矿粉、高钙灰及脱硫石膏对水泥收缩性能的影响

1、维普资讯 第 11卷第 2期建筑材料学报VoI11NO22008年4月J()URN人I ()F BUIIDING M人TER1人ISApr2008文章编号：1007 9629(2008)02018906矿粉、高钙灰及脱硫石膏对水泥收缩性能的影响康 明， 朱洪波， 王培铭(同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092)摘要：研究了 500 (质量 分数，下同)矿粉和高钙粉煤灰等量替代水泥对水泥净浆早期自收缩性能的影响及水泥砂浆的长期干燥收缩性能和初始开裂敏感性结果表明，在水泥矿物材料体系中，自收缩与矿物材料的水化活性成正相关性，用 500

2、的矿粉和高钙粉煤灰替代水泥后，水泥浆体的自收缩率随着矿物材料活性的降低而降低；硫酸盐激发材料既具有增加水化程度和提高化学收缩的作用，又具有增加 AFt量和产生膨胀的作用，因而对水泥浆体的自收缩影响不大；掺 500 矿粉及 10 元明粉可显著提高干燥收缩；脱硫石膏和煅烧脱硫石膏按照一定比例复合能显著降低干燥收缩；初始开裂时间、自收缩与矿物材料水化活性的相关性较大，自收缩越高则其开裂敏感性越大，早强措施增加开裂风险；采用矿物材料尤其是采用低活性矿物材料替代水泥可使水泥水化减缓，自收缩和干燥收缩减少，开裂敏感性降低关键词：矿粉；高钙粉煤灰；脱硫石膏；收缩中图分类号：TQ1721 1文献标识码：AEf

3、fectofGrinded BlastFurnace Slag High-Calcium Fly Ash and Desulfurized Gypsum on Shrinkage Performance ofCementM ortarsKAN G M ing ， ZH U Hongbo， WANG Peiuingr(Key Laboratory ofAdvanced CivilEngineering M aterials ofM inistry ofEducation，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：Effects ofslag，h

4、ighcalcium fly ash，desulfurized gypsum ，calcined desulfurized gYPsum and sodium sulfate on early age autogenous shrinkageofcementpastes，long terms ofdesiccation shrinkage and initialcracking sensitivity ofcementmortarare researched The results indi cate thatthere are relationships between autogenous

5、 shrinkage and hydration activity ofmaterials in cem entmineral system The autogenous shrinkage of cement sample is higher than that of50 (by mass)ofslag or highcalcium fly ash samples The autogenous shrinkage decreases a long with the decreasing ofhydration activity ofmineralsBecause ofenhanced hyd

6、ration degree， thechem icalshrinkage，am ountofAFtand the expansion，the sulfate active materialaffects theautogenousshrinkagealittle50 (by mass)ofslag increases the desiccation shrinkage clearlyduo to slag urge pastes to eduction and lose more wateratearly age 1 (by mass)ofNa2SO4increases the desicca

7、tion shrinkage duo to its early reinforcing and more waterconsumption for hy-收稿日期：2007一O601；修订日期：20070927基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20060400175)；同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室开放基金资助项目作者简介：康 明(197O一)男 ，辽宁凤城人，同济大学博士生维普资讯 19O建 筑 材 料 学 报第 11卷dration Both the slag and Na2S()1accelerate the volume ofpast

8、es to shrinkage due to the inner desiccationM ixing of desulfurized gypsum and calcined desulfurized gypsum in certain mixturecan decrease the desiccation shrinkage significantly The initialcracking time relates with the autogenous shrinkage and hydration activityThemore the autogenous shrinkage，the

9、 higheris thesensitivity ofinitialcracking Reinforced processforcementenhances the risk of cracking usually Replaced some ofcementwith equalamountof mineralmaterial，especially the minerals with low activity，hydrating course prolongs，autogenousshrinkageand desiccation shrinkage decrease and crackresi

