冷卻方式和溫度對?；⒅楸鼗炷廖⒂^形貌的影響研究

柴麗娟,李 珠,劉元珍,王文婧

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

冷卻方式和溫度對?；⒅楸鼗炷廖⒂^形貌的影響研究

柴麗娟,李 珠,劉元珍,王文婧

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

試驗分析了5種溫度梯度下?；⒅楸鼗炷恋耐庥^形貌和質(zhì)量損失,利用掃描電鏡(SEM)觀察5種溫度等級和兩種不同冷卻方式下保溫混凝土的微觀結(jié)構(gòu),定性分析微觀物相對質(zhì)量損失和裂縫開展的影響。試驗結(jié)果表明:在100～500 ℃下,保溫混凝土中保溫骨料?；⒅樾阅芊€(wěn)定;經(jīng)歷溫度低于300 ℃時,保溫混凝土孔內(nèi)水分蒸發(fā),質(zhì)量損失率為4.36%,但基本不出現(xiàn)裂縫；經(jīng)歷溫度為300～500 ℃時,保溫混凝土中C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)和Ca(OH)2晶體由于失去水分而分解,質(zhì)量損失率為6.22%,裂縫越來越多;澆水冷卻方式下,保溫混凝土內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠和Ca(OH)2晶體,將孔隙填的更加密實,故其裂縫開展小于自然冷卻下的裂縫開展。

微觀結(jié)構(gòu);掃描電鏡;玻化微珠;水泥漿體;界面過渡區(qū)

近年來,國內(nèi)外火災(zāi)形勢越來越嚴(yán)峻。2006年,美國發(fā)生火災(zāi)164萬多起,建筑火災(zāi)占了1/3,2 705人死亡,1 200余人受傷,財產(chǎn)損失13億美元。2009年央視大樓發(fā)生火災(zāi),財產(chǎn)損失100多億;2010年上海大樓發(fā)生火災(zāi)直接損失5個億[1-3]。建筑火災(zāi)為世人敲醒了警鐘,人們對建筑材料的要求越來越高。玻化微珠保溫混凝土作為一種無機(jī)保溫材料,防火性能可以達(dá)到A級不燃,而且集承重、保溫、節(jié)能一體化。

但當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,?；⒅楸鼗炷粮胀ɑ炷烈粯佣即嬖谟捎诹芽p導(dǎo)致力學(xué)性能退化的問題,課題組參照普通混凝土高溫試驗方法,進(jìn)行了保溫混凝土的高溫基本力學(xué)性能試驗。試驗發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會下降,在不同溫度范圍內(nèi),下降的幅度有所不同。宏觀結(jié)構(gòu)是由微觀結(jié)構(gòu)決定的,因此有必要進(jìn)行保溫混凝土的高溫后微觀結(jié)構(gòu)研究[4]。

本試驗主要進(jìn)行高溫下5種溫度梯度和兩種冷卻方式下?；⒅楸鼗炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)研究,觀察保溫混凝土高溫后的表面特征,并研究質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系,然后用電子掃描顯微鏡觀察保溫混凝土高溫前后的微觀結(jié)構(gòu)。

1 試件制備

1.1 試驗材料

1) 玻化微珠選自河南信陽某工廠,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

2) 水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥,細(xì)度是0.65,比表面積是340 m2/kg,化學(xué)成分見表2。

表1 玻化微珠物理性能

3) 砂子采用中砂,堆積密度是1 400 kg/m3,平均細(xì)度模數(shù)是2.9。

4) 石子選用粒徑為5～20 mm的碎石,堆積密度是1 480 kg/m3,含泥量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是0.7%,壓碎指標(biāo)是9.5%。

表2 水泥化學(xué)成分

5) 本試驗所用的硅灰平均粒徑是180 nm,比表面積是14 000 m2/kg,其化學(xué)成分見表3。

表3 硅灰化學(xué)成分

6) 減水劑選用課題組自制的高效減水劑。

7) 水選用自來水。

試驗配合比設(shè)計如表4。

表4 配合比設(shè)計

1.2 試塊設(shè)計及試驗方法

[4-5],設(shè)計5個溫度等級為20,100,300,400,500 ℃;兩種冷卻方式為自然冷卻和澆水冷卻。為了觀察?；⒅榈男螒B(tài),制作常溫下的普通混凝土,與?；⒅楸鼗炷磷鰧Ρ取Ｖ谱骰炷猎噳K的尺寸是100 mm×100 mm×100 mm。兩種混凝土試塊數(shù)量均是3塊。

試塊制作在太原理工大學(xué)建材實驗室完成,待試塊成型拆模后,在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,放在干燥通風(fēng)的環(huán)境中,靜置待混凝土恒重后,稱量兩種混凝土的質(zhì)量,進(jìn)行保溫混凝土的高溫試驗。高溫試驗所用設(shè)備是SRJX型箱式電阻爐,升溫方法是溫度每升高100 ℃恒溫20 min,待溫度達(dá)到預(yù)定溫度后恒溫2 h。高溫試驗后觀察試塊的表面特征,并將試塊分成兩組,一組自然冷卻,另一組在試塊表面均勻澆水10 min。待試塊冷卻至室溫后,稱量試塊質(zhì)量。

