摻礦物摻合材水泥凈漿的化學(xué)收縮與自收縮

陳 瑜， 鄒 成， 宋寶順， 秦 歡

（長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

現(xiàn)代混凝土膠凝材料組分復(fù)雜，其早期體積變形是導(dǎo)致混凝土過早開裂并影響其耐久性的主要原因.硅灰（SF）、粉煤灰（FA）、?；郀t礦渣（GGBFS）等礦物摻合材的摻入，不僅使水泥凈漿化學(xué)收縮更加復(fù)雜，而且顯著影響水泥凈漿自收縮及其收縮速率.

大量文獻報道了水泥熟料成分［1］、細度［2］、礦物活性摻合材［3－5］、水灰比［6－7］、養(yǎng)護溫度［8］以及外加劑［9－10］等對水泥凈漿化學(xué)收縮和自收縮的影響，并指出溫度歷史［11］、泌水現(xiàn)象［12］顯著影響水泥基材料的早期體積變化，帶來比較大的試驗誤差.然而，由于試驗方法的不同導(dǎo)致試驗結(jié)果差異較大，相關(guān)研究難以達成共識.例如，水泥凈漿化學(xué)收縮的試驗方法分為絕對體積法、水中稱重法和比重法，不同試驗方法測量值難以統(tǒng)一.自收縮的測量分長度法和體積法，而體積法測量值往往是長度測量值的3～5倍，且傳統(tǒng)試驗方法忽略了水泥基材料內(nèi)部水化溫升的影響，導(dǎo)致誤差較大［8］.又如，初測時機直接影響自收縮測量值，國內(nèi)常用初凝后10min［13］，接近混凝土初凝時間6h［14］，養(yǎng)護1d后［15］等作為初測時機.可見國內(nèi)水泥基材料早期收縮試驗方法還有待進一步完善和標準化.因此，本文基于化學(xué)收縮與自收縮的內(nèi)在關(guān)系，采用ASTM C1608－07標準［16］和ASTM C1698－09標準［17］測量水泥凈漿各齡期的化學(xué)收縮和自收縮，研究單摻不同礦物摻合材對水泥凈漿早期體積變形的影響.

1 試驗

1.1 原材料與配合比

為排除摻礦物摻合材水泥凈漿中活性與非活性摻合材成分對試驗結(jié)果的影響，采用湖南牛力水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料，并與適量市售石膏（CaSO4含量1）文中所涉及的含量、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.98%）磨細自制而成試驗用水泥（C）.礦物摻合材分別選用市售硅灰（SF）、高鈣粉煤灰（CFA）、低鈣粉煤灰（FFA）、?；郀t礦渣（GGBFS）和偏高嶺土（MK）.上述原材料主要技術(shù)指標見表1.采用與水泥相容性好的市售液態(tài)萘系高效減水劑（SP），以降低水泥凈漿水膠比，并促進礦物摻合材超細粉體顆粒在水泥漿體中的均勻分散.

表1 原材料主要技術(shù)指標Table 1 Properties of raw materials

水泥凈漿配合比如表2所示，12組試樣的水膠比均為0.30，SP摻量均為0.3%.

表2 水泥凈漿配合比Table 2 Mix proportions（by mass）of cement pastes %

1.2 試驗方法

為保證礦物摻合材超細粉末在水泥凈漿中的均勻分散，先將液態(tài)萘系高效減水劑（SP）均勻分散在蒸餾水中，依次加入礦物摻合材和水泥；然后放入XL2020型超聲波混拌儀中攪拌100s，取出，人工攪拌100s，以獲得完全均質(zhì)的復(fù)合水泥凈漿；將水泥凈漿裝入小玻璃試瓶，并移至振動臺上略微振搗以排除氣泡.水泥凈漿化學(xué)收縮試驗按照ASTM C1608－07標準［16］測定；自收縮按照 ASTM C1698－09標準［17］測定；初測時機為水泥凈漿終凝時間，參照ASTM C266－08標準［18］測量.

2 結(jié)果與分析

化學(xué)收縮是指水泥水化產(chǎn)生的絕對體積的縮減，自收縮是指低水灰比條件下水泥漿體內(nèi)部自由水迅速消耗產(chǎn)生自干燥從而引起其宏觀體積的減小，自收縮是化學(xué)收縮的一部分.水泥水化反應(yīng)的不斷進行必定產(chǎn)生化學(xué)收縮，并成為自收縮的持續(xù)驅(qū)動力，兩者均為膠凝材料持續(xù)水化的結(jié)果.礦物摻合材和外加劑的摻入不僅使水泥凈漿的化學(xué)收縮更加復(fù)雜，而且顯著影響水泥凈漿的自收縮及其收縮速率.摻礦物摻合材水泥凈漿的化學(xué)收縮與自收縮發(fā)展規(guī)律受復(fù)合粉體微級配堆積狀態(tài)，水泥與礦物摻合材、高效減水劑等各組分之間水化激勵、延遲或制約等耦合因素影響.化學(xué)收縮受礦物摻合材的早期水化過程及水化產(chǎn)物控制，與其組分和細度密切相關(guān)；而自收縮不僅與水泥凈漿凝結(jié)后的繼續(xù)水化有關(guān)，還取決于水化產(chǎn)物及其所形成的微觀結(jié)構(gòu).

