水膠比對水泥石孔結(jié)構(gòu)與水化進程的影響

水膠比對水泥石孔結(jié)構(gòu)與水化進程的影響

近年來，隨著工程技術(shù)的要求和發(fā)展，高速高性能混凝土的研究和應(yīng)用越來越受到重視?；炷翉姸仍黾拥幕A(chǔ)是混凝土水基比的降低。水基比小于0.20（質(zhì)量比，下同）的高速混凝土和活性粉末混凝土被廣泛研究和應(yīng)用于實際工程。由于水基比降低，混凝土的自收縮問題日益突出，這是工程應(yīng)用中必須解決的問題。除個別文件外，水基比-0.20的混凝土自收縮研究很少。因此，在這項工作中，水基比為0.10.06水泥漿和水基比為0.16.0.50混凝土的自收縮特性，分析了低水基比下水泥石孔結(jié)構(gòu)和水化過程，并研究了低水基比水泥混凝土的自收縮機理。1測試1.1材料的化學(xué)組成與比表面積膠凝材料:水泥(C),重慶騰輝地維水泥有限公司生產(chǎn)的P·O52.5水泥;硅灰(SF),挪威?？瞎咎峁┑陌刖蹜B(tài)硅灰;磨細礦渣(GGBS),重慶鋼鐵公司生產(chǎn)的水淬高爐礦渣,在振動磨中磨細2h后使用;石灰石粉(LP),重慶歌樂山機制砂,在振動磨中磨細2h.膠凝材料的化學(xué)組成與比表面積見表1.骨料:粗骨料,重慶小泉石灰石碎石,表觀密度為2690kg/m3,最大粒徑為20mm;細骨料,四川簡陽中砂,表觀密度為2700kg/m3,細度模數(shù)為2.3.混凝土試驗中砂率均為40%(質(zhì)量分數(shù)).高效減水劑:凈漿試驗用為氨基磺酸鹽系減水劑(水劑),固含量為31%(質(zhì)量分數(shù));混凝土試驗用為三聚氰胺系減水劑(水劑),固含量亦為31%(質(zhì)量分數(shù)).減水量摻量按其占總膠凝材料質(zhì)量分數(shù)計.1.2合作比共制備了6組水泥凈漿試件、7組混凝土試件,其配合比分別見表2,3.1.3測試方法(1).強度(2)自收縮值的確定本試驗所用試件尺寸較小,且低水膠比下水泥水化程度及水化放熱溫升并不高,溫度變形值可忽略不計,因此本試驗的自收縮值為化學(xué)縮減效應(yīng)與自干燥效應(yīng)引起的收縮值之和.(3)孔結(jié)構(gòu)(4)水的結(jié)合是水量2試驗結(jié)果及分析2.1自收縮性能2.1.1水膠比與自收縮的關(guān)系水膠比對超低水膠比水泥凈漿自收縮的影響見圖1.由圖1可見,當水膠比≤0.16時,隨著水膠比的減小(即P5→P3→P1或P6→P4→P2),水泥凈漿的自收縮降低.此試驗結(jié)果與文獻,的研究結(jié)果一致,但有悖于諸多文獻中所闡述的水膠比與自收縮的關(guān)系規(guī)律.為研究水膠比與自收縮的關(guān)系,筆者進一步研究了水膠比從0.50降至0.16時混凝土的自收縮值,見圖2.圖2中,水膠比>0.25的混凝土中膠凝材料只有水泥,而水膠比≤0.25的混凝土中膠凝材料則為水泥和硅灰.硅灰會增加混凝土的自收縮.即使如此,當水膠比從0.50降至0.25時,混凝土28,180d的自收縮隨水膠比的減小而增加;當水膠比自0.25降至0.16時,混凝土自收縮值呈遞減趨勢.圖2表明,存在一個臨界水膠比,當水膠比大于臨界值時,混凝土自收縮隨水膠比的降低而增大;當水膠比小于臨界值時,混凝土自收縮隨水膠比的降低而有所降低.本試驗條件下,臨界水膠比為0.25.2.1.2石灰粉可以降低水泥混凝土的自收縮作為相對惰性的填充料,石灰石粉并不具有類似于水泥及其他活性礦物摻和料的活性.那么,石灰石粉對水泥混凝土的自收縮變形有何影響?這可從圖1中得到答案.對比圖1中P1和P2,P3和P4,P5和P6可見,石灰石粉對水泥凈漿的自收縮都有一定的抑制作用,這與文獻,的結(jié)論是一致的.石灰石粉可以降低水泥混凝土的自收縮.對此,李悅等的解釋是:因為CaCO3與水泥顆粒中的C3A發(fā)生了反應(yīng),生成了C3A·CaCO3·11H2O.C3A·CaCO3·11H2O具有膨脹性,補償了水泥混凝土的收縮.筆者認為,石灰石粉降低水泥混凝土的自收縮也與石灰石粉活性不高,其在硬化漿體中起到了微骨料的作用有關(guān).2.1.3自收縮的發(fā)展從圖1可以看到,超低水膠比條件下,水泥凈漿自收縮在3d齡期前發(fā)展非?？?3d齡期的自收縮值在180d齡期內(nèi)的收縮值中占據(jù)主要地位.例如,摻石灰石粉時,水泥凈漿1d齡期的自收縮可發(fā)展到其180d齡期自收縮的50%以上,3d齡期自收縮發(fā)展到其180d齡期自收縮的60%以上;不摻石灰石粉時,水泥凈漿1d齡期自收縮超過180d齡期的67%,3d齡期自收縮是180d齡期的80%.3d以后水泥凈漿自收縮的發(fā)展速度開始逐漸降低.