蒸養(yǎng)水泥基材料的腫脹變形規(guī)律與控制

賀智敏 ，龍廣成，謝友均，柳俊哲

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波，315211)

蒸養(yǎng)是預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)的重要養(yǎng)護方式之一?；炷猎谡麴B(yǎng)過程中涉及復(fù)雜的物理化學(xué)作用。研究實踐表明，蒸養(yǎng)會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[1-5]；同時蒸養(yǎng)后的混凝土也會產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為“蒸養(yǎng)腫脹變形”[6-8]。混凝土的蒸養(yǎng)腫脹變形對其長期性能及構(gòu)件質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[6]。為此，國內(nèi)外研究人員就蒸養(yǎng)混凝土的腫脹變形及其影響進行了研究。錢荷雯等[7]試驗研究表明蒸養(yǎng)過程中的游離水、空氣及其他組分體積膨脹對蒸養(yǎng)后水泥石強度存在顯著不利影響。吳中偉等[8]采用螺旋測微器測量了試件在蒸養(yǎng)恒溫溫度100 ℃條件下的腫脹變形，表明砂漿和混凝土初期結(jié)構(gòu)強度為2 MPa時開始蒸養(yǎng)，其在蒸養(yǎng)過程產(chǎn)生的腫脹變形(殘余變形)最小，同時表明采用二次振搗和蒸養(yǎng)時用外力抑制砂漿及混凝土膨脹等措施，可有效提高蒸養(yǎng)效果及減少試件的腫脹變形。Erdem 等[9]認(rèn)為蒸養(yǎng)混凝土的預(yù)養(yǎng)(靜停)時間長短應(yīng)為混凝土初凝所需的時間，從而使混凝土不產(chǎn)生過大的腫脹變形，并且有利于蒸養(yǎng)混凝土的后期強度發(fā)展。Alexanderson[10]觀察到，當(dāng)預(yù)養(yǎng)時間為4～7 h條件下，蒸養(yǎng)混凝土的腫脹幾乎可以忽略，且蒸養(yǎng)混凝土后期強度不會倒縮。分析表明，既有的工作主要集中在蒸養(yǎng)制度對蒸養(yǎng)混凝土腫脹變形的影響等方面，有關(guān)蒸養(yǎng)過程各階段混凝土的變形行為以及不同組成混凝土的腫脹變形規(guī)律未見系統(tǒng)的研究成果，而有關(guān)蒸養(yǎng)混凝土腫脹變形的關(guān)鍵控制因素也有待進一步探索。為此，本文作者結(jié)合我國高速鐵路工程結(jié)構(gòu)中軌枕、軌道板和預(yù)應(yīng)力簡支梁體等蒸養(yǎng)預(yù)制構(gòu)件采用的蒸養(yǎng)工藝條件，進一步調(diào)查和探討蒸養(yǎng)過程中水泥基材料的腫脹變形規(guī)律及其關(guān)鍵控制因素，以為生產(chǎn)高質(zhì)量蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件提供技術(shù)支持。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥采用中國建材院提供的 42.5級基準(zhǔn)水泥(Referenced cement)和湖南韶峰 42.5級普通水泥(P.O.42.5)；粉煤灰(UFA)采用湖南湘潭電廠Ⅰ級粉煤灰，比表面積為510 m2/kg，密度為2.41 g/cm3；礦渣(GGBS)為湘潭鋼廠提供，比表面積為450 m2/kg；硅灰(SF)為西北鐵合金提供，比表面積為18 500 m2/kg；水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的化學(xué)成分見表 1。細骨料為湖南湘江產(chǎn)中砂，細度模數(shù)為2.88，Ⅱ區(qū)級配合格，過5 mm篩；減水劑為上海花王有限公司產(chǎn)萘磺酸鹽高效減水劑(邁地100)；拌合水采用潔凈自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試件成型

本文試驗分為兩批進行，第1批測試了5組不同膠凝材料組成的砂漿試件在蒸養(yǎng)過程中的變形隨蒸養(yǎng)時間的變化規(guī)律，試驗配比如表2所示；第2批測試不同組成對試件腫脹變形的影響，采用水泥凈漿、砂漿試件，砂漿的砂膠比為2.5，粉煤灰、礦渣分別等質(zhì)量取代水泥。

