養(yǎng)護溫度對礦粉水泥石強度及細觀結(jié)構(gòu)影響研究

田林杰,王起才,2,鄧 曉,王 斐

(1.蘭州交通大學,蘭州 730070；2.道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070)

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養(yǎng)護溫度對礦粉水泥石強度及細觀結(jié)構(gòu)影響研究

田林杰1,王起才1,2,鄧 曉1,王 斐1

(1.蘭州交通大學,蘭州 730070；2.道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070)

為研究不同養(yǎng)護溫度下礦粉水泥石早期(28 d)強度及細觀孔結(jié)構(gòu)分布特征,設(shè)定水泥石的水灰比為0.24,以摻入不等量的礦粉為摻合料,分別將水泥試塊在-3 ℃和20 ℃條件下養(yǎng)護28 d,測定水泥石的抗壓強度,用孔結(jié)構(gòu)分析儀對細觀孔結(jié)構(gòu)進行分析,并通過水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)計算水泥石的實際抗壓強度,對比分析其規(guī)律。結(jié)果表明：礦粉摻量相同時,-3 ℃養(yǎng)護下水泥石較20 ℃養(yǎng)護下水泥石早期抗壓強度明顯降低,水泥石硬化后含氣量變小,孔間距系數(shù)和氣孔平均弦長增大,孔徑粗化嚴重；隨著礦粉摻量的增多,水泥石早期抗壓強度呈下降趨勢,水泥石硬化后含氣量增大,孔間距系數(shù)和氣孔平均弦長增大,其中-3 ℃養(yǎng)護下的水泥石孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長和早期抗壓強度變化趨勢較20 ℃養(yǎng)護下變化明顯。

水泥石； 養(yǎng)護溫度； 礦粉摻量； 抗壓強度； 孔結(jié)構(gòu)

1 引 言

參與水泥水化需要的結(jié)合水約占水泥重量的25%,由于實際施工的需要,常加入約占水泥重量40%的水[1],水泥石凝結(jié)硬化后,隨著多余游離水的蒸發(fā),會出現(xiàn)不同數(shù)量孔徑的毛細孔。這些孔孔隙分布錯綜復雜,孔形各異,直接影響水泥石物理性能及其耐久性,如強度、滲透性、抗凍性、耐蝕性、徐變等[2]。1985年Roelfstra[3]將“細觀”這一概念引入到水泥基材料力學性能的研究當中,Mehta等[4]指出水泥石的滲透性受孔徑分布與連通狀態(tài)的影響,Van Mier[5]將水泥基材料的力學行為研究劃分為宏觀、細觀和微觀三個不同的尺度水平,并采用宏、細、微三個尺度相結(jié)合的方法研究其變形力學響應(yīng)特征[6]。目前,孔型、孔徑分布、孔的狀態(tài)及其測試與評價已成為水泥基材料科學研究的重要內(nèi)容,張楚漢[7]指出充分掌握和分析現(xiàn)代材料科學的微觀組分及其排列結(jié)構(gòu)是深入了解其物理性能和破損機理的關(guān)鍵。

凍土一般是指溫度在0 ℃或0 ℃以下,并含有冰的各種巖土和土壤[8]。我國有相當大的地區(qū)位于嚴寒地區(qū),如東北、西北及青藏高原等存在大量多年凍土的地區(qū),常年處于負溫狀態(tài),這些地區(qū)澆筑的結(jié)構(gòu)物尤其是深埋地下的樁基等,澆筑后即在負溫狀態(tài)下養(yǎng)護[9],故其宏觀性能和細觀孔結(jié)構(gòu)還受到低溫的影響。目前多年凍土層中灌注樁水泥基材料早期細觀結(jié)構(gòu)變化機理有待于深入研究,特別是在定量方面的研究更是如此[10]。為研究不同養(yǎng)護溫度下水泥石早期抗壓強度及細觀孔結(jié)構(gòu)分布特征,設(shè)定水泥石水灰比為0.24,以養(yǎng)護溫度及礦粉摻量為變量,對比研究水泥石在不同條件下宏觀性能及細觀孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

試驗水泥采用甘肅永登祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,水泥比表面積為326 m2/kg,初凝時間為185 min,終凝時間為325 min,其他各指標均滿足規(guī)范《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T_1346-2011)要求。試驗摻合料采用S95級礦粉,其比表面積為440 m2/kg,活性指數(shù)7 d為94%,28 d為102%,其它各項性能指標均滿足要求,試驗用水采用自來水。

