何樂文,何少云,蔣林華,張 研
(1.中國水利水電第十二工程局有限公司施工科學研究所,浙江建德 311600;2.山東文登抽水蓄能有限公司,山東文登 264419;3.河海大學力學與材料學院,江蘇南京 210098)
由于水泥的水化熱和混凝土的低導熱性,施工過程中的大體積混凝土內(nèi)部常常有較高的溫升。降溫階段會伴隨體積收縮,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生過大的拉應力,導致混凝土開裂。為減少水泥的水化熱和混凝土的開裂,工程中需采用低熱水泥、混凝土加冰拌和、埋設冷卻水管和表面隔熱保溫等措施[1]。這些方法中,有的方法成本較高且耗時。對抽水蓄能電站的面板、蝸殼等大體積混凝土,僅靠溫控措施難以完全避免熱裂縫的產(chǎn)生[2]。
補償溫度收縮可方便而有效地防止大體積混凝土的溫度裂縫[3]。MgO型膨脹劑已成功地用于補償降溫階段的混凝土收縮[4]。目前關于MgO水泥基材料的性能方面已開展了不少研究工作[2-5],但有關養(yǎng)護溫度對MgO水泥基材料性能的影響還鮮見文獻報導。文中主要研究養(yǎng)護溫度對MgO水泥砂漿抗壓強度的影響,探討?zhàn)B護溫度對MgO水泥砂漿抗壓強度的影響規(guī)律和機理,為實際工程提供一定的試驗數(shù)據(jù)支持,也為將來使用MgO混凝土筑壩提供技術儲備。
水泥為南京某水泥廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥,細骨料為Ⅱ區(qū)河砂,細度模數(shù)2.6,MgO膨脹劑為江蘇某新材料有限公司生產(chǎn),其活性值為120 s,拌合水為自來水。砂漿配合比如表1所示。
表1 MgO水泥砂漿配合比
試件成型后,按不同的養(yǎng)護條件,分別把試件放在標準養(yǎng)護室(20°C)、50°C恒溫水箱、80°C恒溫水箱進行養(yǎng)護,養(yǎng)護一定時間后將試件取出測定其抗壓強度,同時進行SEM,XRD和MIP微觀分析試驗。采用日立公司HITACHI的S-3400N型電鏡對MgO水泥砂漿試件進行SEM觀測;壓汞試驗采用AutoPore IV 9500型全自動壓汞儀進行。
MgO水泥砂漿抗壓強度與養(yǎng)護溫度的關系如圖1所示。
圖1 養(yǎng)護溫度對MgO水泥砂漿抗壓強度的影響
從圖1中可以看出:養(yǎng)護溫度從20°C升到50°C時,除了MgO摻量5%水灰比0.4的試件B(見圖1(b)),其余試件各個齡期的抗壓強度都隨著養(yǎng)護溫度的升高而增大(以0.5水灰比、3%MgO配比為例),由于B試件水灰比較小,內(nèi)部孔隙較少,過高的MgO摻量在50°C時水化比較充分,過大的膨脹能可能破壞了漿體內(nèi)部結構,從而降低了B試件的強度,可以認為適量提高養(yǎng)護溫度,有利于提高MgO水泥砂漿的抗壓強度;當養(yǎng)護溫度從50°C升到80°C時,除了MgO摻量3%水灰比0.5的試件A2(見圖1(a)),其余各試件早期(3 d和7 d)強度隨溫度升高而增大,后期(28 d和60 d)強度隨著溫度升高而減小,由于A2試件MgO摻量適中,水化產(chǎn)生的膨脹能剛好補償漿體內(nèi)部孔隙,優(yōu)化內(nèi)部結構,提高強度,其余試件由于80°C高溫養(yǎng)護作用,試件內(nèi)部結構可能出現(xiàn)破壞,后期強度出現(xiàn)降低,所以養(yǎng)護溫度不宜過高,可能會降低MgO水泥砂漿的抗壓強度,特別是后期強度。