10、sting performance of mortar would be improvedKey words：grinded blastfurnace slag；highcalcium fly ash；desulfurized gypsum ；shrinkage由于高钙粉煤灰可能产生延迟膨胀危害而被限制直接用于水泥混凝土中，将其与矿粉复合可以通过稀释效应来降低这种危害，同时利用其膨胀性能可减少水泥水化收缩适量脱硫石膏既可以激发材料的火山灰活性，又能产生与高钙灰不同周期的微膨胀水 泥收缩可分为化学收缩、白干燥收缩、干燥收缩、热缩、冷缩以及由于其他原因所造成的体积收缩等 ，田倩等 研究认为自收缩(

11、autogenousshrinkage)是指水泥浇筑成型以后在密封条件下其表观体积(或长度)的减小，它不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(长度 )变化，在早期包括化学收缩(chemicalshrinkage)、凝缩 (settlementshrinkage)和白干燥收缩自收缩与化学减缩无直接关系l 化学 收缩测试方法有重量法 )、排液法 、加胶囊或透气膜的改进型排液法 等本研究通过排液法进行自收缩实验，并通过新型约束条件下初始开裂时间测试装置研究了矿粉、高钙粉煤灰、脱硫石膏、煅烧脱硫石膏、元明粉等对水泥浆体体积变化和初始开裂敏感性的影响，同时研究了水泥砂浆长期干燥收缩性

12、能1 实 验11 实验原材料425外加剂检验专用基准水泥 (C)，中国建筑材料研究院生产；矿粉 (S)，比表面积 420 m kg；高钙粉煤灰 (FA)，上海宝钢集团生产；脱硫石膏 (DG)，上海宝钢集团生产煅烧脱硫石膏(CG)，由干燥脱硫石膏在 800下煅烧 1h得到元明粉 (NS)，化学纯 各原材料的化学组成见表1，煅烧前后脱硫石膏的 XRD分析见图 1表 l 原材料的化学组成Tablel ChemicaIcompositionsofrawmateriaIs戳JSlOeFez03AI203Ca()M gOSOsS33 ll065C2O10128FA4857l 77DG从表 1和图 1可见，

13、脱硫石膏中 CaSO 2H：O含量较高，经过煅烧后成为无水石膏12 实验方法采用排液法测试水泥浆体的自收缩：将搅拌后的试样装进广口瓶，用中间开孔并连接有刻度管的磨沙瓶塞密封，注水至满刻度并开始计时，以刻度管内的水位变化作为试样的自收缩值，测试结束后取出试样测试体积，算出各龄期的体积收缩率从搅拌加水到开始计时需在 10min内完成采用自行开发装置 (见图 2)测试水泥砂浆的初始开裂时间按照 GBT 18046-2000用于水泥混凝土中的粒化高炉矿渣粉在该装置中成型试样后带模放人标准养护室，1d后拆模，在对维普资讯 第 2期康 明等：矿粉、高钙灰及脱硫石膏对水

14、泥收缩性能的影响191应尖劈的试样外侧粘贴导电纸，并使时钟的电源两端分别接触导电纸两端测试装置置于(201) 、相对湿度 5055 的干燥环境中，同时在试样上方开启电风扇时钟停止的时间即为试样开裂时间按照 GBT 18046-2000(用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉成型 4cm4crn16cm 棱柱水泥砂浆试样并测试其抗压强度，按照 JCT 603-2004(水泥胶砂干缩实验方法测试试样长期干燥线收缩0510l520253035404550556020H。)图 l 脱硫石膏及煅烧脱硫石膏的 XRD图谱图 2 初始开裂测试装置Fig1 XRD patterns ofDG and CGFig2

15、 Device fortesting of initialcrack2 实验结果与分析21 配合比与强度水泥砂浆配合比与各龄期抗压强度实验结果见表 2，其 中括号内的数字表示强度百分比表 2 水泥砂浆配合比与各龄期抗压强度Table 2 M ix proportions and compressive strengthsofcement mortar从表 2可以看出，采用 500 (质量分数 ，下同)矿粉等量替代水泥的试样(2 )其 7，28d活性指数分别为 83 和 98 ，符合 GBT 18046-2000(用 于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉的$95等级要求；采用高钙粉煤灰等量替代 20

