水泥基材料微結(jié)構(gòu)的反復(fù)壓汞法表征

肖海軍 孫 偉 蔣金洋 王彩輝

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京211189)

(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京211189)

水泥基復(fù)合材料具有典型的多孔、多相和多尺度特征,孔體積和孔徑分布對(duì)材料本身的傳輸性能、力學(xué)性能和耐久性能有顯著影響.在混凝土中摻入適量的引氣劑,可使混凝土的孔隙得到細(xì)化,大孔減少,微小孔增多,從而提高了混凝土的耐久性能[1].有效表征水泥基復(fù)合材料的孔特征是確定其服役性能的關(guān)鍵.

表征孔結(jié)構(gòu)參數(shù)常用的方法有氮?dú)馕椒ê蛪汗?其中,壓汞法使用的前提是水泥石中所有孔直接與表面相連或者通過大孔與表面相連,不滿足此類條件的孔稱為墨水瓶孔[2].水泥石中存在墨水瓶孔,故利用壓汞法無法準(zhǔn)確測(cè)量水泥石的孔結(jié)構(gòu).為了彌補(bǔ)這一不足,Kaufmann[3]通過實(shí)驗(yàn)證明,采用二次進(jìn)汞的方法能減輕墨水瓶效應(yīng)的影響,得到的孔徑分布和孔體積與用氮吸附測(cè)試的結(jié)果相似;孫國(guó)文等[4]采用二次進(jìn)汞方法排除了墨水瓶效應(yīng),確定了有效孔隙率、臨界孔徑以及孔徑分布等參數(shù);Zhou等[5]將整個(gè)加壓過程分為若干個(gè)先加壓再卸壓的過程,測(cè)出任意孔徑處墨水瓶孔的體積;Kaufmann等[6]采用二次壓汞方法計(jì)算出墨水瓶孔的體積;Liu等[7]認(rèn)為材料的滲透性與可被反復(fù)壓入的孔體積有關(guān).

為了更準(zhǔn)確地表征水泥基材料的孔結(jié)構(gòu),本文采用反復(fù)壓汞法,研究了相同水灰比條件下不同細(xì)度水泥硬化后的孔結(jié)構(gòu)特征.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)采用重慶潤(rùn)江水泥廠干法旋窯生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料,無石膏,其化學(xué)成分見表1.

表1 硅酸鹽水泥熟料的化學(xué)成分 %

采用球磨機(jī)粉磨水泥熟料,粉磨時(shí)間分別為30,60,90,120 min,以獲得不同細(xì)度的水泥.實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及方法

實(shí)驗(yàn)中漿體的水灰比為0.5.按照配合比,將原材料依次放入攪拌鍋中, 先低速干拌1 min, 再高速攪拌2 min,將產(chǎn)物注入到直徑約為27 mm的圓柱形塑料試模中,輕輕振動(dòng)密實(shí),將試模密封.

在常溫(25 ℃)下對(duì)試模養(yǎng)護(hù)1 d后拆模.然后,將試件浸入飽和氫氧化鈣溶液中,置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至齡期28 d.達(dá)到規(guī)定齡期后,切取試件內(nèi)部部分作為實(shí)驗(yàn)試樣,并置于裝有液氮的容器內(nèi).采用凍干法將樣品干燥;該方法對(duì)壓汞測(cè)試結(jié)果影響較小[8].

采用Mastersizer 2000型激光粒度儀干法表征磨細(xì)水泥熟料的粒徑分布,可測(cè)得粒徑范圍為 0.020～2 000 μm.

采用AutoPore Ⅳ 9500型壓汞儀來表征水泥水化的微結(jié)構(gòu).該儀器的最高壓力可達(dá)到415 MPa,孔徑測(cè)量范圍為0.003～360 μm.測(cè)試分為手動(dòng)低壓(0.003～0.210 MPa)和全自動(dòng)高壓(0.210～242 MPa)兩個(gè)階段.在完成低壓測(cè)試后,從低壓倉(cāng)取出膨脹劑并稱重,再進(jìn)行高壓測(cè)試;退汞后進(jìn)行二次或多次壓汞,直到后一次與前一次的進(jìn)汞、退汞曲線接近,停止壓汞實(shí)驗(yàn).每次進(jìn)汞時(shí)設(shè)定的壓力值與第1次完全相同;實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的接觸角為130°,平衡時(shí)間為30 s.

2 結(jié)果與分析

不同粉磨時(shí)間下水泥熟料顆粒的粒徑分布如圖1所示.由圖可知,隨著粉磨時(shí)間的增加,粒徑分布峰向左移動(dòng),峰對(duì)應(yīng)的粒徑逐漸減小,峰寬逐漸變大,且峰高存在較大程度的降低,說明小顆粒所占的百分?jǐn)?shù)越來越大.

圖1 不同粉磨時(shí)間下水泥熟料顆粒的粒徑分布

不同粉磨時(shí)間下水泥熟料的比表面積見表2.由表可知,隨著粉磨時(shí)間的增加,顆粒的比表面積逐漸增大,熟料中的微小顆粒越來越多,這與圖1中的粒徑分布結(jié)果相吻合.

