高摻量粉煤灰水泥砂漿干縮性能的研究

高摻量粉煤灰水泥砂漿干縮性能的研究

21世紀(jì)，為了使混凝土材料走上可持續(xù)發(fā)展的道路，提出了綠色混凝土（ghpc）的概念。換句話說(shuō)，提高了水泥的理化性能，大大減少了混凝土的用量。主要水泥凝膠材料不是水泥的原料，而是磨損工業(yè)廢物而不是水泥作為原料，以減少水泥生產(chǎn)的環(huán)境。主要的研磨工業(yè)廢水中含有大量混合材料，充分發(fā)揮混凝土的性能優(yōu)勢(shì)，減少水泥用量。ghpc的應(yīng)用范圍應(yīng)該很廣。在混凝土結(jié)構(gòu)中使用礦物細(xì)摻料部分取代水泥正是順應(yīng)了這一理念。混凝土處于低濕條件下,水分散失將導(dǎo)致其體積縮小。干燥收縮是引起混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一,干縮開(kāi)裂使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性下降甚至引起結(jié)構(gòu)破壞?；炷恋母煽s主要由水泥漿體的干縮引起。因此,對(duì)水泥及混凝土干縮性能的研究具有十分重要的意義。水泥的水化硬化過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)烈的放熱過(guò)程,會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度比表面溫度高得多,盡管使用礦物摻合料可以減小放熱速度,但在炎熱的季節(jié),對(duì)于大體積混凝土來(lái)說(shuō),內(nèi)部溫度很容易達(dá)到或超過(guò)60℃。溫度升高,礦物摻合料的水化活性將大大提高,因而水泥混凝土的干縮特性也將發(fā)生變化。關(guān)于礦物摻合料,包括:粉煤灰、礦渣微粉以及硅灰等,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下對(duì)水泥、混凝土干縮的影響,已有諸多報(bào)道且不同研究者的結(jié)論不盡相同,但在高溫養(yǎng)護(hù)條件下的研究未見(jiàn)報(bào)道。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)地研究在20℃和60℃2種養(yǎng)護(hù)溫度下,粉煤灰對(duì)硅酸鹽水泥砂漿干縮性能的影響,以期對(duì)實(shí)際使用礦物細(xì)摻料有一定的指導(dǎo)意義。1實(shí)驗(yàn)1.1取代質(zhì)量分?jǐn)?shù)bISO標(biāo)準(zhǔn)砂和硅酸鹽水泥(記作P0)為基礎(chǔ)原料,粉煤灰(F)按水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)等量取代,其取代量為20%,40%,60%,取代后水泥相應(yīng)編作Fi,下標(biāo)i代表取代質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水泥為江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·II52.5R硅酸鹽水泥,粉煤灰為華能熱電廠的I級(jí)灰,兩者的密度分別為3.13,2.22g/cm3,比表面積分別為368,457m2/kg。1.2方法1.2.1養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)方法砂漿的膠凝材料總量為450g,膠砂比為1∶3,水膠比為0.5。采用三聯(lián)試模成型試件,試件尺寸為25mm×25mm×250mm。試件成型后放入溫度為(20±3)℃,濕度為90%RH的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。自加水時(shí)算起養(yǎng)護(hù)24h脫模,然后將試件置于水中養(yǎng)護(hù)2d(20℃水中養(yǎng)護(hù)2d,亦稱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);60℃水中養(yǎng)護(hù)1.5d緩慢冷卻至20℃養(yǎng)護(hù)至2d)。取出試件,將試件表面擦拭干凈并測(cè)量初長(zhǎng)(l0)和初始質(zhì)量(m0)后移入恒溫恒濕控制箱[溫度為(20±1)℃,相對(duì)濕度為40%±3%]中養(yǎng)護(hù),在各齡期測(cè)量試件的長(zhǎng)度(lt)和質(zhì)量(mt)。