2.1 單摻硅灰或偏高嶺土

單摻SF或MK的水泥凈漿早期和中后期化學(xué)收縮發(fā)展規(guī)律見圖1.由圖1可見，單摻SF或單摻MK，水泥凈漿化學(xué)收縮均顯著增大，且化學(xué)收縮隨SF或MK摻量的增大而增加.相同摻量條件下，MK對水泥凈漿化學(xué)收縮的影響小于SF，而且7d后兩者差距加大.例如，48h前試樣1＃（SF摻量5%）的化學(xué)收縮介于試樣10＃，11＃（MK摻量5%，10%）的化學(xué)收縮之間，而7d后試樣10＃，11＃各齡期化學(xué)收縮均明顯低于試樣1＃.

圖1 單摻SF或MK對水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮的影響Fig.1 Effect of SF or MK on chemical shrinkage at different ages

圖2為單摻SF或MK水泥凈漿早期和中后期的自收縮曲線圖.在早齡期，單摻SF或MK水泥凈漿的自收縮均隨礦物摻合材摻量的增加而增大，且明顯高于基準試樣0＃.與SF相比，相同摻量下MK對水泥凈漿自收縮的影響更大.由圖2（b）可見，中后期，SF能使水泥凈漿的自收縮顯著增大，試樣10＃（MK摻量5%）的自收縮接近基準試樣0＃，試樣11＃（MK摻量10%）的自收縮值低于基準試樣0＃.值得注意的是，MK摻量對水泥凈漿自收縮的影響在極早期（終凝后數(shù)小時內(nèi)）和中后期是不同的.3h時，基準試樣0＃自收縮值為33×10－6，試樣10＃，11＃的自收縮值為40×10－6，55×10－6，分別提高了21.2%，66.7%；7d時，基準試樣0＃自收縮值為180×10－6，而試樣10＃，11＃的自收縮值分別為201×10－6和158×10－6，前者僅提高了11.7%，后者則降低了12.2%.這說明，MK的摻入雖然加大了水泥凈漿后期化學(xué)收縮，卻有利于降低其后期自收縮，這可能與MK復(fù)合水泥凈漿凝結(jié)后水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)對漿體收縮的約束程度有關(guān)，試驗結(jié)論與文獻［19－21］一致.

圖2 單摻SF或MK對水泥凈漿各齡期自收縮的影響Fig.2 Effect of SF or MK on autogenous shrinkage at different ages

2.2 單摻高鈣或低鈣粉煤灰

圖3給出了單摻CFA或FFA的水泥凈漿早期和中后期化學(xué)收縮曲線，這4條曲線均位于基準試樣0?；瘜W(xué)收縮曲線的下方.4h時，基準試樣0＃的化學(xué)收縮值為2.0mm3／g，試樣3＃，4＃（CFA 摻量20%，40%）的化學(xué)收縮值為1.6，1.0mm3／g，分別降低了25.0%和50.0%，而摻FFA 的試樣5＃，6＃的化學(xué)收縮值僅為1.3，0.8mm3／g，分別降低了35.0%和60.0%；28d時，基準試樣0＃的化學(xué)收縮值為64mm3／g，試樣3＃，4＃的化學(xué)收縮值為58，49mm3／g，分別降低了9.4%和23.4%；相同摻量條件下試樣5＃，6＃的化學(xué)收縮值為52，42mm3／g，分別降低了18.8%和34.4%.因此，CFA水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮高于同摻量條件下FFA水泥凈漿的化學(xué)收縮，且摻量對化學(xué)收縮的影響高于粉煤灰種類的影響.

圖3 單摻CFA或FFA對水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮的影響Fig.3 Effect of CFA or FFA on chemical shrinkage at different ages

單摻CFA和FFA，摻量分別為20%和40%時水泥凈漿各齡期自收縮見圖4.由圖4可見，4條自收縮曲線均位于基準試樣0＃下方，水泥凈漿按各齡期自收縮從大到小順序排列為：試樣0＃（100%OPC）＞試樣3＃（摻20%CFA）＞試樣5＃（摻20%FFA）＞試樣4＃（摻40%CFA）＞試樣6＃（摻40%FFA）.這說明粉煤灰的摻入也有利于減少水泥凈漿自收縮；相同摻量條件下，摻CFA水泥凈漿各齡期自收縮均小于摻FFA的情況，且摻量對水泥凈漿自收縮的影響高于FA種類的影響.粉煤灰對水泥凈漿自收縮的影響趨勢與其對化學(xué)收縮的影響趨勢一致.

