高性能水泥干縮的測試方法及機理研究.pdf

1、目前，全社會對水泥混凝土工程質(zhì)量要求不斷提高，對其生產(chǎn)的高消耗（能源和自然資源）、高環(huán)境負荷問題十分關(guān)注。為使水泥混凝土材料走可持續(xù)發(fā)展之路，國家將“高性能水泥制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”列入973重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃的研究項目。 水泥混凝土處于低濕的環(huán)境下因失水而導(dǎo)致體積收縮稱為干縮。干縮是引起水泥混凝土開裂的最主要原因之一，干縮裂縫導(dǎo)致水泥混凝土耐久性下降，有時甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。混凝土的干縮主要是由水泥漿體引起的。因此，研究水泥的

2、干縮特征及機理，建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對于指導(dǎo)高性能水泥的制備與生產(chǎn)具有十分重要的意義。 論文以砂漿為研究對象，首先從幾個方面以現(xiàn)行標準JC/T法作對比研究并確定了合理的、方便的水泥砂漿干縮改進試驗方法（以下均稱為改進法）。以改進法測定干縮，同時結(jié)合TG-DSC、化學結(jié)合水測定、孔結(jié)構(gòu)測定、NMR、IR等現(xiàn)代化測試方法，研究了影響水泥干縮的各種主要因素及原因，研究了高C3S水泥系統(tǒng)的強度、干燥收縮動力學及干燥收縮過程，研究了水泥石的

3、結(jié)構(gòu)、組成與干縮性能的關(guān)系（干燥收縮機理），提出了降低水泥基材料干縮開裂的措施。主要結(jié)論如下： JC/T法與改進法兩種方法測得的水泥砂漿干縮率是線性相關(guān)的；改進法測得的水泥砂漿28 d干縮率與水泥3 d強度之間相關(guān)性更明顯；改進法測得的水泥砂漿干縮與以同種水泥配制的混凝土干縮之間成二次多項式相關(guān)，可根據(jù)其與混凝土干縮之間的關(guān)系，預(yù)測混凝土的干縮。改進法不僅可以節(jié)省時間和節(jié)約原料，還可以減少系統(tǒng)誤差和人為誤差。 水泥石基體

4、參數(shù)對水泥砂漿的干縮影響很大。砂漿的干縮隨水灰比增大而增大，這種影響在水灰比小于0.5時明顯，而水灰比大于0.5時不明顯。砂漿的干縮隨膠砂比增大明顯增大。砂漿的干縮隨水泥細度（比表面積）提高而增大。粉煤灰替代水泥后可明顯減少水泥砂漿的在各齡期的干縮，且水泥砂漿的干縮率隨粉煤灰替代量增加線性減少；高摻量粉煤灰水泥的干縮在早期（21 d）就達到穩(wěn)定值。礦渣微粉替代水泥后對水泥的干縮的影響與粉煤灰類似，但無粉煤灰明顯。硅灰部分替代水泥后增大水

5、泥的干縮，且隨其替代量增加，水泥的干縮增大。在同一水泥系統(tǒng)內(nèi)（熟料礦物確定），高標號水泥的干縮高于低標號水泥的干縮；而當水泥標號相同時，不同品種的硅酸鹽水泥砂漿的干縮大小順序為P. II>P. F >P. S。在不同的水泥系統(tǒng)內(nèi)（熟料礦物組成不同），在強度相當時，高C3S系統(tǒng)的水泥的干縮明顯小于普通C3S系統(tǒng)的；在比表面積相當時，高C3S系統(tǒng)的水泥的早期強度高于普通C3S的強度時，高C3S系統(tǒng)的水泥的干縮仍小于普通C3S系統(tǒng)的水泥的干縮

6、。減縮劑顯著減少水泥的干縮。所用的各種功能的減水劑中多數(shù)都或多或少地增加水泥砂漿的干縮。本實驗條件下膨脹劑沒能很好地抑制水泥砂漿的干縮。 環(huán)境條件對水泥的干縮有重要的影響。硅酸鹽水泥砂漿的干縮隨干燥前養(yǎng)護時間的延長而增大，但這種影響在養(yǎng)護時間大于3 d后不明顯。當粉煤灰或礦渣微粉替代量較低時（0～20％），干燥前經(jīng)60 ℃水養(yǎng)護的水泥砂漿的干縮率在各齡期均小于經(jīng)20 ℃水養(yǎng)護的水泥砂漿的干縮率（替代量為0的硅酸鹽水泥的十分明顯）

7、；當其替代量較高時，經(jīng)60 ℃養(yǎng)護的水泥砂漿的干縮率大于經(jīng)20 ℃養(yǎng)護的水泥砂漿的干縮率。硅酸鹽水泥的干縮隨環(huán)境濕度升高而減小。環(huán)境風速增大，水泥的早期干縮增大。 高C3S水泥具有較高的強度和較小的干縮，可大量利用粉煤灰（摻量可達40％）。普通C3S水泥只有在很高的比表面積時，3 d和28 d強度才和高C3S水泥相當，但其干縮比高C3S水泥大得多。從節(jié)約能源、利用資源和提高水泥基材料耐久性出發(fā)，應(yīng)發(fā)展高C3S水泥系統(tǒng)。

8、高C3S水泥系統(tǒng)在實驗條件下（20 ℃，50％ RH和20 ℃，40％ RH），在3-60 d齡期內(nèi)處于明顯的收縮階段，其收縮速率不同，可分為三個階段：收縮速率較快的收縮減速階段 ，收縮速率較慢的收縮減速階段 和收縮速率幾乎不變的穩(wěn)態(tài)收縮階段 。提出了高C3S水泥系統(tǒng)的干燥收縮過程假設(shè)：開始時（3-14 d）主要是相對蒸汽壓較高的孔徑較大的孔失水導(dǎo)致收縮，接著（14-28 d）主要是相對蒸汽壓較小的孔徑較小的孔失水導(dǎo)致收縮，接著（28-

9、60 d）則主要是水泥石失去吸附結(jié)合水導(dǎo)致收縮。 干縮的大小與干燥前水泥石的孔結(jié)構(gòu)、水化速度（已水化的膠凝材料的量、水化產(chǎn)物的數(shù)量）、水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與表面性能有關(guān)。所有影響干縮的因素，都可歸結(jié)為對水泥石的結(jié)構(gòu)、組成的影響?？赡娓煽s取決于水化產(chǎn)物的數(shù)量與C-S-H凝膠的表面性能與化學結(jié)構(gòu)，隨孔徑≤30 nm的孔體積增加線性增加。不可逆干縮主要與C-S-H凝膠的化學結(jié)構(gòu)與表面性能有關(guān)，其硅酸鹽聚合度越高，表面積越小，不可逆干縮越小。