分別按下式計(jì)算水泥砂漿在t齡期的干縮率(Lt)和質(zhì)量損失(Mt):Lt=l0?lt250×100Lt=l0-lt250×100Mt=m0?mtm0×100Μt=m0-mtm0×1001.2.2密封、養(yǎng)護(hù)將不同摻量粉煤灰的水泥以0.5的水灰比調(diào)成凈漿,置于試管中、密封、養(yǎng)護(hù)至3d。終止水化、研細(xì)、抽濾,在60℃下烘6h,再在馬弗爐中于950℃灼燒至質(zhì)量恒定,測(cè)質(zhì)量損失率,計(jì)算結(jié)合水量。1.2.3試塊的養(yǎng)護(hù)和測(cè)定將干縮實(shí)驗(yàn)砂漿成型為1.414cm×1.414cm×1.414cm的小試塊。養(yǎng)護(hù)24h后拆模,然后放入水中養(yǎng)護(hù)2d。將試樣切成3~5mm左右的小顆粒,用無(wú)水乙醇終止水化。真空干燥后用美國(guó)QUANTACHROME公司的PM60GT3型壓汞儀測(cè)定水泥砂漿水化3d的孔徑分布。2結(jié)果與討論2.1粉煤灰水泥砂漿的干縮率各編號(hào)水泥砂漿在20℃和60℃的養(yǎng)護(hù)條件下的干燥特性曲線如圖1所示,其中圖1a為干縮率曲線,圖1b為質(zhì)量損失曲線。從圖1可以看出:養(yǎng)護(hù)溫度、粉煤灰摻量對(duì)水泥砂漿的干縮及質(zhì)量損失性能有很大影響。經(jīng)不同溫度養(yǎng)護(hù)后,不同摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮率及質(zhì)量損失變化規(guī)律不同。經(jīng)20℃養(yǎng)護(hù)后,高摻量粉煤灰水泥砂漿各齡期試件的干縮(質(zhì)量損失)率明顯小(大)于不摻或低摻量粉煤灰的水泥砂漿的干縮(質(zhì)量損失)率。經(jīng)60℃養(yǎng)護(hù)后,在摻量小于等于40%時(shí),高摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮率大于不摻或低摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮率。摻粉煤灰的水泥砂漿的質(zhì)量損失大于不摻粉煤灰的水泥砂漿的質(zhì)量損失率(F40略小于F20)。當(dāng)摻量為60%時(shí),早期干縮率(質(zhì)量損失)小于不摻粉煤灰的水泥砂漿,21d后(起)干縮率(質(zhì)量損失)顯著增大,且其增長(zhǎng)速率較大,不同于其它水泥砂漿的增長(zhǎng)速率。相同粉煤灰摻量下,經(jīng)高、低溫養(yǎng)護(hù)后,干縮變化規(guī)律在較低摻量與較高摻量下不同:當(dāng)摻量較低(0~20%)時(shí),經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿的干縮(質(zhì)量損失)率小于經(jīng)低溫養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿的干縮(質(zhì)量損失)率。當(dāng)摻量較高時(shí),經(jīng)高溫養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿的干縮(質(zhì)量損失)率大(小)于經(jīng)低溫養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿的干縮(質(zhì)量損失)率。對(duì)于不摻粉煤灰的硅酸鹽水泥來(lái)說(shuō),與經(jīng)20℃養(yǎng)護(hù)的試件相比,經(jīng)60℃水養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿試件的干縮率在各齡期均顯著減小(其中28d和60d的干縮率分別為20℃時(shí)的65.28%和67.10%),其質(zhì)量損失在早期(21d前)60℃水養(yǎng)護(hù)的略大于20℃水養(yǎng)護(hù)的,后期則相反。在實(shí)驗(yàn)所取粉煤灰摻量下,無(wú)論高、低溫養(yǎng)護(hù),各編號(hào)水泥砂漿的干縮率均小于經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20℃)后的硅酸鹽水泥砂漿的干縮率(粉煤灰替代量為40%的水泥砂漿經(jīng)60℃養(yǎng)護(hù)后在7d前的干縮率除外)。