子侵蝕情況進行研究，需要利用到非穩定狀態下的擴散方式進行研究。在測試過程中，需要對研究樣本進行為期28 d 的標準養護，并實施35 d 的氯鹽水浸泡，在浸泡結束后，需要將其取出打碎，并針對打碎后的樣本粉末進行不同層下的氯離子含量研究。

針對添加LDHs-偏高嶺土復合材料的混凝土內氯離子分配情況進行對比分析，可以得出結論，在添加偏高嶺土材料后，混凝土不同層次檢測獲取的氯離子含有量完全小于空白對比試樣。針對空白樣來講，距離混凝土外表面6 mm位置氯離子含有量大約是外表面位置的40%左右，然而，針對添加3%偏高嶺土原料的試樣，距離外表面4 mm 位置的氯離子含有量則下降到40%之下。從而說明當偏高嶺土材料添加至混凝土中，混凝土內出現的連通孔數量呈現出下降趨勢，并且會導致外部的氯離子無法進入到孔洞內。在LDHs-偏高嶺土復合改性混凝土材料的測試中，此變化尤為顯著，距離外表面大約3 mm 的位置上，其中的氯離子含量已經下降到40%左右。但是，在復摻LDO 材料和MO1 材料后，樣本的氯離子含量只在30%左右。總結試驗結果與混凝土氯離子擴散體系結論比較一致。

因此，LDHs 與偏高嶺土材料完全擁有改變混凝土孔結構效果，其復摻試樣和單摻偏高嶺土試樣的比較說明，LDHs-偏高嶺土材料復摻試樣相比單摻偏高嶺土材料而言，阻止外面氯離子進入混凝土效果更為顯著。

針對添加LDHs-偏高嶺土復合材料后的樣本進行氯離子侵蝕分析中，其與LDOs 材料發生了一定的變化，隨后會重置板層間的結構，進而針對在混凝土氯離子中的滲透變化產生了減緩效果。然而添加了未煅燒LDHs 的MH1 試樣，氯離子對硝酸根離子的置換反應延緩了其侵入的過程。

比較添加偏高嶺土后混凝土的孔架構，其利用壓汞法檢測，通過分計進汞數量結論不難發現，未添加偏高嶺土MO試樣孔徑聚集分配在20 ～1 000 nm，內置儲存了數量龐大且較大的連通孔。伴隨著添加偏高嶺土，混凝土內置孔向孔徑更小的朝向顯著轉移，重點聚集在10 ～100 mm。孔架構說明了偏高嶺土基改性劑添加致使混凝土內置孔架構獲得了明顯密實，高效改進了混凝土的抗滲透性能。

3 結語

添加LDHs 材料和偏高嶺土致使混凝土工作性能明顯下降，相反利用超細粉煤灰復合后高效補充了混凝土工作性流失。在加入LDHs-偏高嶺土復合材料后能夠有效提高混凝土的強度，并且可以有效降低氯離子進入其內部的概率，高效改進了混凝土抗滲透性能。