2.2 試驗配合比

表1 試驗配合比Tab.1 Mix ratio of test

圖1 試驗設(shè)備 (a)人工氣候模擬試驗箱;(b)溫度巡檢儀Fig.1 Test equipment

試驗水泥試塊采用0.24的水灰比,摻合料為S95級礦粉。試驗所用材料的配合比見表1。

根據(jù)表1中的配合比,用攪拌鍋和三聯(lián)模具,制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的水泥試塊。水泥試塊入模后,一半直接放入溫度為(-3±0.2) ℃,相對濕度為95%的大氣模擬箱中帶模養(yǎng)護,5 d后小心脫模,繼續(xù)在人工氣候模擬試驗箱中養(yǎng)護,試驗箱溫度控制選用溫度巡檢儀。一半直接放入溫度為20 ℃,相對濕度為95%的標養(yǎng)室中養(yǎng)護。人工氣候模擬箱和溫度巡檢儀如圖1所示。

2.3 試驗方法

2.3.1 水泥試塊編號

將-3 ℃養(yǎng)護下的水泥石試塊標號F,20 ℃養(yǎng)護下的水泥試塊標號為C,以S0、S1、S2、S3代表不同的礦粉摻量,具體試塊標號見表2。

表2 試塊標號表Tab.2 Test block label

2.3.2 強度測試

參照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB/17671-1999)中水泥膠砂試件抗壓強度檢測方法(ISO) ,以三組水泥試塊為一組,進行抗壓試驗。

2.3.3 孔結(jié)構(gòu)測試

將養(yǎng)護后的水泥試塊切割成厚度為1～2 cm的片狀結(jié)構(gòu),經(jīng)打磨拋光后,涂上粒徑小于10 μm的白色碳酸鈉填充氣泡,用小刀和毛巾抹平,待試塊干燥后用孔結(jié)構(gòu)分析儀(Rapid Air型)進行孔結(jié)構(gòu)分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥石28 d抗壓強度

不同養(yǎng)護溫度下,礦粉摻量不同的水泥石28 d抗壓強度如表3所示。

表3 水泥石抗壓強度Tab.3 The compressive strength of cement blocks

由表3可以看出,不同養(yǎng)護溫度下,水泥石早期抗壓強度CS0>FS0,CS1>FS1,CS2>FS2,CS3>FS3。因此,養(yǎng)護溫度影響著水泥石早期抗壓強度,即影響著水泥石水泥水化程度。主要原因是,水泥水化是新生成物逐漸產(chǎn)生的過程,新生成物的體積大于熟料中未水化礦物質(zhì)的體積[11],填充在水泥顆粒之間的孔隙中,使得水泥石孔隙結(jié)構(gòu)變得密實,隨著養(yǎng)護溫度的升高,水泥石水泥水化程度加快,常溫養(yǎng)護下水泥石孔隙結(jié)構(gòu)較負溫養(yǎng)護下密實,所以20 ℃養(yǎng)護下水泥石的早期抗壓強度大于-3 ℃養(yǎng)護下水泥石早期抗壓強度。

當?shù)V粉摻量不同時,由表3可知,水泥石抗壓強度FS0>FS1>FS2>FS3,CS0>CS1>CS2>CS3,FS0抗壓強度較FS3高14.74 MPa,CS0抗壓強度較CS3高12.44 MPa。結(jié)果表明,隨著礦粉摻量的增多,不同養(yǎng)護溫度下水泥石早期抗壓強度呈下降趨勢,且-3 ℃養(yǎng)護下水泥石早期抗壓強度下降趨勢更明顯。主要原因是,雖然礦粉是一種具有一定潛在水化特性的輔助性膠凝材料,能發(fā)生二次水化反應(yīng)且具有微集料效應(yīng),但礦粉的水化反應(yīng)滯后于水泥的水化反應(yīng)[12],因此當加入的礦粉取代了等量水泥時,實質(zhì)上是增大了水泥試塊早期的水灰比,水灰比對引氣有一定影響,水灰比越大,可用于形成氣泡的水量相對增多,氣泡的形成變得較為容易,同時負溫養(yǎng)護下水泥石水泥水化程度更加緩慢,粘度較小也使氣泡更易形成[13],從而使得水泥石結(jié)構(gòu)變得疏松,強度下降。因此,隨著礦粉摻入量的增多,不同養(yǎng)護溫度下水泥石早期抗壓強度呈下降趨勢。

3.2 水泥石細觀孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測試結(jié)果分析

3.2.1 水泥石細觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

選取編號為FS0、FS3、CS0、CS3的水泥石微觀掃描孔結(jié)構(gòu)圖為例,孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水泥石的孔結(jié)構(gòu)Fig.2 The pore structure of cement block (a)pore structure diagram of FS0;(b)pore structure diagram of CS0; (c)pore structure diagram of FS3;(d)pore structure diagram of CS3

不同養(yǎng)護溫度下,礦粉摻量不同的水泥石硬化后含氣量、孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長和孔徑分布情況如圖3～圖6所示。

