水泥-粉煤灰-礦渣粉三元膠凝體系體積穩(wěn)定性的研究

楊華全，周世華，董蕓，肖開(kāi)濤

水泥-粉煤灰-礦渣粉三元膠凝體系體積穩(wěn)定性的研究

楊華全，周世華，董蕓，肖開(kāi)濤

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢430010）

研究了不同膠凝材料體系水泥漿體的體積收縮變形特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥品種與細(xì)度是影響硬化漿體體積穩(wěn)定性的主要因素，水泥細(xì)度越大，硬化漿體的體積穩(wěn)定性越差，低熱（高貝利特）硅酸鹽水泥漿體的體積穩(wěn)定性優(yōu)于中熱硅酸鹽水泥；礦物摻和料的摻入使得膠凝材料的體積穩(wěn)定性變得復(fù)雜，優(yōu)質(zhì)的礦物摻和料能夠降低硬化漿體的收縮；水泥-粉煤灰二元膠凝體系的體積穩(wěn)定性優(yōu)于水泥-粉煤灰-礦渣粉三元膠凝體系。

體積穩(wěn)定性；膠凝體系；水泥；粉煤灰；礦渣粉

體積變形性能是研究混凝土，特別是大體積混凝土抗裂耐久性的基礎(chǔ)?；炷潦怯伤?、砂石骨料、礦物摻和料及各種化學(xué)外加劑組成的多相復(fù)合材料，其中膠凝材料是水泥混凝土的核心組分，其性能的波動(dòng)對(duì)混凝土性能的影響極大。

為滿足建筑物強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求和加快施工進(jìn)度，與過(guò)去水泥相比，現(xiàn)代水泥的細(xì)度大大增加了，而這也引發(fā)了一些很嚴(yán)重的后果，如后期強(qiáng)度倒縮［1］、耐久性不足、早期熱裂縫等問(wèn)題。在眾多影響混凝土結(jié)構(gòu)物開(kāi)裂的原因中，有不少學(xué)者［2～4］認(rèn)為高C3S、高C3A和高比表面積的水泥給混凝土抗裂性、耐久性帶來(lái)了危害。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)水泥細(xì)度和強(qiáng)度的下限作了規(guī)定，而沒(méi)有對(duì)上限作出要求?；诋?dāng)前國(guó)際水泥產(chǎn)品的現(xiàn)狀，P．C．AItcin［5］認(rèn)為在將來(lái)，水泥必須有更加嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代混凝土的材料組成變化較大，特別是各種礦物摻和料的引入，使得混凝土的性能有了很大改變。粉煤灰、礦渣粉取代水泥，不僅降低了膠凝材料的水化熱，而且對(duì)力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能等均產(chǎn)生顯著影響。本文主要研究了不同膠凝體系水泥漿體化學(xué)收縮、干燥收縮和溫度變形的發(fā)展情況。

1 試驗(yàn)及試驗(yàn)方法

1．1原材料

比表面積分別為275，338，369 m2／kg中熱硅酸鹽水泥，比表面積分別為345，391 m2／kg低熱硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表1，主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表2；試驗(yàn)采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；拌和水采用自來(lái)水。

1．2試驗(yàn)方法

水泥漿體化學(xué)收縮到目前還沒(méi)有形成完善統(tǒng)一的測(cè)試方法。本試驗(yàn)的測(cè)試方法是根據(jù)日本混凝土協(xié)會(huì)Ei-ichi Tazawa所介紹的方法進(jìn)行改進(jìn)而成，試驗(yàn)裝置如圖1所示。在水泥砂漿干縮、線膨脹系數(shù)試驗(yàn)中，砂漿水灰比為0．41，灰砂比為0．5，水泥凈漿線膨脹系數(shù)試驗(yàn)的水灰比為0．35。線膨脹系數(shù)的試驗(yàn)方法參考SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)方法進(jìn)行，干縮試驗(yàn)方法按照J(rèn)C／T 603-2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

表1 原材料化學(xué)成分的分析結(jié)果Table 1 Chemical compositions of raw materials represented by percentage

表2 水泥的主要物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of moderate heat cement

圖1 化學(xué)收縮測(cè)試裝置示意圖Fig．1 Equipment of measuring chemical shrinkage

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1化學(xué)收縮

水泥漿體與混凝土的自收縮被定義為恒溫絕濕條件下由于膠凝材料的繼續(xù)水化引起自干燥而造成的混凝土宏觀體積的減少；而化學(xué)收縮是指在水泥水化的過(guò)程中，水化產(chǎn)物的絕對(duì)體積同水化前水泥和水的絕對(duì)體積之和相比有所減少的現(xiàn)象，可見(jiàn)自收縮取決于化學(xué)收縮，化學(xué)收縮值越高，自收縮越大。不同膠凝體系化學(xué)收縮隨齡期的發(fā)展情況如圖2所示。