微觀試驗所用試樣尺寸是20 mm×20 mm×5 mm,試樣鍍膜所用設(shè)備是SBC-12小型離子濺射儀,觀察微觀結(jié)構(gòu)所用設(shè)備是HITACHITM-1000型電子顯微鏡[6-7]。

2 高溫后的表面特征及質(zhì)量變化

2.1 ?；⒅楸鼗炷恋谋砻嫣卣?/p>

1) 顏色變化:?；⒅楸鼗炷岭S著溫度的升高,顏色隨之變化,300 ℃以內(nèi)顏色變化不大,為青灰色;400 ℃時呈灰褐色;500 ℃時,試塊為鵝黃色。

2) 裂縫變化:300 ℃以內(nèi),混凝土試塊澆筑面有細(xì)微裂紋,在400～500 ℃以內(nèi),試塊各個面都出現(xiàn)了裂紋,而且溫度越高,裂縫越長越寬。

2.2 ?；⒅楸鼗炷恋馁|(zhì)量變化

隨著溫度的升高,?；⒅楸鼗炷恋馁|(zhì)量有所減少,具體質(zhì)量變化見表5。

表5 不同溫度等級下保溫混凝土的質(zhì)量變化

由表5可知,在100 ℃時,?；⒅楸鼗炷恋馁|(zhì)量損失率是0.73%;在300 ℃時,質(zhì)量損失率是4.36%;在400 ℃時,質(zhì)量損失率是5.04%;在500 ℃時,質(zhì)量損失率是6.22%。由此可知,隨著溫度的升高,保溫混凝土的質(zhì)量損失率逐漸增大。

3 微觀試驗結(jié)果及分析

試驗通過電鏡掃描觀察不同溫度梯度和不同冷卻方式下?；⒅楸鼗炷恋奈⒂^形貌,并定性分析微觀物相對質(zhì)量損失和裂縫開展的影響。?；⒅楸鼗炷恋奈⒂^物相包括玻化微珠、水泥漿體、骨料以及水泥漿體與骨料之間的過渡區(qū)[8-9]。由于通過掃描電鏡沒有明顯觀察出骨料和水泥漿體與骨料之間的過渡區(qū),試驗僅分析了玻化微珠和水泥漿體的微觀物相。

3.1 溫度對?；⒅楸鼗炷廖⒂^形貌的影響

3.1.1 不同溫度梯度下的微觀形貌

選取自然冷卻下20,100,300,400,500 ℃的試塊,做微觀研究。圖1中選取了幾個典型圖片,從圖中可以看出,在300 ℃以內(nèi)?；⒅楸鼗炷翈缀醪怀霈F(xiàn)裂縫,在400 ℃時開始出現(xiàn)裂縫,500 ℃時裂縫比較明顯,說明在400 ℃以上時,隨著溫度的升高玻化微珠保溫混凝土的裂縫越來越明顯,也越來越多。

圖1 不同溫度等級下保溫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Thermal insulation concrete microstructure at different temperatures

3.1.2 不同溫度梯度下的微觀物相分析

3.1.2.1 玻化微珠

1) 圖2圖3中,對比?；⒅楸鼗炷梁推胀ɑ炷猎诔叵碌奈⒂^結(jié)構(gòu),除了保溫混凝土中加了?；⒅?兩種混凝土所用材料一樣,圖2中保溫混凝土切片存在蜂窩狀小孔,而圖3中沒有,由此可以斷定該孔就是玻化微珠。

圖2 玻化微珠保溫混凝土20℃(×50)Fig．2 Thermalinsulationconcrete20℃(×50)圖3 普通混凝土20℃(×50)Fig．3 Normalconcrete20℃(×50)

2) 選取常溫下和400 ℃的微觀圖片如圖4所示,從圖中可以看出,?；⒅槭强涨唤Y(jié)構(gòu),在高溫下玻化微珠沒有明顯變化,這是因為?；⒅槭腔鹕綆r中的松脂巖經(jīng)過1 280～1 360 ℃高溫膨化而成的,表面玻化封閉,所以在高溫試驗后,?；⒅樾阅鼙容^穩(wěn)定。

圖4 不同溫度等級下玻化微珠的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Glazed hollow bead microstructure at different temperatures

3.1.2.2 水泥漿體

圖5，圖6為常溫下觀察到的玻化微珠保溫混凝土水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)。從圖中可看出,C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)非常密實,大多數(shù)顆粒為纖維狀,由纖維束構(gòu)成一種無定形多孔交錯連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Ca(OH)2晶體呈六方板狀形貌,由于受到空間不足、內(nèi)部雜質(zhì)或者水化強(qiáng)度等影響,可能會出現(xiàn)無規(guī)則的板狀晶體,因此Ca(OH)2晶體可能也會呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。

