孔溶液對水泥石干燥收縮的影響及其機理

王春蘭

（重慶建工新型建材有限公司 重慶 400074）

1 緒論

混凝土是當前世界上用量最大的主要建筑結(jié)構(gòu)材料，如何最大限度地克服其性能缺點，尤其如何增強其耐久性已成為當前研究的熱點。變形開裂引起的耐久性問題是最為復雜的問題之一，干燥收縮貫穿于建筑物使用期，是引起變形開裂的重要因素，比較難控制，常引起建筑物外觀乃至結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題。

混凝土的收縮變形主要有：沉降收縮、自縮、碳化收縮、溫度收縮、干燥收縮，另外還有兩個常用的收縮概念是化學收縮和塑性收縮。在五種收縮變形中，干縮是時刻存在的，這是由于混凝土所處的環(huán)境相對濕度是不飽和且隨時間變化的，所以混凝土自澆筑完成后就會有干縮發(fā)生。

混凝土中的水分存在于各種孔隙之中，水泥石中的水大致可以分為自由水、毛細孔水、凝膠水、結(jié)晶水四種形態(tài)。在RH變化時，自由水、毛細孔水和凝膠水都可能失去，從而帶來水泥石的收縮。

本課題通過試驗手段改變水泥石中孔溶液的性質(zhì)，進而測量其干燥收縮和重量損失，研究水泥石收縮變形規(guī)律，探求水泥石收縮變形的本質(zhì)，認知水泥石收縮的機制和機理，為尋找方法抑制混凝土的開裂，提高混凝土的耐久性提供依據(jù)。

2 試驗原材料

2.1 水泥

試驗中所用水泥為重慶地維42.5R級普通硅酸鹽水泥，其水泥化學成分和物理性能見表1。

表1 42.5R級普通水泥的性能

2.2 化學試劑

試驗中用于配制恒定相對濕度的試劑有化學純的鹽 （或者其結(jié)晶水合物）LiBr、CH3COOK、MgCl2、Mg(NO3)2、NaNO3、KCl試劑。

試驗中用于置換孔溶液的試劑均采用分析純的試劑有：Ca(OH)2、CaCl2、NaCl。

用于配制飽和溶液以及試件成型都采用去離子水。

3 孔溶液對水泥石收縮的影響

3.1 置換孔溶液的水泥石收縮、重量損失特點及參考系

置換孔溶液的水泥石的收縮和重量損失大致可以分為三個階段，如圖1所示。

圖1 置換孔溶液的水泥石收縮和重量損失示意圖

為了使所有孔溶液置換試驗結(jié)果有一個合理的參照體系，試驗中設計了一組用氫氧化鈣的“置換”試驗，把這一試驗結(jié)果作為以下真正的孔溶液置換試驗結(jié)果的基準試驗。

水灰比為0.3、0.4、0.5的三種水泥石 （編號分別為1、2、3），室溫下在飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護28d和180d后，置換結(jié)束后分別在RH=84%、74%、54%、33%、22%、8%六個相對濕度下干燥，然后將水泥石試件回泡到飽和氫氧化鈣溶液中，測定整個過程中水泥石的直徑和重量變化。

對試驗結(jié)果分析如下：

1號水泥石的試驗結(jié)果表明，養(yǎng)護28d的試件在置換過程中，沒有明顯的體積和重量變化，這一試驗結(jié)果證明了此時水泥石中孔溶液應為飽和氫氧化鈣溶液。在干燥過程中，試件所處的環(huán)境相對濕度越低，失去的水量越多，水泥石的干燥收縮就越大。在再潤濕過程中，水泥石吸水飽和后，重量與干燥前的重量幾乎能夠完全相等；高相對濕度下干燥產(chǎn)生的干燥收縮也在再潤濕過程中基本能夠完全恢復，低相對濕度下干燥產(chǎn)生的干燥收縮有少量不可恢復收縮。

養(yǎng)護180d的水泥石試件與養(yǎng)護28d的水泥石試件經(jīng)過上述試驗過程重量損失和收縮表現(xiàn)出類似的規(guī)律。與養(yǎng)護28d的水泥石試件相比，養(yǎng)護180d的水泥石試件在干燥過程中的相應的重量損失都變小了，除RH=8%之外，相應的長度損失也變小。在再潤濕過程中，不可恢復收縮也變小了，重量損失變化不大。這些可以解釋為水泥石后期的水化使得水泥石更加密實。

2號、3號水泥石經(jīng)過上述試驗過程，重量損失及收縮變形規(guī)律與水灰比為0.3的水泥石表現(xiàn)的規(guī)律相同。

3.2 飽和置換溶液置換孔溶液的水泥石收縮行為

本文采用飽和NaCl溶液、飽和CaCl2溶液作為置換溶液，置換實驗方法與參照體系相同。

3.2.1 置換溶液為飽和NaCl溶液的水泥石收縮行為

水灰比為0.3的水泥石“置換——干燥——再潤濕”過程，試驗結(jié)果分別如圖2所示。

圖2 W/C=0.3，28d齡期，飽和NaCl溶液置換水泥石不同濕度下的長度損失和重量損失

從圖2所示試驗結(jié)果可知，在置換階段，用飽和NaCl溶液置換出養(yǎng)護28d的水泥石的孔溶液，在置換過程中水泥石發(fā)生微小體積收縮，即圖形的第一段（0～1440min）。在干燥階段，用飽和NaCl溶液置換過孔溶液的水泥石的干燥收縮表現(xiàn)為與基準試件類似的干縮行為。

