养护温度对矿粉水泥石强度及细观结构影响研究

田林杰,王起才,2,邓 晓,王 斐

(1.兰州交通大学,兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)



养护温度对矿粉水泥石强度及细观结构影响研究

田林杰1,王起才1,2,邓 晓1,王 斐1

(1.兰州交通大学,兰州 730070；2.道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，兰州 730070)

为研究不同养护温度下矿粉水泥石早期(28 d)强度及细观孔结构分布特征,设定水泥石的水灰比为0.24,以掺入不等量的矿粉为掺合料,分别将水泥试块在-3 ℃和20 ℃条件下养护28 d,测定水泥石的抗压强度,用孔结构分析仪对细观孔结构进行分析,并通过水泥石的孔隙结构计算水泥石的实际抗压强度,对比分析其规律。结果表明：矿粉掺量相同时,-3 ℃养护下水泥石较20 ℃养护下水泥石早期抗压强度明显降低,水泥石硬化后含气量变小,孔间距系数和气孔平均弦长增大,孔径粗化严重；随着矿粉掺量的增多,水泥石早期抗压强度呈下降趋势,水泥石硬化后含气量增大,孔间距系数和气孔平均弦长增大,其中-3 ℃养护下的水泥石孔间距系数、气孔平均弦长和早期抗压强度变化趋势较20 ℃养护下变化明显。

水泥石； 养护温度； 矿粉掺量； 抗压强度； 孔结构

1 引 言

参与水泥水化需要的结合水约占水泥重量的25%,由于实际施工的需要,常加入约占水泥重量40%的水[1],水泥石凝结硬化后,随着多余游离水的蒸发,会出现不同数量孔径的毛细孔。这些孔孔隙分布错综复杂,孔形各异,直接影响水泥石物理性能及其耐久性,如强度、渗透性、抗冻性、耐蚀性、徐变等[2]。1985年Roelfstra[3]将“细观”这一概念引入到水泥基材料力学性能的研究当中,Mehta等[4]指出水泥石的渗透性受孔径分布与连通状态的影响,Van Mier[5]将水泥基材料的力学行为研究划分为宏观、细观和微观三个不同的尺度水平,并采用宏、细、微三个尺度相结合的方法研究其变形力学响应特征[6]。目前,孔型、孔径分布、孔的状态及其测试与评价已成为水泥基材料科学研究的重要内容,张楚汉[7]指出充分掌握和分析现代材料科学的微观组分及其排列结构是深入了解其物理性能和破损机理的关键。

冻土一般是指温度在0 ℃或0 ℃以下,并含有冰的各种岩土和土壤[8]。我国有相当大的地区位于严寒地区,如东北、西北及青藏高原等存在大量多年冻土的地区,常年处于负温状态,这些地区浇筑的结构物尤其是深埋地下的桩基等,浇筑后即在负温状态下养护[9],故其宏观性能和细观孔结构还受到低温的影响。目前多年冻土层中灌注桩水泥基材料早期细观结构变化机理有待于深入研究,特别是在定量方面的研究更是如此[10]。为研究不同养护温度下水泥石早期抗压强度及细观孔结构分布特征,设定水泥石水灰比为0.24,以养护温度及矿粉掺量为变量,对比研究水泥石在不同条件下宏观性能及细观孔结构变化规律。

2 试 验

2.1 试验原材料

试验水泥采用甘肃永登祁连山水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥,水泥比表面积为326 m2/kg,初凝时间为185 min,终凝时间为325 min,其他各指标均满足规范《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T_1346-2011)要求。试验掺合料采用S95级矿粉,其比表面积为440 m2/kg,活性指数7 d为94%,28 d为102%,其它各项性能指标均满足要求,试验用水采用自来水。

2.2 试验配合比

表1 试验配合比Tab.1 Mix ratio of test

图1 试验设备 (a)人工气候模拟试验箱;(b)温度巡检仪Fig.1 Test equipment

试验水泥试块采用0.24的水灰比,掺合料为S95级矿粉。试验所用材料的配合比见表1。

根据表1中的配合比,用搅拌锅和三联模具,制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的水泥试块。水泥试块入模后,一半直接放入温度为(-3±0.2) ℃,相对湿度为95%的大气模拟箱中带模养护,5 d后小心脱模,继续在人工气候模拟试验箱中养护,试验箱温度控制选用温度巡检仪。一半直接放入温度为20 ℃,相对湿度为95%的标养室中养护。人工气候模拟箱和温度巡检仪如图1所示。

2.3 试验方法

2.3.1 水泥试块编号

将-3 ℃养护下的水泥石试块标号F,20 ℃养护下的水泥试块标号为C,以S0、S1、S2、S3代表不同的矿粉掺量,具体试块标号见表2。

表2 试块标号表Tab.2 Test block label

2.3.2 强度测试

参照《水泥胶砂强度检测方法》(GB/17671-1999)中水泥胶砂试件抗压强度检测方法(ISO) ,以三组水泥试块为一组,进行抗压试验。

2.3.3 孔结构测试

将养护后的水泥试块切割成厚度为1～2 cm的片状结构,经打磨抛光后,涂上粒径小于10 μm的白色碳酸钠填充气泡,用小刀和毛巾抹平,待试块干燥后用孔结构分析仪(Rapid Air型)进行孔结构分析。