圖4 單摻CFA或FFA對水泥凈漿各齡期自收縮的影響Fig.4 Effect of CFA or FFA on autogenous shrinkage at different ages

2.3 單摻?；郀t礦渣

圖5為單摻GGBFS水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮曲線圖.如圖5所示，單摻15%，30%和45%GGBFS水泥凈漿早期和中后期化學(xué)收縮曲線均位于基準試樣0＃上方，說明GGBFS的摻入顯著增大了水泥凈漿的化學(xué)收縮，且GGBFS摻量越大，水泥凈漿化學(xué)收縮越大.例如，與基準試樣0＃相比，試樣7＃（GGBFS摻量15%），試樣8＃（GGBFS摻量30%）和試樣9＃（GGBFS摻量45%）24h化學(xué)收縮值分別提高了12.0%，24.0%和32.0%.但是，GGBFS對水泥凈漿化學(xué)收縮的影響不如SF和MK，例如48h時，基準試樣0?；瘜W(xué)收縮值為37mm3／g，試樣2＃（SF摻量10%）化學(xué)收縮值為53mm3／g，試樣11＃（MK摻量10%）化學(xué)收縮值為50mm3／g，而試樣7＃（GGBFS摻量15%）化學(xué)收縮值僅為40mm3／g.

圖5 單摻GGBFS對水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮的影響Fig.5 Effect of GGBFS on chemical shrinkage at different ages

圖6為單摻GGBFS水泥凈漿各齡期自收縮曲線圖.圖6表明，在早期和中后期，試樣7＃，8＃和9＃（GGBFS摻量15%，30%和45%）自收縮曲線均位于基準試樣0＃自收縮曲線的上方，這說明GGBFS的摻入可顯著增大水泥凈漿的自收縮，且GGBFS摻量越大，水泥凈漿自收縮越大，但隨著齡期的延長，單摻GGBFS水泥凈漿的自收縮增幅減緩.

圖6 單摻GGBFS對水泥凈漿各齡期自收縮的影響Fig.6 Effect of GGBFS on autogenous shrinkage at different ages

上述試驗結(jié)果說明，不同礦物摻合材的礦物組分、細度與火山灰活性不同，其對水泥水化過程產(chǎn)生的影響也不同，生成水化產(chǎn)物的速率與形態(tài)各異，進而導(dǎo)致所產(chǎn)生的化學(xué)收縮不同.因此，復(fù)合水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮與礦物摻合材種類密切相關(guān).在固定水膠比0.30和使用高效減水劑SP條件下，SF，MK和GGBFS由于火山灰活性高，細度大，水化反應(yīng)速度快，水化產(chǎn)物更加細致緊密，明顯使水泥凈漿化學(xué)收縮增大.在本試驗摻量范圍內(nèi)，這3種礦物摻合材摻量越大，相應(yīng)水泥凈漿的化學(xué)收縮越大.它們對水泥凈漿化學(xué)收縮的影響大小排序為：SF＞MK＞GGBFS.FA的火山灰活性弱，其表面光滑致密的球狀玻璃體顆粒難以在短時間內(nèi)水化，因此FA作為微骨料，在水泥水化早期主要起填充和限制收縮作用，有利于降低水泥凈漿化學(xué)收縮，且FA摻量越大，水泥凈漿化學(xué)收縮降低越明顯.與FFA相比，CFA早期水化活性更強，細度更大，能較多較早地參與水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，導(dǎo)致?lián)紺FA水泥凈漿的化學(xué)收縮增大.除MK外，摻礦物摻合材水泥凈漿的化學(xué)收縮和自收縮之間具有較好的一致性，即不同礦物摻合材及其摻量對化學(xué)收縮的影響與其對自收縮的影響基本相同.

3 結(jié)論

（1）單摻SF，MK或GGBFS，水泥凈漿化學(xué)收縮顯著增大，且在本試驗摻量范圍內(nèi)水泥凈漿的化學(xué)收縮隨SF，MK或GGBFS摻量的增大而增大，其影響程度排序為SF＞MK＞GGBFS.

（2）單摻CFA或FFA，水泥凈漿各齡期化學(xué)收縮均小于基準試樣，但CFA水泥凈漿化學(xué)收縮值高于相同摻量條件下FFA水泥凈漿，且摻量水平的影響高于粉煤灰種類的影響.

（3）單摻SF，MK，GGBFS，CFA或FFA對水泥凈漿自收縮影響規(guī)律與其對水泥凈漿化學(xué)收縮的影響規(guī)律基本一致，但MK的摻入在加大水泥凈漿后期化學(xué)收縮的同時卻有利于降低其自收縮，這可能與MK復(fù)合水泥凈漿凝結(jié)后水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)對漿體收縮的約束程度有關(guān).

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