圖3 W/C=0.3，180d齡期， 飽和NaCl溶液置換水泥石不同濕度下的長度損失和重量損失

從圖3所示試驗結(jié)果可知，用飽和NaCl溶液置換的養(yǎng)護180d的水泥石與養(yǎng)護28d的水泥石經(jīng)“置換——干燥——再潤濕”試驗過程所得規(guī)律基本相同。只是在置換過程中，水泥石的收縮變小。

水灰比為0.4和0.5的水泥石經(jīng)過“置換——干燥——再潤濕”的試驗過程，與水灰比為0.3的水泥石相比：在置換階段收縮變化略有不同，干燥階段和再潤濕階段分別與之對應的階段水泥石的收縮變形規(guī)律一致，重量損失的規(guī)律則完全與之相同。

圖4 飽和NaCl溶液置換過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖4可以看出，在置換過程中，水泥石重量損失為負值，這從側(cè)面說明了飽和NaCl溶液確實與水泥石的孔溶液發(fā)生了置換。隨著水灰比的增大而水泥石增重增大，齡期對重量損失的影響不明顯。水泥石的收縮與水灰比和齡期均有影響，且隨著水灰比的增大，收縮減??；而180d齡期的水泥石體積發(fā)生了膨脹。

圖5 干燥過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖5可以看出，在干燥過程，干縮隨著干燥濕度的增大而減小，近似成線性相關，相同齡期不同水灰比對干燥收縮的影響不大，重量損失也隨著干燥濕度的增大而減小。

圖6 再潤濕過程中不同水泥石的可恢復收縮和重量損失

從圖6可以看出，在再潤濕過程中，可恢復的收縮隨著濕度的增大而減小。

3.2.2 置換溶液為飽和CaCl2溶液時的水泥石收縮行為

相同的實驗方法，把置換溶液換為飽和CaCl2溶液，進行“置換—干燥—再潤濕”的實驗，結(jié)果分別如以下所示(圖7）。

圖7 置換階段飽和CaCl2溶液中不同置換水泥石的收縮和重量損失

從圖7可以得知，置換階段，水灰比和齡期對飽和CaCl2置換的水泥石的收縮和重量損失影響都比較大。28d齡期時，在置換過程中，水灰比0.3、0.4的水泥石重量減小并伴隨較大的收縮，水灰比0.5的水泥石有明顯的增重，并伴隨著體積膨脹。180d齡期的水泥石，重量損失均為負值，即水泥石增重，且隨著水灰比的增大增重越明顯；收縮隨著水灰比的增大而減小，水灰比為0.5時，水泥石體積發(fā)生膨脹。

圖8 干燥過程中不同水泥石的收縮和重量損失

從圖8可以看出，在干燥階段，28d齡期的水泥石，隨著干燥濕度增大重量損失和收縮均減小；水灰比0.3和0.4的水泥石的規(guī)律相近，水灰比0.5水泥石收縮和重量損失比其他2個水灰比的要低，且隨干燥濕度增大變化更大，高濕度下變形太大使得水泥石翹曲、龜裂破壞。180d的水泥石，水灰比對收縮影響不大，重量損失隨著水灰比增大有所增大，高濕度下由于吸濕的緣故，重量損失有些偏離。

圖9 在飽和CaCl2溶液中再潤濕過程中不同水泥石的可恢復收縮和重量損失

從圖9可以得出，隨著干燥濕度的增大，可恢復的重量損失和收縮都減小，水灰比0.4的水泥石可恢復的重量損失和收縮比水灰比0.3的要大；水灰比0.5的水泥石，可恢復的收縮和重量損失比0.4的要大；高濕度干燥的，與水灰比0.3、0.4的相當或更小。

3.2.3 小結(jié)

用無機鹽置換孔溶液的水泥石，其收縮規(guī)律不盡相同。在置換階段，置換溶液對收縮和重量損失的影響較大，低水灰比的時候，置換過程相對比較簡單，而高水灰比的時候，置換過程則比較復雜，原因可能是水灰比較大時，孔徑較大的孔隙比較多，置換溶液在進入置換，經(jīng)過一段時間又使水泥石孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，如孔徑粗化，從而使得更多的溶液進入到水泥石的孔結(jié)構(gòu)中，這種效果是遞減的，經(jīng)過一段時間后最終可以達到平衡。這種效果在高水化時比較明顯。

4 結(jié)論

通過對置換孔溶液的水泥石進行干燥收縮試驗，因置換溶液的不同，水泥石置換過程收縮和重量損失千差萬別，干燥過程中水泥石的干燥收縮也異于用飽和Ca(OH)2溶液作為置換溶液的基準水泥石的干燥收縮，而在再潤濕過程中，可恢復的收縮和重量損失與干燥程度密切相關。

通過上述試驗研究與分析，得出如下結(jié)論：

（1）用溶液置換過的水泥石，在置換階段，發(fā)生了體積變形，變形有收縮，也有膨脹。倘若將膨脹看成“負收縮”，則水泥石的收縮隨著水灰比的增大而減小。180d齡期的水泥石收縮比28d的要小或基本相同。

（2）用溶液置換過的水泥石，再潤濕過程中，有恢復到置換平衡狀態(tài)的趨勢。

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