摻粉煤灰水泥砂漿的干縮穩(wěn)定期較不摻粉煤灰水泥的早,如經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,F60的干縮率在較早齡期21d就基本趨于穩(wěn)定(21d為0.038%,在28,45,60d仍為0.038%);在經(jīng)60℃養(yǎng)護(hù)后,F40在28d就基本趨于穩(wěn)定。2.2粉煤灰替代水化體系3d水化機(jī)理硬化水泥石中化學(xué)結(jié)合水量隨水化產(chǎn)物增多而增加,化學(xué)結(jié)合水量在一定程度上反映了水泥的水化速度和水化程度。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)得不同摻量粉煤灰水泥在2種養(yǎng)護(hù)溫度下水化3d的化學(xué)結(jié)合水量,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出:無(wú)論經(jīng)高溫還是低溫養(yǎng)護(hù),隨著粉煤灰替代量的增加,水泥3d的化學(xué)結(jié)合水量減少,也就是說(shuō),粉煤灰替代后的水泥體系3d的水化速度或水化程度變小,水化產(chǎn)物數(shù)量變少。以上可以看出:養(yǎng)護(hù)溫度升高,水泥體系3d的水化程度增大,并且隨粉煤灰替代量的增加,其增加幅度顯著。2.3水泥的養(yǎng)護(hù)溫度壓汞法測(cè)得的P0,F40水泥砂漿在2種養(yǎng)護(hù)條件下水化3d的孔結(jié)構(gòu)分布結(jié)果如表2所示。由表2可以看出:養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)于硅酸鹽水泥石孔徑分布的影響沒(méi)有對(duì)粉煤灰水泥石的影響顯著。對(duì)于硅酸鹽水泥,養(yǎng)護(hù)溫度升高,水泥石中直徑小于200nm的孔體積略有減小,但小于50nm的孔體積增加,水泥石總的孔體積減小。對(duì)于粉煤灰水泥F40,養(yǎng)護(hù)溫度提高,水泥石中直徑小于200nm的孔體積增加,并且明顯大孔向小孔轉(zhuǎn)化,小于50nm的孔體積顯著增加,總孔體積增加。經(jīng)20℃養(yǎng)護(hù)后,摻粉煤灰40%時(shí),水泥石中小于200nm的各孔徑范圍的孔體積都較不摻粉煤灰的小,水泥石的總孔體積增加。經(jīng)60℃養(yǎng)護(hù)后,摻粉煤灰40%時(shí),水泥石中小于200nm的孔體積較不摻的略有增加,其中較大孔徑范圍的孔體積減小,而孔徑小于50nm的孔體積顯著增加。2.4粉煤灰對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)的影響造成干燥過(guò)程中水泥石體積縮小的最重要的原因:其一,半徑小于100nm的毛細(xì)孔水分蒸發(fā)時(shí),水泥石中發(fā)生毛細(xì)孔力的作用?？讖皆叫?毛細(xì)孔張力越大,造成的干縮越大。其二,CSH凝膠失去吸附結(jié)合水,這里既包括亞微觀晶體表面形成的多分子層吸附溶劑水,也包括處于CSH晶體結(jié)構(gòu)層之間的層間水。另外,還取決于水化硅酸鈣的相對(duì)含量及其比表面積,水化程度越高,水化產(chǎn)物的比表面積越大,水泥石中的吸附結(jié)合水越多。以上可見(jiàn):水泥石干縮率大小取決于干燥初期水泥石的孔徑分布、水化產(chǎn)物的多少(小于50nm的孔體積)以及水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用52.5R硅酸鹽水泥,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,3d水化程度極高,具有較高的干縮率。在成型24h后將水中養(yǎng)護(hù)溫度由20℃提高到60℃(1.5d),則試件在各齡期的干縮率明顯減小。如果從毛細(xì)孔力來(lái)分析,不會(huì)有這樣的效果。根據(jù)孔徑分布,小于200nm的孔體積僅略有減小,而孔徑分布趨于更小。實(shí)際上主要是由于上述第2個(gè)原因,即由于經(jīng)過(guò)20℃養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿再置于60℃一段時(shí)間,造成CSH微觀結(jié)構(gòu)的變化。