圖2 不同膠凝材料體系的化學(xué)收縮值Fig．2 The chemical shrinkage values of several blending materials

從圖2可見(jiàn)，在水化3 d齡期以前，體系化學(xué)收縮的速率相當(dāng)快，隨后收縮速率逐漸降低，到28 d齡期時(shí)已接近穩(wěn)定，這與水泥的水化進(jìn)程相一致；粉煤灰與礦渣粉的摻入，對(duì)體系1 d齡期內(nèi)的化學(xué)收縮值影響不大，到水化后期，粉煤灰與礦渣粉則顯著降低了體系的化學(xué)收縮值。與水泥相比，粉煤灰和礦渣粉的水化活性是很低的。這使得摻粉煤灰或礦渣粉膠凝體系的化學(xué)收縮值明顯低于純水泥體系的化學(xué)收縮值。但在水化早期，特別是1 d齡期前，粉煤灰或礦渣粉的摻入雖然降低了體系中水泥的含量，但由于粉煤灰或礦渣粉的“滾珠效應(yīng)”與“顆粒效應(yīng)”，水泥顆粒更加分散，與水接觸得更充分，使得早期的化學(xué)收縮值相差不大。

與中熱硅酸鹽水泥相比，低熱硅酸鹽水泥的化學(xué)收縮值較低，且收縮速率較慢，這是因?yàn)閮煞N水泥礦物組成有差別。此外，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水泥細(xì)度對(duì)體系化學(xué)收縮的速率影響較大，但對(duì)水化28 d后的化學(xué)收縮值影響較小，水泥比表面積越大，水化越迅速，化學(xué)收縮發(fā)生得越快。

2．2干燥收縮

不同細(xì)度水泥砂漿的干縮隨齡期的變化情況如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，干縮的速度隨齡期的增長(zhǎng)而迅速地減慢，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，砂漿干縮率與齡期關(guān)系可用下列表達(dá)式來(lái)描述：

式中：t0為試件干縮的初始齡期（d）；εu為最終干縮率；a為試驗(yàn)常數(shù)，a＋t0表示干縮率達(dá)到最終干縮率一半時(shí)的齡期（d）。

從圖3可以看出：①隨著水泥細(xì)度的增加，水泥水化越快，水泥砂漿的干燥收縮速率加快，且最終干燥收縮值也越大；②在水泥細(xì)度相差不大的情況下，如圖3中的M2與L1試樣，低熱硅酸鹽水泥砂漿的干燥收縮速率與最終干燥收縮值均低于中熱硅酸鹽水泥砂漿的測(cè)試值，顯然這與水泥的礦物組成有關(guān)。

圖4 給出了粉煤灰與礦渣粉對(duì)水泥砂漿干燥收縮的影響情況。由圖4可見(jiàn)，礦物摻和料的摻入降低了水泥砂漿的干燥收縮率；在摻量相同的情況下，摻粉煤灰水泥砂漿與摻礦渣粉水泥砂漿的干燥收縮過(guò)程線相差不大；當(dāng)粉煤灰摻量在20%～40%范圍內(nèi)時(shí)，摻粉煤灰水泥砂漿的干燥收縮率差別不大。

圖4 礦物摻和料對(duì)砂漿干燥收縮的影響Fig．4 Influence of mineral admixture on dry shrinkage rate

2．3溫度變形

在常溫下硬化的水泥石，通常是由未水化的水泥熟料顆粒、水化產(chǎn)物、水和少量的空氣，以及由水和空氣占有的孔隙網(wǎng)所組成。空氣和水的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于水泥水化產(chǎn)物和未水化水泥熟料顆粒。隨著水泥水化的進(jìn)行，水不斷被消耗，水化產(chǎn)物逐漸填充在孔隙內(nèi)，硬化水泥漿體孔隙率越來(lái)越低，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越密實(shí)。所以隨著水泥水化的進(jìn)行，水泥漿體的線膨脹系數(shù)逐漸降低，如圖5所示。

圖5 水泥細(xì)度對(duì)膨脹系數(shù)的影響Fig．5 Influence of cement fineness on TDC

在圖5中可以看出，隨著水泥細(xì)度增大，漿體線膨脹系數(shù)也隨之增大，幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。就28 d齡期而言，隨水泥細(xì)度改變，凈漿漿體線膨脹系數(shù)變化顯著；當(dāng)試件從28 d齡期養(yǎng)護(hù)至60 d齡期時(shí)，漿體線膨脹系數(shù)相應(yīng)減小，且線膨脹系數(shù)隨水泥細(xì)度的變化關(guān)系也趨于平緩。

