矿物外加剂复掺对水泥石干燥收缩的影响及其机理研究

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干燥收缩变形特性一直是水泥基材料性能研究的重点课题之一,干缩引起的开裂已经成为现代混凝土工程的普遍问题。有针对性的配制具有良好减缩性能的矿物外加剂复掺水泥石,从理论到试验,综合研究水泥石的失水与干缩性能,对减少甚至避免混凝土干缩裂缝、提高混凝土工程的耐久性、延长混凝土结构的使用寿命具有重要的意义。  论文采用碟片法系统研究了梯次湿度干燥方式下,粉煤灰(FA)、矿渣(SL)和硅灰(SF)三种矿物外加剂双掺和三掺水泥石的失水、干缩性能,以及矿物外加剂复合比例、水胶比(w/b)、养护龄期、养护制度对其产生的影响,主要得出以下结论:  1)不同矿物外加剂复掺均增加了水泥石的总质量损失,而减小了水泥石的总干缩,但当水胶比或硅灰掺量较大时,减缩效果不明显。矿物外加剂复掺后,水泥石的可逆干缩也减小,而不可逆干缩与水胶比有关:水胶比为0.3和0.4时,不可逆干缩减小;水胶比为0.5时,不可逆干缩增加。  2)不同矿物外加剂复掺均提高了水泥石在100%RH~84%RH范围的质量损失或干缩比重,降低了水泥石在54%RH~5%RH范围的质量损失或干缩比重,而在84%RH~54%RH范围,因矿物外加剂复掺种类、掺量及水胶比而异。  3)对于“FA-SL”和“FA-SF”复合体系,固定矿物外加剂总掺量(40%/60%,50%)不变,随粉煤灰掺量的减少,水泥石的质量损失在100%RH~84%RH范围逐渐减小,在84%RH~54%RH和54%RH~5%RH范围逐渐增加,且硅灰在提高水泥石54%RH~5%RH范围的质量损失上比矿渣更明显。  对于“SF-SL”和“SF-FA-SL”复合体系,固定矿物外加剂总掺量不变,随硅灰掺量的提高,水胶比为0.3时,水泥石的质量损失在100%RH~84%RH和84%RH~54%RH范围逐渐减少,在54%RH~5%RH范围逐渐增加;水胶比为0.4和0.5时,水泥石的质量损失在100%RH~84%RH范围逐渐减少,在84%RH~54%RH和54%RH~5%RH范围逐渐增加。  4)随水胶比的提高,矿物外加剂复掺水泥石的质量损失在100%RH~84%RH和84%RH~54%RH范围逐渐增加;在54%RH~5%RH范围,对于“FA-SL”复合体系,0.3与0.4水胶比水泥石的质量损失接近,0.5水胶比水泥石的质量损失较小,对于其他矿物外加剂复合体系,质量损失逐渐减小;总质量损失增加。  随水胶比的提高,矿物外加剂复掺水泥石的干缩在100%RH~84%RH和84%RH~54%RH范围逐渐增加;在54%RH~5%RH范围,0.4水胶比的干缩最大,0.5水胶比的干缩最小;总干缩及不可逆干缩增加。  5)随养护龄期的延长,矿物外加剂复掺水泥石的质量损失在100%RH~84%RH范围逐渐减少,在84%RH~54%RH和54%RH~5%RH范围基本都有所增加。  对于成熟的矿物外加剂复掺水泥石(本研究约56d龄期),其总干缩及不可逆干缩随龄期而减小。  6)早期热处理使水泥石的孔结构粗化,C-S-H凝胶硅氧四面体聚合度提高,从而降低了水泥石的总干缩及不可逆干缩(28d龄期时,对于“FA-SL”体系,总干缩平均降低10.82%,不可逆干缩平均降低37.22%),而可逆干缩基本不受其影响。  通过SEM、MIP、BET及29SiNMR试验,分析了矿物外加剂复掺水泥石及同条件下不掺矿物外加剂的基准水泥石的微观结构,结果表明:  1)复掺矿物外加剂后,水泥石中C-S-H凝胶硅氧四面体的聚合度增加,致密度提高,同时生成的C-S-H凝胶相对含量降低。  2)矿物外加剂复掺水泥石和基准水泥石的孔径分布主要集中在小于200nm和大于5.5μm两个范围。复掺矿物外加剂后,水泥石中直径小于50nm的孔体积减小,大于5.5μm的孔体积增加,总孔体积增加;且养护龄期从28d延长到56d时,水泥石中的大孔明显向小孔转化。这是因为,以等质量取代水泥的方式掺入矿物外加剂,减少了水泥,因而减少了水泥水化对水的消耗,凝胶水减水,毛细水增加,因而毛细孔增加,导致大于5.5μm的孔体积增加;同时,龄期延长,水泥的水化程度更高,凝胶和凝胶水增加,毛细水减少,凝胶填充毛细孔,导致大孔向小孔转化。
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