3 结果与讨论

3.1 水泥石28 d抗压强度

不同养护温度下,矿粉掺量不同的水泥石28 d抗压强度如表3所示。

表3 水泥石抗压强度Tab.3 The compressive strength of cement blocks

由表3可以看出,不同养护温度下,水泥石早期抗压强度CS0>FS0,CS1>FS1,CS2>FS2,CS3>FS3。因此,养护温度影响着水泥石早期抗压强度,即影响着水泥石水泥水化程度。主要原因是,水泥水化是新生成物逐渐产生的过程,新生成物的体积大于熟料中未水化矿物质的体积[11],填充在水泥颗粒之间的孔隙中,使得水泥石孔隙结构变得密实,随着养护温度的升高,水泥石水泥水化程度加快,常温养护下水泥石孔隙结构较负温养护下密实,所以20 ℃养护下水泥石的早期抗压强度大于-3 ℃养护下水泥石早期抗压强度。

当矿粉掺量不同时,由表3可知,水泥石抗压强度FS0>FS1>FS2>FS3,CS0>CS1>CS2>CS3,FS0抗压强度较FS3高14.74 MPa,CS0抗压强度较CS3高12.44 MPa。结果表明,随着矿粉掺量的增多,不同养护温度下水泥石早期抗压强度呈下降趋势,且-3 ℃养护下水泥石早期抗压强度下降趋势更明显。主要原因是,虽然矿粉是一种具有一定潜在水化特性的辅助性胶凝材料,能发生二次水化反应且具有微集料效应,但矿粉的水化反应滞后于水泥的水化反应[12],因此当加入的矿粉取代了等量水泥时,实质上是增大了水泥试块早期的水灰比,水灰比对引气有一定影响,水灰比越大,可用于形成气泡的水量相对增多,气泡的形成变得较为容易,同时负温养护下水泥石水泥水化程度更加缓慢,粘度较小也使气泡更易形成[13],从而使得水泥石结构变得疏松,强度下降。因此,随着矿粉掺入量的增多,不同养护温度下水泥石早期抗压强度呈下降趋势。

3.2 水泥石细观孔结构特征参数测试结果分析

3.2.1 水泥石细观孔结构参数

选取编号为FS0、FS3、CS0、CS3的水泥石微观扫描孔结构图为例,孔结构如图2所示。

图2 水泥石的孔结构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

不同养护温度下,矿粉掺量不同的水泥石硬化后含气量、孔间距系数、气孔平均弦长和孔径分布情况如图3～图6所示。

图3 水泥石硬化后含气量Fig.3 Pore volume of cement block after harding

图4 水泥石孔间距系数Fig.4 Bubbles spacing factor of cement block

图5 水泥石气孔平均弦长Fig.5 Average chord length of cement block

图6 水泥石孔径分布Fig.6 Pore size distribution of cement block

3.2.2 养护温度及矿粉掺量对水泥石早期细观孔结构参数影响

(1)水泥石硬化后含气量

由图3可知,在矿粉掺量相同时,不同养护温度下,水泥石养护28 d含气量CS0>FS0,CS1>FS1,CS2>FS2,CS3>FS3,表明养护温度越高,水泥石硬化后含气量越高,主要原因是养护温度越高,水泥石养护过程中空隙中的水蒸发越多,导致水泥石硬化后含气量增大。

-3 ℃养护下水泥石硬化后含气量FS0

(2)孔间距系数

-3 ℃养护下,FS0、FS1、FS2、FS3的孔间距系数分别为0.212 mm、0.336 mm、0.426 mm、0.509 mm,分别为20 ℃养护下CS0、CS1、CS2、CS3的1.54、2.05、2.56、2.20倍。主要原因是,-3 ℃养护下,水泥石中的一部分水与水泥石中的盐混合成盐溶液使得冰点降低未冻结,而另一部分水则冻结成冰,产生的膨胀内应力使得水泥石孔隙结构变得疏松不密实,所以-3 ℃较20 ℃养护下水泥石孔间距系数变大。

由表4可知,在养护温度一定时,水泥石孔间距系数FS0

(3)气孔平均弦长

经测试,-3 ℃养护水泥石FS0、FS1、FS2、FS3的气孔平均弦长分别为0.059 mm、0.135 mm、0.159 mm、0.189 mm,FS3的气孔平均弦长较FS0大0.13 mm；20 ℃养护水泥石CS0、CS1、CS2、CS3的气孔平均弦长分别为0.036 mm、0.129 mm、0.133 mm、0.142 mm,CS3的气孔平均弦长较CS0大0.106 mm。由此可见,-3 ℃养护下水泥石气孔平均弦长是20 ℃养护下的1.0～1.6倍,且随着矿粉掺量的增多,气孔平均弦长呈增大趋势。主要原因和孔间距系数发展原因相同,20 ℃养护下水泥水化反应较-3 ℃养护下充分,且矿粉取代水泥的量越少,前期水泥水化反应程度越充分,水泥石孔结构更加密实,大孔数量变少,小孔数量增多,气孔平均弦长减小。

