水胶比对水泥石孔结构与水化进程的影响

水胶比对水泥石孔结构与水化进程的影响

近年来，随着工程技术的要求和发展，高速高性能混凝土的研究和应用越来越受到重视。混凝土强度增加的基础是混凝土水基比的降低。水基比小于0.20（质量比，下同）的高速混凝土和活性粉末混凝土被广泛研究和应用于实际工程。由于水基比降低，混凝土的自收缩问题日益突出，这是工程应用中必须解决的问题。除个别文件外，水基比-0.20的混凝土自收缩研究很少。因此，在这项工作中，水基比为0.10.06水泥浆和水基比为0.16.0.50混凝土的自收缩特性，分析了低水基比下水泥石孔结构和水化过程，并研究了低水基比水泥混凝土的自收缩机理。1测试1.1材料的化学组成与比表面积胶凝材料:水泥(C),重庆腾辉地维水泥有限公司生产的P·O52.5水泥;硅灰(SF),挪威埃肯公司提供的半聚态硅灰;磨细矿渣(GGBS),重庆钢铁公司生产的水淬高炉矿渣,在振动磨中磨细2h后使用;石灰石粉(LP),重庆歌乐山机制砂,在振动磨中磨细2h.胶凝材料的化学组成与比表面积见表1.骨料:粗骨料,重庆小泉石灰石碎石,表观密度为2690kg/m3,最大粒径为20mm;细骨料,四川简阳中砂,表观密度为2700kg/m3,细度模数为2.3.混凝土试验中砂率均为40%(质量分数).高效减水剂:净浆试验用为氨基磺酸盐系减水剂(水剂),固含量为31%(质量分数);混凝土试验用为三聚氰胺系减水剂(水剂),固含量亦为31%(质量分数).减水量掺量按其占总胶凝材料质量分数计.1.2合作比共制备了6组水泥净浆试件、7组混凝土试件,其配合比分别见表2,3.1.3测试方法(1).强度(2)自收缩值的确定本试验所用试件尺寸较小,且低水胶比下水泥水化程度及水化放热温升并不高,温度变形值可忽略不计,因此本试验的自收缩值为化学缩减效应与自干燥效应引起的收缩值之和.(3)孔结构(4)水的结合是水量2试验结果及分析2.1自收缩性能2.1.1水胶比与自收缩的关系水胶比对超低水胶比水泥净浆自收缩的影响见图1.由图1可见,当水胶比≤0.16时,随着水胶比的减小(即P5→P3→P1或P6→P4→P2),水泥净浆的自收缩降低.此试验结果与文献,的研究结果一致,但有悖于诸多文献中所阐述的水胶比与自收缩的关系规律.为研究水胶比与自收缩的关系,笔者进一步研究了水胶比从0.50降至0.16时混凝土的自收缩值,见图2.图2中,水胶比>0.25的混凝土中胶凝材料只有水泥,而水胶比≤0.25的混凝土中胶凝材料则为水泥和硅灰.硅灰会增加混凝土的自收缩.即使如此,当水胶比从0.50降至0.25时,混凝土28,180d的自收缩随水胶比的减小而增加;当水胶比自0.25降至0.16时,混凝土自收缩值呈递减趋势.图2表明,存在一个临界水胶比,当水胶比大于临界值时,混凝土自收缩随水胶比的降低而增大;当水胶比小于临界值时,混凝土自收缩随水胶比的降低而有所降低.本试验条件下,临界水胶比为0.25.2.1.2石灰粉可以降低水泥混凝土的自收缩作为相对惰性的填充料,石灰石粉并不具有类似于水泥及其他活性矿物掺和料的活性.那么,石灰石粉对水泥混凝土的自收缩变形有何影响?这可从图1中得到答案.对比图1中P1和P2,P3和P4,P5和P6可见,石灰石粉对水泥净浆的自收缩都有一定的抑制作用,这与文献,的结论是一致的.石灰石粉可以降低水泥混凝土的自收缩.对此,李悦等的解释是:因为CaCO3与水泥颗粒中的C3A发生了反应,生成了C3A·CaCO3·11H2O.C3A·CaCO3·11H2O具有膨胀性,补偿了水泥混凝土的收缩.笔者认为,石灰石粉降低水泥混凝土的自收缩也与石灰石粉活性不高,其在硬化浆体中起到了微骨料的作用有关.2.1.3自收缩的发展从图1可以看到,超低水胶比条件下,水泥净浆自收缩在3d龄期前发展非常快,3d龄期的自收缩值在180d龄期内的收缩值中占据主要地位.