按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法拌合水泥凈漿、砂漿后，分別將拌合料采用端部打磨的硬質(zhì)塑料管成型尺寸(直徑×長度)為50 mm×280 mm的試件，并分三層振搗密實。成型后采用塑料薄膜覆蓋端面并置于(20±2) ℃環(huán)境箱中，避免擾動。對于第1批試驗，在試件成型1 h后安裝千分表，為消除塑性沉降等變形，在成型1.5 h后開始讀數(shù)，成型3 h后開始升溫，升溫2 h到60 ℃，60 ℃恒溫8 h，降溫1 h。第2批試驗的測試方法和條件與第1批同，但試件的靜停時間為4 h，其余蒸養(yǎng)條件與上述同，并以蒸養(yǎng)開始至蒸養(yǎng)結(jié)束后的變形為腫脹變形結(jié)果。

1.2.2 測試方法

(1) 蒸養(yǎng)開始前的自由水含量。在凈漿和砂漿試件成型的同時，采用塑料杯裝半杯凈漿或砂漿，置于試件相同的條件下養(yǎng)護，預(yù)養(yǎng)結(jié)束后立即將杯子中的凈漿或砂漿塊破碎，立刻取其中間部分碎片置于密閉容器內(nèi)，稱重后將樣品于105 ℃下烘干至恒重后再稱其質(zhì)量，以獲得試件在蒸養(yǎng)開始前的自由水量。

表1 基準(zhǔn)水泥、普通水泥、粉煤灰、礦渣以及硅灰的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of referenced cements, P.O 42.5, UFA, GGBS and SF %

表2 試件配合比Table 2 Mix proportions of samples

(2) 蒸養(yǎng)過程中的變形測試。蒸養(yǎng)過程中的腫脹變形測試裝置主要包括定制的測試架、數(shù)字式千分表、恒溫水浴箱、剛性支座以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成，該裝置與電腦連接后，可自動記錄數(shù)據(jù)并儲存，裝置照片見圖 1。為使試件在蒸養(yǎng)過程中能進行與成型面垂直方向的自由變形，試模的內(nèi)壁做光滑處理以減小摩擦。在漿體拌和均勻后，分三層裝入試模，每層裝料高度約為試模高度的 1/3，每層裝料后振實60次，再裝入第二層，成型好后抹平成型面，并在成型面上水平的嵌入薄型玻片，以安裝測試千分表。

圖1 蒸養(yǎng)試件腫脹變形測試裝置Fig.1 Experimental set-up for expansive deformation measurement of steam-cured samples

(3) 水化產(chǎn)物成分分析。將不同養(yǎng)護試件各齡期的試樣取中心部分用無水乙醇終止水化，在真空干燥箱(溫度為45 ℃)中真空干燥至恒重。通過微型球磨機研磨成粉末，用X線衍射儀進行水化產(chǎn)物的物相分析。用 XRD(從 5°以 6 (°)/min 的速度掃面到 75°)研究水化產(chǎn)物物相種類及晶態(tài)物質(zhì)、非晶態(tài)物質(zhì)的含量變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件在蒸養(yǎng)過程各階段的腫脹變形規(guī)律

采用如表2所示的配比，試驗測試得到的各砂漿試件變形量隨蒸養(yǎng)時間的結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：在靜停階段，除C1試件和C5試件有少量塑性沉降收縮外，其他試件的變形都基本穩(wěn)定；在開始蒸養(yǎng)的升溫階段，各試件隨著蒸養(yǎng)溫度的上升而呈現(xiàn)快速增加趨勢，其中基準(zhǔn)水泥(C1)和摻粉煤灰硅灰的普通水泥砂漿(C5)在蒸養(yǎng)升溫階段的膨脹變形量最大，而摻粉煤灰、礦渣以及硅灰的基準(zhǔn)水泥膠砂試件(C3)的膨脹為最小，摻粉煤灰、礦渣的基準(zhǔn)水泥膠砂試件(C2)的膨脹量也較小，C4試件的膨脹量處于中間位置。進入恒溫階段后至蒸養(yǎng)結(jié)束后的時間內(nèi)，試件的腫脹變形在經(jīng)歷短暫的下降后逐漸趨于穩(wěn)定。