常溫下,C-S-H凝膠和Ca(OH)2晶體的變化并不明顯,隨著溫度的升高,凝膠結(jié)構(gòu)因為受熱而失去結(jié)晶水,變得更加密實。在300 ℃時,混凝土因為水分蒸發(fā)而質(zhì)量損失,混凝土表面幾乎無裂紋;400 ℃時,保溫混凝土內(nèi)部發(fā)生變化,凝膠結(jié)構(gòu)水分大部分蒸發(fā),結(jié)構(gòu)變得松散,有少部分Ca(OH)2晶體分解,但總體看上去幾乎沒有變化;500 ℃混凝土內(nèi)部變化比較明顯,凝膠顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破損,Ca(OH)2晶體大部分分解。因此,500 ℃高溫后保溫混凝土的質(zhì)量減少,裂縫明顯增多,抗壓強(qiáng)度下降。

圖5 C?S?H凝膠(×2000)Fig．5 C?S?H(×2000)圖6 Ca(OH)2晶體(×2000)Fig．6 Ca(OH)2(×2000)

3.2 冷卻方式對?；⒅楸鼗炷廖⒂^形貌的影響

選取300 ℃和400 ℃下的試樣,做自然冷卻和澆水冷卻下的保溫混凝土的微觀研究。選取400 ℃下的試樣,觀察結(jié)果見圖7,8。通過對比可以看出,澆水冷卻下保溫混凝土的裂縫比自然冷卻下的小,說明澆水冷卻使保溫混凝土內(nèi)部發(fā)生變化,使得裂縫減小。

澆水冷卻后?；⒅楸鼗炷羶?nèi)部補(bǔ)充了水分,水與氧化鈣結(jié)合生成氫氧化鈣,二氧化硅和氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠結(jié)構(gòu),填充了孔隙,故澆水冷卻后保溫混凝土的裂縫比自然冷卻下的裂縫少。

圖7 自然冷卻下保溫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Thermal insulation concrete microstructure after natural cooling

圖8 澆水冷卻下保溫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Thermal insulation concrete microstructure after water cooling

4 結(jié)束語

1) 玻化微珠保溫混凝土中的?；⒅槌史涓C狀,是空腔結(jié)構(gòu),在100～500 ℃范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。

2) 在不同溫度等級下,隨著溫度的升高,保溫混凝土裂縫逐漸增多,質(zhì)量損失率逐漸增加。在300 ℃以內(nèi),由于保溫混凝土孔內(nèi)水分蒸發(fā),保溫混凝土幾乎不出現(xiàn)裂縫,300 ℃時,質(zhì)量損失率是4.36%;在400～500 ℃時,保溫混凝土中的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)和Ca(OH)2晶體失水分解,結(jié)構(gòu)體系遭到破壞,因此保溫混凝土中的裂縫隨溫度升高越來越多,在500 ℃時,質(zhì)量損失率是6.22%。

3) 在相同的溫度等級下,澆水冷卻由于補(bǔ)充了水分,使保溫混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新的化學(xué)反應(yīng),生成C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)和Ca(OH)2晶體,使結(jié)構(gòu)更加密實,故與自然冷卻方式相比,澆水冷卻方式下保溫混凝土產(chǎn)生的裂縫較少。

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(編輯：賈麗紅)

Effect of Cooling Mode and Temperature on Micro-structure of Glazed Hollow Bead Thermal Insulation Concrete

CHAI Lijuan,LI Zhu,LIU Yuanzhen,WANG Wenjing

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The morphology and mass loss at five temperature gradients of glazed hollow bead thermal insulation concrete were analyzed, its micro-structure was characterized by scanning electron microscopy(SEM) for five temperature ratings and two cooling modes.The effect of microscopic objects on mass loss and crack development was analyzed. The results indicate that: at 100～500 ℃, the performance of glazed hollow bead is stable; after exposed to less than 300 ℃, because of water evaporation of thermal insulation concrete,the mass loss rate is 4.36% and almost no cracks occur on concrete; when exposed to 300～500 ℃, C-S-H structures and Ca(OH)2crystals decompose owing to release of moisture, the mass loss rate is 6.22%, and more cracks occur on concrete with the increase in temperature;with water cooling,thermal insulation concrete occurs new chemical reactions generating C-S-H structures and Ca(OH)2crystals, filling the pores, so the cracks are less than with natural cooling.

micro-structure;scanning electron microscopy;glazed hollow bead;cement paste;interface transition zone

1007-9432(2015)04-0419-05

2015-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項目:?；⒅楸厣皾{劣化機(jī)理及對結(jié)構(gòu)耐久性的影響研究(51308371)；山西省自然科學(xué)基金項目(2014011033-1)

柴麗娟(1991-)，女，山西運(yùn)城人，碩士生，主要研究混凝土結(jié)構(gòu)研究，(Tel)15135158326，(E-mail)572068470@qq.com

李珠(1959-),教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)lizhu9999@vip.sina.com

TU528.01

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.011