圖3 水泥石硬化后含氣量Fig.3 Pore volume of cement block after harding

圖4 水泥石孔間距系數(shù)Fig.4 Bubbles spacing factor of cement block

圖5 水泥石氣孔平均弦長Fig.5 Average chord length of cement block

圖6 水泥石孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of cement block

3.2.2 養(yǎng)護溫度及礦粉摻量對水泥石早期細觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

(1)水泥石硬化后含氣量

由圖3可知,在礦粉摻量相同時,不同養(yǎng)護溫度下,水泥石養(yǎng)護28 d含氣量CS0>FS0,CS1>FS1,CS2>FS2,CS3>FS3,表明養(yǎng)護溫度越高,水泥石硬化后含氣量越高,主要原因是養(yǎng)護溫度越高,水泥石養(yǎng)護過程中空隙中的水蒸發(fā)越多,導致水泥石硬化后含氣量增大。

-3 ℃養(yǎng)護下水泥石硬化后含氣量FS0

(2)孔間距系數(shù)

-3 ℃養(yǎng)護下,FS0、FS1、FS2、FS3的孔間距系數(shù)分別為0.212 mm、0.336 mm、0.426 mm、0.509 mm,分別為20 ℃養(yǎng)護下CS0、CS1、CS2、CS3的1.54、2.05、2.56、2.20倍。主要原因是,-3 ℃養(yǎng)護下,水泥石中的一部分水與水泥石中的鹽混合成鹽溶液使得冰點降低未凍結(jié),而另一部分水則凍結(jié)成冰,產(chǎn)生的膨脹內(nèi)應(yīng)力使得水泥石孔隙結(jié)構(gòu)變得疏松不密實,所以-3 ℃較20 ℃養(yǎng)護下水泥石孔間距系數(shù)變大。

由表4可知,在養(yǎng)護溫度一定時,水泥石孔間距系數(shù)FS0

(3)氣孔平均弦長

經(jīng)測試,-3 ℃養(yǎng)護水泥石FS0、FS1、FS2、FS3的氣孔平均弦長分別為0.059 mm、0.135 mm、0.159 mm、0.189 mm,FS3的氣孔平均弦長較FS0大0.13 mm；20 ℃養(yǎng)護水泥石CS0、CS1、CS2、CS3的氣孔平均弦長分別為0.036 mm、0.129 mm、0.133 mm、0.142 mm,CS3的氣孔平均弦長較CS0大0.106 mm。由此可見,-3 ℃養(yǎng)護下水泥石氣孔平均弦長是20 ℃養(yǎng)護下的1.0～1.6倍,且隨著礦粉摻量的增多,氣孔平均弦長呈增大趨勢。主要原因和孔間距系數(shù)發(fā)展原因相同,20 ℃養(yǎng)護下水泥水化反應(yīng)較-3 ℃養(yǎng)護下充分,且礦粉取代水泥的量越少,前期水泥水化反應(yīng)程度越充分,水泥石孔結(jié)構(gòu)更加密實,大孔數(shù)量變少,小孔數(shù)量增多,氣孔平均弦長減小。

(4)孔徑分布

由圖6可知,孔徑大于200 μm的孔所占總孔體積情況為,FS0>CS0,FS1>CS1,FS2>CS2,FS3>CS3,孔徑小于20 μm的孔所占總孔體積情況為,FS0

水泥石孔隙中,數(shù)量較多的孔分布在50～200 μm范圍內(nèi)。FS0、FS1、FS2、FS3的孔徑范圍在50～200 μm之間的孔所占總孔體積分別為39.31%、41.08%、44.62%、45.93%,CS0、CS1、CS2、CS3的孔徑范圍在50～200 μm之間的孔所占總孔體積分別為35.85%、36.42%、37.66%、38.02%,由此可見,隨著礦粉摻量的增加和養(yǎng)護溫度的降低,水泥石孔隙中數(shù)量較多的孔所占總孔體積的比例呈增大趨勢,大于200 μm的孔數(shù)量增多,小于20 μm的孔數(shù)量減少,水泥石孔徑粗化嚴重,主要原因是,由上述分析可知,礦粉摻量的增大使得水泥石硬化后含氣量、孔間距系數(shù)和氣孔平均弦長均增大,而負溫下養(yǎng)護的水泥石,部分水的結(jié)冰膨脹應(yīng)力[15]使得水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松,在這種情況下水泥試塊內(nèi)部就會形成許多微裂縫,而且已凍結(jié)的水推動未凍結(jié)的水沿著這些裂縫遷移,在裂縫中繼續(xù)結(jié)冰,促進裂縫擴展,使得孔徑粗化愈嚴重,所以對水泥石孔結(jié)構(gòu)孔徑分布更為不利。