本文作者認(rèn)為：試驗所測得的蒸養(yǎng)過程中試件的腫脹變形是多種變形綜合作用的結(jié)果，其中涉及到溫度升高引起的水、汽膨脹變形、水泥水化以及水化引起的自干燥變形等。在升溫階段，試件因水化作用少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度尚不足以抵抗水、汽膨脹作用導(dǎo)致了較大的變形，且變形增長速度快；進入恒溫階段后，隨著水化的逐漸進行，一方面內(nèi)部的自由水含量減少，另一方面試件抵抗膨脹變形的能力增強，而且試件內(nèi)部水化加速過程導(dǎo)致的自干燥效應(yīng)引起一定的自收縮變形，因而蒸養(yǎng)試件的膨脹變形又呈現(xiàn)下降趨勢并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明：各試件的腫脹變形主要發(fā)生在升溫階段的初始結(jié)構(gòu)形成期，升溫過程對于試件的腫脹變形起關(guān)鍵作用；而且膠凝材料組成也是影響試件腫脹變形的重要因素，基準(zhǔn)水泥與粉煤灰、礦渣以及硅灰復(fù)合摻入最有利于降低試件的腫脹變形。這應(yīng)歸因于在低水膠比和蒸養(yǎng)條件下，特別有利于發(fā)揮礦物摻合料的作用，將粉煤灰、礦渣以及硅灰以合適的復(fù)合比例和總摻量取代部分水泥，產(chǎn)生了礦物摻合料的“超疊復(fù)合效應(yīng)”。不僅改善體系堆積密實度，減少其中的自由水含量，且硅灰的高活性提高了膠凝材料體系的水化程度，砂漿早期抵抗水汽膨脹作用的能力增強。

圖2 蒸養(yǎng)過程中不同試件的腫脹變形發(fā)展規(guī)律Fig.2 Expansive deformation change of different samples in steam curing process

2.2 水膠比對蒸養(yǎng)試件腫脹變形量的影響

采用普通水泥凈漿及砂漿(砂與普通水泥質(zhì)量比為 2.5)研究了水膠比變化對蒸養(yǎng)后試件腫脹變形量的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出：隨水膠比的增大，蒸養(yǎng)凈漿和砂漿的腫脹變形均隨之增大。預(yù)養(yǎng)期結(jié)束后，高水膠比試件中的自由水含量依然較高，凝結(jié)硬化較慢，初始結(jié)構(gòu)強度低，抵抗氣相、液相腫脹的作用弱，這是造成蒸養(yǎng)后膨脹變形較大的主要原因。因此生產(chǎn)蒸養(yǎng)預(yù)制構(gòu)件時，應(yīng)盡量采用低水膠比拌合物，增大水膠比時應(yīng)相應(yīng)的延長預(yù)養(yǎng)時間，減少蒸養(yǎng)前試件中自由水含量，以提高水化蒸養(yǎng)前試件的初始結(jié)構(gòu)強度[2-3]。

比較水膠比同為0.35的凈漿和砂漿試件，發(fā)現(xiàn)凈漿的腫脹變形值比砂漿的約增加20%。這應(yīng)歸因于砂漿和凈漿兩種體系的不同結(jié)構(gòu)特點，砂漿中膠凝材料用量大為減少，減弱了氣相、液相在水泥石中發(fā)生的膨脹破壞作用；同時由于細集料的存在，水泥漿包裹細集料并填充細集料之間的空隙，且細集料的線膨脹系數(shù)比硬化后水泥石小約2倍，在蒸養(yǎng)過程中，水泥石尚未硬化，可以推知二者的膨脹系數(shù)相差更大，所以在氣相、液相受熱膨脹時，細集料可以起骨架限制作用，能在一定程度上限制水泥石的膨脹，提高密實度，減少初始裂縫，減小腫脹變形；細集料與凈漿的連接面可能也會像混凝土中界面過渡區(qū)一樣比本體材料的強度要低，不利于抵抗氣相、液相的膨脹。由于細集料起的積極作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致相同蒸養(yǎng)條件下同水膠比時砂漿比凈漿的腫脹變形量要小。

圖3 不同水灰比普通水泥凈漿和砂漿的腫脹變形量Fig.3 Expansive deformation value change of paste and mortar samples