因?yàn)樗嘀行∮?μm的顆粒提供較高的水泥水懸浮體的液相過(guò)飽和度,形成較多的結(jié)晶中心,而結(jié)晶生成的水化硅酸鈣,由于具有過(guò)剩的表面自由能和相應(yīng)較大的溶解度,隨后會(huì)重結(jié)晶成較粗的生成物,該過(guò)程在常溫下因水化硅酸鈣的溶解度低而進(jìn)行得很慢,但升高溫度會(huì)使重結(jié)晶過(guò)程明顯加速,從而使CSH凝膠的比表面積減小。經(jīng)60℃短時(shí)間養(yǎng)護(hù)以后,CSH凝膠相中[SiO4]四面體的聚合度提高,在聚合過(guò)程中將OH-以自由水的形式釋放出來(lái),提高了CSH凝膠的致密度,這從總孔體積減小可看出且已被研究所證實(shí)。這種結(jié)構(gòu)的變化使水泥石中吸附結(jié)合水減少,從失水曲線可看出:60℃下最初失水較多,大部分是不引起收縮的毛細(xì)孔水,不易變形,相應(yīng)的干縮減少。粉煤灰對(duì)水泥干縮的影響則主要是對(duì)水泥石孔結(jié)構(gòu)以及水化產(chǎn)物多少的影響。摻有粉煤灰水泥的水化,是利用水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2與粉煤灰反應(yīng)生成CSH凝膠。在20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,早期粉煤灰的水化活性較低,主要是水泥的水化,隨著粉煤灰替代量增加,參加水化的水泥量減少,水化產(chǎn)物減少,這可從化學(xué)結(jié)合水泥量減少以及小于50nm的孔減少得到驗(yàn)證:其需水量小,吸附結(jié)合水減少,孔徑分布中大于200nm的大毛細(xì)孔增加。從失水曲線可看出:隨粉煤灰替代量增加,最初失去的大部分大毛細(xì)孔水量增加。另外,粉煤灰顆粒很細(xì),起微集料的作用,填充于水泥顆粒間,使其結(jié)構(gòu)致密,從而抑制水泥石的收縮,故經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,水泥砂漿試件的干縮率隨粉煤灰替代量增加而下降。一般認(rèn)為,粉煤灰與Ca(OH)2的反應(yīng)為擴(kuò)散控制過(guò)程,升高溫度可加快反應(yīng)速度。在60℃養(yǎng)護(hù)條件下,加快了粉煤灰與Ca(OH)2的反應(yīng)速度,同時(shí)也促進(jìn)了硅酸鹽水泥的水化,因而大大提高了系統(tǒng)的水化程度,使水泥石大孔向小孔轉(zhuǎn)化。同時(shí),由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)消耗了晶體Ca(OH)2,一方面在硬化水化產(chǎn)物中,特別是臨近的砂集料顆粒的附近留下空隙,使空隙率增加;另一方面削弱了Ca(OH)2晶體對(duì)干縮的抑制作用。因此,經(jīng)60℃水養(yǎng)護(hù)后,水泥砂漿試件的干縮基本上是隨粉煤灰摻量的增加而增加。粉煤灰摻量為20%時(shí),高溫養(yǎng)護(hù)比低溫養(yǎng)護(hù)的干縮率小;粉煤灰摻量為40%和60%時(shí)則相反,其原因是:前者主要是高溫下CSH凝膠微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)干縮影響起主要作用;后者則是粉煤灰的火山灰反應(yīng)起主要作用。3水泥砂漿的干縮率(1)經(jīng)20℃養(yǎng)護(hù)后,高摻量粉煤灰的水泥砂漿試件各齡期的干縮明顯小于不摻或低摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮。經(jīng)60℃養(yǎng)護(hù)后,高摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮大于不摻或低摻量粉煤灰水泥砂漿的干縮。(2)對(duì)于相同粉煤灰摻量,當(dāng)其摻量較低時(shí)(0~20%),高溫養(yǎng)護(hù)水泥砂漿的干縮率小于低溫養(yǎng)護(hù)水泥砂漿的。摻量較高時(shí),高溫養(yǎng)護(hù)水泥砂漿的干縮率大于低溫養(yǎng)護(hù)的。(3)對(duì)于不摻粉煤灰的硅酸鹽水泥,經(jīng)60℃水養(yǎng)護(hù)的