(4)孔径分布

由图6可知,孔径大于200 μm的孔所占总孔体积情况为,FS0>CS0,FS1>CS1,FS2>CS2,FS3>CS3,孔径小于20 μm的孔所占总孔体积情况为,FS0

水泥石孔隙中,数量较多的孔分布在50～200 μm范围内。FS0、FS1、FS2、FS3的孔径范围在50～200 μm之间的孔所占总孔体积分别为39.31%、41.08%、44.62%、45.93%,CS0、CS1、CS2、CS3的孔径范围在50～200 μm之间的孔所占总孔体积分别为35.85%、36.42%、37.66%、38.02%,由此可见,随着矿粉掺量的增加和养护温度的降低,水泥石孔隙中数量较多的孔所占总孔体积的比例呈增大趋势,大于200 μm的孔数量增多,小于20 μm的孔数量减少,水泥石孔径粗化严重,主要原因是,由上述分析可知,矿粉掺量的增大使得水泥石硬化后含气量、孔间距系数和气孔平均弦长均增大,而负温下养护的水泥石,部分水的结冰膨胀应力[15]使得水泥石内部结构变得疏松,在这种情况下水泥试块内部就会形成许多微裂缝,而且已冻结的水推动未冻结的水沿着这些裂缝迁移,在裂缝中继续结冰,促进裂缝扩展,使得孔径粗化愈严重,所以对水泥石孔结构孔径分布更为不利。

4 实际强度计算分析

图7 水泥石气孔排列Fig.7 Pore arrangement of cement block

在探讨水泥石宏观性能与微观结构的关系中,水泥石抗压强度与细观孔结构之间的关系是很重要的一个方面,目前的研究方法广泛采用模型法,通过建立一种理想的模型来研究原型本身本质规律和内在联系的关系。水泥石实际强度计算时,假设其内部为均匀连续体,且内部各点性质相同。

假定水泥石气孔按照梅花桩式排列,且分散均匀,如图7所示。水泥石受压时,最先破裂面即是水泥石实际受力面积最小的平面,假定气孔半径为r,气孔孔间距系数为d,水泥石受压截面为正方形,边长为L。则,

(a)

(b)

(c)

水泥石受压时,受压平面最小面积为：Amin=L2-nπr2

(d)

水泥石发生受压破坏时,最小面积平面平均应力为：

(e)

将表3、图4和图5中的数据带入式(e),计算得出水泥石实际抗压强度如表4所示。

表4 水泥石实际抗压强度Tab.4 Actual compressive strength of cement block

由表3及表4可知,每当矿粉掺量增大10%时,-3 ℃养护下水泥石FS0、FS1、FS2早期抗压强度分别降低11.54%、9.44%、12.45%,20 ℃养护下水泥石CS0、CS1、CS2早期抗压强度分别降低9.02%、6.44%、5.58%。当矿粉掺量相同时,20℃养护下水泥石CS0、CS1、CS2、CS3早期抗压强度分别是-3 ℃养护下水泥石FS0、FS1、FS2、FS3早期抗压强度的1.63、1.68、1.73、1.87倍。

4 结 论

(1)养护温度的降低对水泥石水泥水化反应不利,使水泥石孔径粗化较严重。相同矿粉掺量时,-3 ℃养护下水泥石孔间距系数是20 ℃养护下的1.5～2.5倍,气孔平均弦长前者为后者1.0～1.6倍,硬化后含气量后者为前者的1.7～2.7倍,水泥石早期抗压强度后者为前者的1.6～1.8倍。

(2)矿粉的加入延缓了水泥石早期水泥水化进程,每当矿粉掺量增加10%,-3 ℃养护下水泥石硬化后含气量增大0.17～0.35倍,孔间距系数增大0.19～0.58倍,气孔平均弦长增大0.18～0.30倍,早期抗压强度下降9.4%～12.5%；20 ℃养护下水泥石硬化后含气量增大0.37～0.58倍,孔间距系数增大0.19～0.39倍,气孔平均弦长增大倍0.10～0.20倍,早其抗压强度下降5.6%～9.0%。

(3)-3℃养护下,随着矿粉掺入量的变化,水泥石的孔间距系数、气孔平均弦长和早期抗压强度的变化趋势较20 ℃养护下变化明显,而水泥石硬化后含气量的变化趋势,20 ℃养护下变化较-3 ℃养护下变化明显。

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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

长江学者和创新团队发展计划滚动支持(IRT15R29)

田林杰(1992-),男,硕士研究生.主要从事土木工程材料方面的研究.

王起才,教授,博导.

TU528.041

A

1001-1625(2016)09-3066-06