2.3 礦物摻合料摻量對蒸養(yǎng)試件腫脹變形量的影響

采用水膠比為0.25的凈漿、水膠比為0.35的砂漿(砂與膠凝材料質(zhì)量比為 2.5)研究了粉煤灰、礦渣摻量對凈漿和砂漿蒸養(yǎng)腫脹變形量的影響，結(jié)果見圖 4和圖5。由圖4可知：摻粉煤灰的凈漿和砂漿的腫脹變形均比未摻的空白組低，摻 10%粉煤灰凈漿的腫脹變形為1.370 mm/m，未摻粉煤灰的空白組的腫脹變形為1.809 mm/m，粉煤灰的摻入顯著減小了蒸養(yǎng)后試件的腫脹變形，隨粉煤灰摻量增加，凈漿和砂漿試件的腫脹變形均呈先減小后增加的趨勢。在本文所用原材料和采取的蒸養(yǎng)制度下，粉煤灰摻量為20%時試件的腫脹變形最小，凈漿試件的腫脹變形為 1.340 mm/m，砂漿試件的腫脹變形為1.630 mm/m。

不同礦渣摻量的凈漿和砂漿試件的腫脹變形結(jié)果如圖5所示。從圖5可知：凈漿和砂漿試件腫脹變形量隨礦渣摻量的變化規(guī)律與摻粉煤灰時的相似，總體上呈先減小后增大的趨勢。在本試驗所用原材料和所選蒸養(yǎng)制度下，摻20%～30%礦渣的凈漿和砂漿的腫脹變形量最小，比未摻的空白組的下降約15%。

摻粉煤灰、礦渣后蒸養(yǎng)試件的腫脹變形減小可能主要得益于礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及火山灰效應(yīng)作用[11]。在蒸養(yǎng)過程中，粉煤灰、礦渣的微集料效應(yīng)，不但提高了漿體的密實度，而且高彈性模量的礦物摻合料顆?？蔀樗嗨磻?yīng)提供結(jié)晶內(nèi)核，起到限制變形的作用；同時，蒸養(yǎng)過程中高溫、高濕環(huán)境促進了礦物摻合料二次水化反應(yīng)的發(fā)生，促進了粉煤灰和礦渣活性的發(fā)揮[12]。適當(dāng)摻入礦物摻合料改善了純水泥漿體對蒸養(yǎng)過程的適應(yīng)性，細化了孔結(jié)構(gòu)并強化了界面，故能減少試件的腫脹變形量。然而，由于礦物摻合料的活性比水泥小，摻量過多使體系中水化產(chǎn)物的數(shù)量顯著減少[13]，蒸養(yǎng)前試件中自由水量增大，凝結(jié)硬化變慢，初始結(jié)構(gòu)強度降低，這些都不利于試件抵制蒸養(yǎng)過程中所產(chǎn)生的腫脹變形。如凈漿中粉煤灰摻量40%時，腫脹變形比摻20%時高出11.9%；而砂漿中粉煤灰摻量 30%時，腫脹變形量比摻20%時高出19.6%。為較好控制蒸養(yǎng)試件的腫脹變形，粉煤灰摻量宜不超過20%，礦渣摻量不超過30%。

圖4 摻粉煤灰試件的腫脹變形量Fig.4 Expansive deformation value change of samples with FA

圖5 摻礦渣試件的腫脹變形量Fig.5 Expansive deformation value change of samples with GGBS

2.4 蒸養(yǎng)試件腫脹變形發(fā)生機制討論

蒸養(yǎng)水泥漿體或砂漿由固相(未水化的膠凝材料顆粒、骨料及水化產(chǎn)物)、水以及孔隙等幾部分組成。由熱膨脹理論可知，在蒸養(yǎng)過程中試件各組分均要發(fā)生不同程度的膨脹變形，如溫度從20 ℃升至60 ℃時，自由水約發(fā)生1.5%的相對體積增量。顯然，一部分體積膨脹可由原來體系內(nèi)的孔隙補償，而進一步的體積膨脹則將受到固相的限制約束作用，并逐漸在試件內(nèi)形成膨脹壓力，并對試件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力的拆開作用，因而總體上試件發(fā)生膨脹變形。