例如,掺石灰石粉时,水泥净浆1d龄期的自收缩可发展到其180d龄期自收缩的50%以上,3d龄期自收缩发展到其180d龄期自收缩的60%以上;不掺石灰石粉时,水泥净浆1d龄期自收缩超过180d龄期的67%,3d龄期自收缩是180d龄期的80%.3d以后水泥净浆自收缩的发展速度开始逐渐降低.值得注意的是,本文测得的自收缩是试件成型24h后的收缩变形值,更重要的试件成型后24h以内的变形值并未测得.即使如此,根据试验结果已经可以判断超低水胶比下水泥自收缩变形在3d龄期前发展非常之快.2.2超水胶比水泥混凝土自收缩机理分析2.2.1水胶比对自收缩的影响自收缩大小与混凝土内部毛细管压力有关,而毛细管压力主要与其直径有关.毛细管直径越小,毛细管压力越大,混凝土的自收缩也就越大.图3为不同水胶比下水泥石的孔径分布图.图3表明,当水泥石水胶比为0.16和0.10时,其平均孔半径分别为3.28nm和3.04nm,最可几孔半径分别为0.87nm和1.32nm,即水胶比为0.16的水泥石(P6)的最可几孔径比水胶比为0.10的水泥石(P2)还要小,这说明当水胶比低于某一程度时,随水胶比的降低,水泥石孔结构不再被细化,毛细管压力反而降低,自收缩随之降低.图3还表明,水胶比为0.10的水泥石的孔径分布曲线比较凌乱,而水胶比为0.16的水泥石的孔径分布曲线却整齐得多.这说明,对于超低水胶比水泥石来讲,水胶比太低反而对其孔结构不利.胶凝材料中水泥水化与掺和料火山灰反应等引起的化学缩减及自干燥效应引起内部湿度的降低会导致水泥混凝土发生自收缩,因此水泥混凝土自收缩与水泥水化进程存在一定的对应关系.超低水胶比水泥石水化结合水量(质量分数)的测试结果见表4;水泥石自收缩与水化结合水量的关系见图4.图4表明:(1)同水胶比、同胶凝材料组成时,水泥石自收缩与水化结合水量呈线性关系,水化结合水量越大,自收缩也越大.这是因为,随着水泥石水化结合水量的增长,其内部湿度降低,从而导致自收缩增大.(2)在相同水胶比条件下,当石灰石粉替代水泥(即由P2→P1)后,水泥石的自收缩下降.这是因为,石灰石粉替代水泥后,水泥石的水化程度降低(见表4),从而导致水泥石自收缩下降.(3)相同胶凝材料组成下,水胶比为0.16的水泥石(P6)的自收缩比水胶比为0.10的水泥石(P2)高.主要原因是,在超低水胶比条件下,随着水胶比的降低,水泥石中胶凝材料的水化反应与火山灰反应程度降低,水化产物生成量下降(见表4),化学减缩减小.同时,未反应的水泥及掺和料颗粒亦抑制了水泥石的自收缩变形.针对超低水胶比条件下水泥混凝土自收缩随水胶比降低而降低这一反常现象,笔者以超低水胶比水泥混凝土孔结构的特殊性和水化程度较低这2种原因加以解释,但真正的原因还要进一步研究.3试验过程和试验过程1.当水胶比≤0.16时,水泥净浆自收缩随水胶比的降低而降低;当水胶比低于0.25时,混凝土自收缩随水胶比的减小而降低;当水胶比高于0.25时,混凝土自收缩随水胶比的降低而增加;当水胶比为0.25(临界水胶比)时,混凝土的自收缩最大.磨细石灰石粉可以很好抑制水泥净浆的自收缩.超低水胶比水泥净浆自收缩发展非常快,1d龄期的自收缩可达到180d龄期收缩值的50%以上.2.0.16水胶比水泥石的最可几孔径小于0.10水胶比水泥石,因此0.16水胶比水泥石自收缩高于0.10水胶比水泥石.同时,低水胶比水泥石的低自收缩与其水化结合水量有一定关系.将按配比称取的原材料进行搅拌,然后振动密实成型试件.试件标准养护至一定龄期后,测其抗压强度(试件尺寸为100mm×100mm×100mm,不考虑尺寸换算系数).采用线形法,以弓形螺旋测微器进行测试.混凝土试件尺寸为100mm×100mm×515mm,水泥净浆试件尺寸为40mm×40mm×160mm.因水泥净浆和混凝土的黏度都较大,气泡排出困难,因此水泥净浆和混凝土均分3层装模,每层振动1min.试件成型后静置养护24h,拆模,然后在收缩试验室中粘贴金属测头,再测其基准长度.为保证不与环境有湿度交换,试件用塑料薄膜包裹,粘测头处用凡士林密封.在规定龄期下测试试件尺寸变化,试验室温度为(20±2)℃.将水泥净浆搅拌、振动成型为2cm×2cm×2c