表2 水泥熟料的比表面積

圖2為累積進(jìn)汞量與孔徑的關(guān)系曲線.由圖可知,水化硬化后,具有不同比表面積S的水泥經(jīng)多次進(jìn)退汞后的有效孔隙率不同.對(duì)于比表面積為1.19和1.78 m2/g的水泥熟料,水泥石的第2,3次進(jìn)退汞曲線基本一致,因此,二次進(jìn)汞可以有效表征孔結(jié)構(gòu)特征,且進(jìn)汞曲線與退汞曲線之間的遲滯現(xiàn)象隨壓汞次數(shù)的增加而減弱;其原因在于,第1次進(jìn)汞后墨水瓶孔被水銀填充,墨水瓶效應(yīng)的影響減弱,從而使第2,3次進(jìn)退汞曲線基本一致,有效孔隙率也基本相同,有效孔隙的體積分?jǐn)?shù)為65%～80%.對(duì)于比表面積為1.95和2.24 m2/g的水泥熟料,在多次進(jìn)退汞后水泥石的孔隙率仍存在較大變化,相鄰2次壓汞曲線差別較大,故無法測(cè)得其有效孔隙.究其原因可能是由于試樣的比表面積較大,在一定的水灰比和齡期條件下水化不充分,水泥石強(qiáng)度不高,壓汞產(chǎn)生的較大壓力會(huì)對(duì)內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)造成較大的損傷.

圖2 水泥石累積進(jìn)退汞體積曲線

圖3為具有不同比表面積水泥制備的水泥石的孔徑分布圖.在水泥漿體中,一般存在2種不同的孔體系[4].孔徑分布曲線中,左起第1個(gè)峰值對(duì)應(yīng)毛細(xì)孔的臨界直徑范圍一般在0.01～10 μm;第2個(gè)峰值對(duì)應(yīng)凝膠孔的臨界孔徑,在壓汞測(cè)試中該值一般為0.02～0.04 μm.由圖3可知,對(duì)于具有不同比表面積的水泥熟料,水泥石在第1次壓汞時(shí),孔徑分布曲線上均會(huì)出現(xiàn)2個(gè)峰值.相對(duì)于第1次進(jìn)汞而言,第2次進(jìn)汞時(shí)的毛細(xì)孔峰值和凝膠孔峰值均明顯降低,說明墨水瓶效應(yīng)對(duì)2種孔均存在影響.對(duì)于比表面積為1.19和1.78 m2/g的試樣,第2,3次進(jìn)汞時(shí)的孔徑分布曲線基本重合,說明采用二次進(jìn)汞的方法可以有效表征這種水泥石的孔隙特征.反復(fù)壓汞后,所有試樣的毛細(xì)孔峰高均會(huì)降低,峰對(duì)應(yīng)的孔徑均變大,峰寬變寬.究其原因在于,壓汞時(shí)(尤其是凝膠孔進(jìn)汞時(shí))較大的壓力會(huì)使毛細(xì)管變大.對(duì)于比表面積為1.95和2.24 m2/g的水泥,水泥石的毛細(xì)孔最終消失,其原因在于,水泥的比表面積較大,水化時(shí)需要的水較多,若水泥無法得到充分水化,水泥石強(qiáng)度不夠,則會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)孔最終被壓壞.

圖3 水泥石孔徑分布

此外,在水泥石孔徑大于100 μm的部位,也存在一定的孔徑分布(圖3中圓圈標(biāo)出).這些孔可能是攪拌過程中進(jìn)入材料內(nèi)部的氣孔,只有在真空下攪拌才可以避免其產(chǎn)生.在孔累積分布曲線上,這些孔并未表現(xiàn)出來.當(dāng)壓力達(dá)到閾值時(shí),這些氣泡會(huì)被注入水銀,并被當(dāng)作微孔記錄下來[9-10].

3 結(jié)論

1) 在一定的水灰比和齡期的條件下,對(duì)于比表面積較小的水泥熟料,可以采用二次進(jìn)汞的方法將水泥石的有效孔隙和墨水瓶效應(yīng)孔隙區(qū)分開來.

2) 墨水瓶效應(yīng)對(duì)毛細(xì)孔和凝膠孔均存在影響.壓汞會(huì)產(chǎn)生較大的壓力,破壞毛細(xì)孔,導(dǎo)致峰值對(duì)應(yīng)的孔徑變大.當(dāng)水泥比表面積增加時(shí),水化需水量增多,在一定水灰比條件下水化不充分,導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度不高,毛細(xì)孔被壓壞,最終消失.

3) 在攪拌水泥石的過程中會(huì)引入氣泡,運(yùn)用反復(fù)壓汞法無法排除氣泡測(cè)量結(jié)果的影響.氣泡在孔徑分布曲線而非累積分布曲線上出現(xiàn),說明氣泡在累積分布曲線上被當(dāng)成微孔記錄下來.

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