以下從體系蒸養(yǎng)前的自由水含量及水化物相兩方面分析了蒸養(yǎng)水泥基材料腫脹變形的關(guān)鍵控制因素。結(jié)合上述試驗結(jié)果，圖6給出了試件在蒸養(yǎng)前自由水含量與其蒸養(yǎng)腫脹變形之間的相關(guān)性分析結(jié)果，圖 7所示為蒸養(yǎng)前后以及標(biāo)養(yǎng) 32 h(此時假定與蒸養(yǎng)結(jié)束時的試件具有相同的成熟度)試件水化產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果。

圖6 試件蒸養(yǎng)前自由水含量與腫脹變形的相關(guān)性Fig.6 Correlation between expansive deformation and free water content before steam curing for samples

從圖6可知：試件的腫脹變形與蒸養(yǎng)前的自由水含量(若忽略水化以及其他試驗條件的影響，自由水含量與初始用水量相當(dāng))之間存在明顯對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)試件的自由水含量較低時(如不大于 30%)，隨著自由水含量的增加，試件的腫脹變形幾乎保持不變；而當(dāng)試件中的自由水含量大于30%后，試件的腫脹變形量隨著自由水含量的增加而呈現(xiàn)快速增加的趨勢。本文認(rèn)為，上述結(jié)果是合理的。當(dāng)自由水含量較低時，體系中的水主要被吸附在顆粒表面，顆粒之間相互接觸緊密，內(nèi)部孔隙中存在較少的自由水，此條件下體系的腫脹變形主要是固體相產(chǎn)生；隨著體系自由水進一步增加(如大于 30%)，則蒸養(yǎng)前體系自由水除了吸附在固體顆粒表面外，還有一部分自由水填充在體系孔隙中，而且體系固體顆粒之間結(jié)合也較疏松，因而，此條件下隨著自由水含量的增加試件的腫脹變形隨之快速增加。

圖7 不同膠凝材料體系試樣XRD譜Fig.7 XRD patterns of samples with different binders composition

圖7所示為各試件水化產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果。從圖7可知：不管是蒸養(yǎng)前、蒸養(yǎng)后還是標(biāo)養(yǎng)試件，所分析得到的水化產(chǎn)物類型基本相同，僅是水化產(chǎn)物數(shù)量有所差別，而且其他測試結(jié)果也表明，產(chǎn)物形貌也無顯著區(qū)別。本文的結(jié)論與一些學(xué)者的研究較為吻合，文獻[6, 14-15]認(rèn)為硅酸鹽水泥在100 ℃以下溫度中熱養(yǎng)護后的水化新生物，同在常溫下養(yǎng)護后的水化新生物相比較，并無差別，增加溫度導(dǎo)致初始水化加速，早期生成更多的水化產(chǎn)物；文獻[16-17]認(rèn)為蒸養(yǎng)后易于形成更為密實的C—S—H，C—S—H凝膠聚合度增加和硅氧四面體鏈數(shù)量增多，可觀察到短的針狀鈣礬石，較高溫度下養(yǎng)護生成的水化產(chǎn)物較為粗大，分布更不均勻，且孔隙粗化。這表明，試件的腫脹變形并不是因為蒸養(yǎng)過程導(dǎo)致了新類型的水化產(chǎn)物生成而造成的。

3 結(jié)論

(1) 蒸養(yǎng)過程中水泥基材料的腫脹變形主要發(fā)生在升溫階段的初始結(jié)構(gòu)形成期，進入恒溫階段后，試件的腫脹變形經(jīng)歷短暫下降后趨于穩(wěn)定。

(2) 水泥基材料的腫脹變形主要受蒸養(yǎng)前體系的固相組成及自由水含量(與初始用水量相當(dāng))的影響。

(3) 采用粉煤灰、礦渣以及硅灰等礦物摻合料取代部分水泥，不僅有效提高了體系固相的堆積密實度，而且高彈性模量的礦物摻合料顆粒也增強了體系內(nèi)固相限制膨脹變形的作用；水灰(膠)比的增加，增大了體系的自由水含量，因而增加試件在蒸養(yǎng)過程中的腫脹變形。為較好控制蒸養(yǎng)水泥基材料的腫脹變形，初始水灰(膠)比宜不大于 30%，并以適當(dāng)摻量的礦物摻合料取代部分水泥。

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