16、0 ，300 矿粉的试样 (3 ，4 )，其强度随着高钙粉煤灰替代量的增加而降低，均达不到 $95等级要求 (7d活性指数大于 75 ，28 d活性 指数大于95 )；采用脱硫石膏、煅烧脱硫石膏以及元明粉作为激发材料的试样(5 8 )以及采用高钙粉煤灰替代 200 矿粉的 2 试样活性指数均可达到 $95矿粉的活性水平 ；采用 10 脱硫石膏或维普资讯 192建 筑 材 料 学 报第 11卷10 煅烧脱硫石膏与 10 元明粉为激发剂的试样(9 ，10 )，其 28d活性指数超过纯水泥试样，脱硫石膏或煅烧脱硫石膏掺量为 30的试样(11 ，12 )，其 28

17、d活性指数也有所提高22 自收缩试样的体积自收缩率见图 3从图 3(a)可以看出，在加水后 8h内 ，各试样的收缩率接近，从 8h后 ，纯水泥试样的收缩率随时间的增加幅度显著高于掺 500 矿物材料的试样，纯水泥试样 1d后 与掺 500 矿粉及高钙粉煤灰试样的收缩率变化规律基本相同，在掺 500 矿粉及高钙粉煤灰的未激发试样 (2 4 )中，掺 500 矿粉的收缩率最大，掺 40。0 矿粉和 100 高钙粉煤灰试样的收缩率与掺 350 矿粉和 150 高钙粉煤灰试样的收缩率最小在掺 400 矿粉和 100 高钙粉煤灰基础上，再掺入2596煅烧脱硫石膏对试样收缩率无显著影响，而掺入 25 脱硫

18、石膏则显著增加了其 310d的收缩率从图 3(b)可以看出，在掺 400 矿粉和 100 高钙粉煤灰基础上采用不同激发措施后，试样的收缩差异均不明显，试样的体积自收缩率变化与图 3(a)中未激发的掺 400 矿粉和100高钙粉煤灰试样接近TimehTimeh(a)1# 6 sampie(b) 7 12 sam ple图 3 试样的体积自收缩率Fig3 Autogenous shrinkage ratio ofsamples矿物材料在早期的体积变化主要受水泥熟料水化反应控制，从 1h后 到 8h之 间是浆体初始结构建立、失去塑性并形成强度的过程，浆体主要处于水化静止期，反应相对较慢，所以各试样体

19、积变化接近；8h后 ，浆体进入水化加速期，纯水泥试样由于水化程度高而产生较高的化学收缩，而掺500 矿物材料使这一阶段水化反应程度明显降低，体积变化明显减小；2d后水化反应速率明显减缓，由化学收缩引起的体积变化逐渐减小，虽然纯水泥试样的水化速率仍然较高，化学收缩也大，但由于掺矿物材料试样的火山灰反应逐渐增多，也会引起其体积产生一定的变化，因此，试样体积变化不单受水化程度的控制；同时，随着浆体强度的建立，各试样自身限制收缩的能力不同，以及白干燥收缩的变化，使试样体积变化受更多种因素控制研究表明，白干燥收缩主要与水泥水化程度和水化产物有关纯矿粉等量替代 500 水泥后，由于一次水化反应量大幅度降低

20、而使水泥浆体自收缩明显减小；高钙粉煤灰取代部分矿粉后，水泥浆体二次水化反应量减少，自收缩降低；掺入石膏和元明粉等激发材料一方面可以激发矿物活性，使水泥浆体水化反应程度和化学收缩率提高，另一方面可产生更多的膨胀性水化产物 AFt，综合结果对水泥浆体体积变化影响不大23 干燥收缩试样的干燥收缩率见图 4维普资讯 第 2期康明，等：矿粉、高钙灰及脱硫石膏对水泥收缩性能的影响1930Hx0【】芒 u 最IJ 从图 4(a)可以看出，影响试样干燥收缩率的高低排序为 500 SC400 S+100 FA 350 S-F150 FA，即掺 500矿粉能显著提高试样干燥收