4 實際強度計算分析

圖7 水泥石氣孔排列Fig.7 Pore arrangement of cement block

在探討水泥石宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系中,水泥石抗壓強度與細觀孔結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是很重要的一個方面,目前的研究方法廣泛采用模型法,通過建立一種理想的模型來研究原型本身本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系的關(guān)系。水泥石實際強度計算時,假設(shè)其內(nèi)部為均勻連續(xù)體,且內(nèi)部各點性質(zhì)相同。

假定水泥石氣孔按照梅花樁式排列,且分散均勻,如圖7所示。水泥石受壓時,最先破裂面即是水泥石實際受力面積最小的平面,假定氣孔半徑為r,氣孔孔間距系數(shù)為d,水泥石受壓截面為正方形,邊長為L。則,

(a)

(b)

(c)

水泥石受壓時,受壓平面最小面積為：Amin=L2-nπr2

(d)

水泥石發(fā)生受壓破壞時,最小面積平面平均應(yīng)力為：

(e)

將表3、圖4和圖5中的數(shù)據(jù)帶入式(e),計算得出水泥石實際抗壓強度如表4所示。

表4 水泥石實際抗壓強度Tab.4 Actual compressive strength of cement block

由表3及表4可知,每當?shù)V粉摻量增大10%時,-3 ℃養(yǎng)護下水泥石FS0、FS1、FS2早期抗壓強度分別降低11.54%、9.44%、12.45%,20 ℃養(yǎng)護下水泥石CS0、CS1、CS2早期抗壓強度分別降低9.02%、6.44%、5.58%。當?shù)V粉摻量相同時,20℃養(yǎng)護下水泥石CS0、CS1、CS2、CS3早期抗壓強度分別是-3 ℃養(yǎng)護下水泥石FS0、FS1、FS2、FS3早期抗壓強度的1.63、1.68、1.73、1.87倍。

4 結(jié) 論

(1)養(yǎng)護溫度的降低對水泥石水泥水化反應(yīng)不利,使水泥石孔徑粗化較嚴重。相同礦粉摻量時,-3 ℃養(yǎng)護下水泥石孔間距系數(shù)是20 ℃養(yǎng)護下的1.5～2.5倍,氣孔平均弦長前者為后者1.0～1.6倍,硬化后含氣量后者為前者的1.7～2.7倍,水泥石早期抗壓強度后者為前者的1.6～1.8倍。

(2)礦粉的加入延緩了水泥石早期水泥水化進程,每當?shù)V粉摻量增加10%,-3 ℃養(yǎng)護下水泥石硬化后含氣量增大0.17～0.35倍,孔間距系數(shù)增大0.19～0.58倍,氣孔平均弦長增大0.18～0.30倍,早期抗壓強度下降9.4%～12.5%；20 ℃養(yǎng)護下水泥石硬化后含氣量增大0.37～0.58倍,孔間距系數(shù)增大0.19～0.39倍,氣孔平均弦長增大倍0.10～0.20倍,早其抗壓強度下降5.6%～9.0%。

(3)-3℃養(yǎng)護下,隨著礦粉摻入量的變化,水泥石的孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長和早期抗壓強度的變化趨勢較20 ℃養(yǎng)護下變化明顯,而水泥石硬化后含氣量的變化趨勢,20 ℃養(yǎng)護下變化較-3 ℃養(yǎng)護下變化明顯。

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Effect of Curing Temperature on the Strength and Microstructure of Slag Cement Block

TIANLin-jie1,WANGQi-cai1,2,DENGXiao1,WANGFei1

(1.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control,Lanzhou 730070,China)

In order to study the early(28 d) strength and distribution of pore microstructure characteristics of slag cement block under different curing temperature, the water cement ratio of the cement block was 0.24, doped with different amounts of slag as admixture to the cement block, the cement blocks were maintained at minus three degrees Celsius and twenty degrees Celsius for twenty-eight days respectively,measure the compressive strength of cement block, analysis of the early pore structure of cement block by using the pore structure analyzer, then through the pore structure of cement block calculate the actual strength of cement blocke, comparative analysis of its law. The results show that:at the same amount of slag, the early compressive strength of the cement blocks at minus three degrees Celsius curing temperature is decreased significantly than at twenty degrees Celsius curing temperature, hardened cement air containing volume becomes small, the bubbles spacing factor and average pore chord length increase, pore coarsening seriously; With the increase of slag amount, the early compressive strength of cement block is decreased, hardened cement air containing volume increases, the bubbles spacing factor and average pore chord length increase,the bubbles spacing factor, average pore chord length and early compressive strength of cement blocks at minus three degrees Celsius curing temperature change trend is more obviously than at twenty degrees Celsius.

cement block;curing temperature;content of slag;compressive strength;pore structure

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃滾動支持(IRT15R29)

田林杰(1992-),男,碩士研究生.主要從事土木工程材料方面的研究.

王起才,教授,博導.

TU528.041

A

1001-1625(2016)09-3066-06