礦物摻和料對(duì)水泥漿體線膨脹系數(shù)的影響趨勢(shì)如圖6所示。從圖6可以看出：①粉煤灰的摻入降低了水泥漿體的線膨脹系數(shù)，且隨摻量增大，漿體線膨脹系數(shù)越低；②礦渣粉對(duì)水泥漿體的線膨脹系數(shù)影響較小，當(dāng)摻量為30%時(shí)，水泥漿體線膨脹系數(shù)僅增加了1個(gè)微應(yīng)變量；③水泥漿體的線膨脹系數(shù)與齡期有關(guān)，隨齡期增加，線膨脹系數(shù)降低。

圖6 礦物摻和料對(duì)線膨脹系數(shù)的影響Fig．6 Influence of mineral admixture on TDC

在混凝土溫控防裂設(shè)計(jì)中，混凝土線膨脹系數(shù)是一個(gè)重要熱學(xué)參數(shù)。根據(jù)混合律，混凝土的線膨脹系數(shù)可近似用水泥石和集料的線膨脹系數(shù)的加權(quán)平均值表示。值得注意的是，集料線膨脹系數(shù)是不受養(yǎng)護(hù)齡期影響的，然而從前面試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥石的線膨脹系數(shù)隨水化齡期的延長(zhǎng)而降低。這表明混凝土線膨脹系數(shù)是一個(gè)隨齡期而變化的量，且呈遞減趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥細(xì)度對(duì)水泥漿體的體積穩(wěn)定性影響很大；細(xì)度越細(xì)，漿體收縮發(fā)生得越快，使得漿體化學(xué)收縮和干燥收縮也越大，且漿體線膨脹系數(shù)幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（2）摻入粉煤灰對(duì)提高膠凝材料體系穩(wěn)定性有利，不僅降低了漿體的化學(xué)收縮和砂漿的干縮率，而且降低了漿體的線膨脹系數(shù)。礦渣粉雖然降低了漿體的化學(xué)收縮和砂漿的干縮率，但對(duì)漿體的線膨脹系數(shù)影響不大。

（3）與水泥-粉煤灰-礦渣粉三元膠凝體系相比，水泥-粉煤灰二元膠凝體系的體積穩(wěn)定性較好。

（4）與中熱硅酸鹽水泥相比，低熱硅酸鹽水泥的化學(xué)收縮與干縮率相對(duì)較低。

［1］BURROWSR W．The Visible and Invisible Cracking of

Concrete［M］．Michigan：ACI，F(xiàn)armington Hills，1999．［2］MEHTA P K，BURROWS R W．Building Durable Struc

tures in the 21st Century［J］．The Indian Concrete Journal，2001，（3）：437-443．

［3］BURROWS R W，KEPLER W F，HURCOMB D，et al．Three Simple Tests for Selecting Low-crack Cement［J］．Cement&Concrete Composites，2004，（26）：509 -519．

［4］NEVILLE A．Why We Have Concrete Durability Problems［R］．California：ACI，1987．

［5］AITCIN P C．Cements of Yesterday and Today．Concrete of Tomorrow［J］．Cement and Concrete Research，2000，（30）：1349-1359．

（編輯：劉運(yùn)飛）

Influence of Cementitious Materials on Volume Stability of Concrete

YANG Hua-quan，ZHOU Shi-hua，DONG Yun，XIAO Kai-tao
（Changjiang River Scientific Research Institute，Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of the Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

The volume shrinkage of different cementitious materials was investigated．The results indicates the type and fineness of cement have significant effect on the volume stability of concrete，namely，the concrete with higher fineness cement has worse volume stability，and the low-heat Portland cement has better volume stability than the mid-heat Portland cement．But the mixing of mineral admixtures makes the volume stability of cementitious materials become complex．The mineral admixtures of high quality can reduce the shrinkage of hardened cement paste，and the duality system of cement-fly ash is more suitable to produce concrete of good volume stability than ternary system of cement-fly ash-slag powder．

volume stability；gelation system；cement；fly ash；mineral admixture

TU528

A

1001-5485（2009）03-0036-04

2008-05-16

國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50539010）及948項(xiàng)目（200606）

楊華全（1960-），男，新疆沙灣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水工混凝土研究與應(yīng)用，（電話）027-82829750（電子信箱）yanghq＠m(xù)ail．crsri．cn。