21、缩率，掺矿粉+高钙粉煤灰则降低试样干燥收缩率，而且当高钙粉煤灰掺量从 100 提高到 150 后，其降低试样干燥收缩率的作用更加明显从图 4(b)可以看出，掺 22 脱硫石膏或煅烧脱硫石膏对试样干燥收缩率的影响不大，而掺 10 元明粉则使试样干燥收缩率增大从图 4(c)可以看出，掺 33脱 硫石膏对试样干燥收缩率的影响不大，而掺 22 脱硫石膏和 11 煅烧脱硫石膏则可明显降低试样干燥收缩率2鲁曼圭7I424283549TImed(a) 1# 4 sample图 4 试样的干燥收缩翠Fig4 Desiccation shrinkage ratio ofsamples大掺量矿粉容易产生离析，使水

22、泥浆体在早期失去更多水分并加快内部干燥过程；高钙粉煤灰的密度 (220gcm。)比矿粉 (290gcm。)和水泥 (306gcm。)低，可与矿粉和水泥形成密度梯度，改善水泥浆体的粘聚性并使更多的自由水均匀分布在水泥浆体中，降低其干燥失水速度，另外，高钙粉煤灰可降低水泥浆体水化程度，减少化学收缩；元明粉能够大幅度提高水泥浆体早期水化速48度，使其内部水消耗加快、干燥收缩增加；脱硫石膏在结 构尚未建立时就被基本消耗，而煅烧脱硫石膏则由于其溶解度比较低，在结构建立后仍有部分溶解并参与反应，产生有效膨胀，从而抵消水泥浆体的早期部分收缩，但掺量过大时会引起水泥浆体的膨胀破坏24 初始开裂时间dmp试样的

23、初始开裂时间见图 5从图 5可 以看出，影响初始开裂时间的大小次序为：2296CG(6 )，1096NS(7 )，22 DG+22 CG(8 )，33 DG (1l )，22 DG + 11CG(12 )，11 CG+ 10A0 NS(9 )，11 DG+10 NS(10 )，22 DG(5 )初始开裂时间越早，其开裂敏感性越高，对控制早期裂缝越不利矿粉及矿粉、高钙粉煤灰复掺可显著降低试样的开裂敏感性，采用脱硫石膏、煅烧脱硫石膏及元明粉又使试样的开裂敏感性提高将图 5中 l 4 试样的初始开裂时间与图 3相应试样的自收缩规律对比，发现二者的相关性较大，即自收缩率越大则试样越容易开裂，试样的开裂

24、敏感性主要受其内部水化程度控制量曼釜U图 5 试样的初始开裂时问Fig5 Initialcracking time ofsamples3 结 论1在水泥一矿物材料体系中，自收缩与矿物材料水化活性成正相关性采用 500矿粉和高钙粉煤灰替代水泥后，水泥浆体的自收缩率随着矿物活性的降低而降低硫酸盐激发材料既具有增维普资讯 194建 筑 材 料 学 报第 11卷加水化程度和增大化学收缩的作用，又具有增加 AFt量和产生膨胀的作用，对水泥浆体的自收缩影响不大2掺 5O0 矿粉及 10 元明粉能显著增大水泥浆体的干燥收缩，复掺脱硫石膏和煅烧脱硫石膏能够显著降低水泥浆体

25、的干燥收缩3水泥浆体的初始开裂时间与其自收缩率、水化活性具有较大的相关性，试样的自收缩率越大则其开裂敏感性越高采用矿物材料部分替代水泥可使水泥浆体的开裂敏感性降低，能有效降低实际工程的开裂风险参考文献：1 陈惠苏，孙 伟，STROEVEN P水泥基复合材料集料 j浆体 界面研究综述(二)：界 微观结构的形成、劣化机理及其影响因素 J硅酸盐学报 ，2004，32(1)：71802 田 倩，孙 伟，缪吕文，等高性能混凝土自收缩测试办法探讨J建筑材料 ：报，2005，2(1)：82893 李 悦谈慕华张 雄，等混凝土的自收缩及其研究进坡EJ建筑材料学报，2000。9(3)：25225743 HOIT E，IEIVO MMethnds ofreducing early ageshrinkageAShrinkage：Proceeding