值得注意的是,本文測得的自收縮是試件成型24h后的收縮變形值,更重要的試件成型后24h以內(nèi)的變形值并未測得.即使如此,根據(jù)試驗結(jié)果已經(jīng)可以判斷超低水膠比下水泥自收縮變形在3d齡期前發(fā)展非常之快.2.2超水膠比水泥混凝土自收縮機理分析2.2.1水膠比對自收縮的影響自收縮大小與混凝土內(nèi)部毛細管壓力有關(guān),而毛細管壓力主要與其直徑有關(guān).毛細管直徑越小,毛細管壓力越大,混凝土的自收縮也就越大.圖3為不同水膠比下水泥石的孔徑分布圖.圖3表明,當水泥石水膠比為0.16和0.10時,其平均孔半徑分別為3.28nm和3.04nm,最可幾孔半徑分別為0.87nm和1.32nm,即水膠比為0.16的水泥石(P6)的最可幾孔徑比水膠比為0.10的水泥石(P2)還要小,這說明當水膠比低于某一程度時,隨水膠比的降低,水泥石孔結(jié)構(gòu)不再被細化,毛細管壓力反而降低,自收縮隨之降低.圖3還表明,水膠比為0.10的水泥石的孔徑分布曲線比較凌亂,而水膠比為0.16的水泥石的孔徑分布曲線卻整齊得多.這說明,對于超低水膠比水泥石來講,水膠比太低反而對其孔結(jié)構(gòu)不利.膠凝材料中水泥水化與摻和料火山灰反應(yīng)等引起的化學(xué)縮減及自干燥效應(yīng)引起內(nèi)部濕度的降低會導(dǎo)致水泥混凝土發(fā)生自收縮,因此水泥混凝土自收縮與水泥水化進程存在一定的對應(yīng)關(guān)系.超低水膠比水泥石水化結(jié)合水量(質(zhì)量分數(shù))的測試結(jié)果見表4;水泥石自收縮與水化結(jié)合水量的關(guān)系見圖4.圖4表明:(1)同水膠比、同膠凝材料組成時,水泥石自收縮與水化結(jié)合水量呈線性關(guān)系,水化結(jié)合水量越大,自收縮也越大.這是因為,隨著水泥石水化結(jié)合水量的增長,其內(nèi)部濕度降低,從而導(dǎo)致自收縮增大.(2)在相同水膠比條件下,當石灰石粉替代水泥(即由P2→P1)后,水泥石的自收縮下降.這是因為,石灰石粉替代水泥后,水泥石的水化程度降低(見表4),從而導(dǎo)致水泥石自收縮下降.(3)相同膠凝材料組成下,水膠比為0.16的水泥石(P6)的自收縮比水膠比為0.10的水泥石(P2)高.主要原因是,在超低水膠比條件下,隨著水膠比的降低,水泥石中膠凝材料的水化反應(yīng)與火山灰反應(yīng)程度降低,水化產(chǎn)物生成量下降(見表4),化學(xué)減縮減小.同時,未反應(yīng)的水泥及摻和料顆粒亦抑制了水泥石的自收縮變形.針對超低水膠比條件下水泥混凝土自收縮隨水膠比降低而降低這一反?，F(xiàn)象,筆者以超低水膠比水泥混凝土孔結(jié)構(gòu)的特殊性和水化程度較低這2種原因加以解釋,但真正的原因還要進一步研究.3試驗過程和試驗過程1.當水膠比≤0.16時,水泥凈漿自收縮隨水膠比的降低而降低;當水膠比低于0.25時,混凝土自收縮隨水膠比的減小而降低;當水膠比高于0.25時,混凝土自收縮隨水膠比的降低而增加;當水膠比為0.25(臨界水膠比)時,混凝土的自收縮最大.磨細石灰石粉可以很好抑制水泥凈漿的自收縮.超低水膠比水泥凈漿自收縮發(fā)展非?？?1d齡期的自收縮可達到180d齡期收縮值的50%以上.2.0.16水膠比水泥石的最可幾孔徑小于0.10水膠比水泥石,因此0.16水膠比水泥石自收縮高于0.10水膠比水泥石.同時,低水膠比水泥石的低自收縮與其水化結(jié)合水量有一定關(guān)系.將按配比稱取的原材料進行攪拌,然后振動密實成型試件.試件標準養(yǎng)護至一定齡期后,測其抗壓強度(試件尺寸為100mm×100mm×100mm,不考慮尺寸換算系數(shù)).采用線形法,以弓形螺旋測微器進行測試.混凝土試件尺寸為100mm×100mm×515mm,水泥凈漿試件尺寸為40mm×40mm×160mm.因水泥凈漿和混凝土的黏度都較大,氣泡排出困難,因此水泥凈漿和混凝土均分3層裝模,每層振動1min.試件成型后靜置養(yǎng)護24h,拆模,然后在收縮試驗室中粘貼金屬測頭,再測其基準長度.為保證不與環(huán)境有濕度交換,試件用塑料薄膜包裹,粘測頭處用凡士林密封.在規(guī)定齡期下測試試件尺寸變化,試驗室溫度為(20±2)℃.將水泥凈漿攪拌、振動成型為2cm×2cm×2c