分別對養(yǎng)護28 d(20°、80°)的A1、A2和A3試件進行SEM觀察。從SEM照片可以看出:在20°C養(yǎng)護條件下,空白試件A1結構比較疏松,水化生成大量的薄板層狀Ca(OH)2晶體鑲嵌在C-S-H凝膠中,內(nèi)部孔隙較多,而隨著MgO的摻入,試件內(nèi)部結構明顯得到改善,摻入5%MgO的A3試件結構最密實,在500倍SEM圖片中,基本看不到孔洞和裂縫,水化生成的鈣礬石和水鎂石填充和阻塞了水泥石的空隙,隨著晶體的生長而產(chǎn)生膨脹壓力,降低了水泥石的總孔隙率,減小了孔徑,使砂漿試件更加密實。MgO摻量為3%的試件,A2的結構看起來最為密實,表明高溫養(yǎng)護條件下,摻入MgO可以優(yōu)化內(nèi)部結構,降低孔隙率,而MgO摻量過高,又有可能會導致漿體內(nèi)部產(chǎn)生局部膨脹,而使內(nèi)部結構松散。
由于不同的養(yǎng)護溫度對水泥水化有較大影響,因此有必要對試樣進行XRD分析,比較不同養(yǎng)護溫度下試樣組成的變化。圖2為0.5水灰比、5%MgO摻量的A3試件水化3 d的XRD圖譜。
圖2 水化3 d的XRD圖譜(0.5水灰比、5%MgO)
從圖2中可以看出:由于使用砂漿作為XRD測試試樣,所以可以明顯的看到SiO2的衍射峰,20°C水化3 d時,可以看到有少量的MgO的衍射峰,說明MgO水化還不充分,而在80°C時,3d齡期已經(jīng)基本看不到MgO的峰。在80°C養(yǎng)護條件下發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2的衍射峰比20°C養(yǎng)護溫度更強,說明隨著溫度的升高,漿體內(nèi)部水化更充分,生成的Ca(OH)2,同樣80°C時的C-S-H凝膠的衍射峰也比20°C的強,進一步說明溫度升高,有利于MgO水泥砂漿的水化,宏觀也表現(xiàn)養(yǎng)護溫度高的MgO水泥砂漿,早期力學性能優(yōu)于20°C養(yǎng)護溫度。
對采用不同溫度養(yǎng)護2 8 d的試件進行壓汞試驗,測試結果如表2所示。
通過表2還可以看出:摻入MgO的砂漿試件在小于100 nm的孔隙比例,明顯多于未摻入MgO的水泥砂漿試件,而大孔的比例又小于空白試件,隨著溫度的升高,MgO水泥砂漿試件孔徑和孔隙率也都相應的減小。在20°C養(yǎng)護溫度下,水灰比為0.5、摻入5%MgO的水泥砂漿試件A3的孔結構最優(yōu),其中小于50 nm的無害孔比例最大,總孔隙率最小,而在80°C養(yǎng)護條件下,水灰比為0.5、MgO摻量為3%的試件A2的孔結構優(yōu)于A3,可見在高溫養(yǎng)護條件下,MgO摻量往往比常態(tài)下要求更嚴格,由于高溫水化迅速,過高的MgO摻量可能導致漿體內(nèi)部的局部膨脹,而破壞漿體內(nèi)部結構。
表2 各配比砂漿28 d齡期的孔結構參數(shù)
1)提高養(yǎng)護溫度可以提高MgO水泥砂漿的抗壓強度,但養(yǎng)護溫度不宜超過50℃,養(yǎng)護溫度超過50℃反而會降低MgO的抗壓強度。
2)摻入MgO可以優(yōu)化水泥砂漿的孔隙結構,有助于降低孔隙率,減少有害孔;高溫養(yǎng)護條件下應嚴格控制MgO摻量,防止因水泥水化迅速產(chǎn)生局部膨脹,破壞漿體內(nèi)部結構。
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