低水胶比混凝土力学性能及水化物相微观结构.pdf

2 0 1 4 年 第 3 期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRET I CAL RESE ARCH 低水胶比混凝土力学性能及水化物相微观结构 霍亮，张涛 ，蔺喜强。李国友 ，智艳飞 ( 中国建筑股份有限公司 技术 中心，北京 1 0 1 3 0 0 ) 摘要 ： 研究了低水胶比、 胶凝材料用量及不同掺合料对超高强混凝土工作性及力学性能的影 响规律， 并通过 S E M 分析超高 强混凝土微观结构。 研究结果表明水胶 比为 O 1 5 0 2 1 的混凝土 ， 后期强度达到 1 2 0 1 5 0 MP a ， 其中水胶 比为 0 1 5 混凝土 9 0 d 抗 压强度达到 1 4 6 4 MP a 。 粉煤灰在制备高强混凝土时具有显著改善混凝土工作性的特点 ，但是混凝土后期强度增长较小。 超细矿 粉制备超高强混凝土时混凝土后期强度优于掺加 $ 9 5级矿粉的混凝土。 S E M 分析表明 ， 低水灰比条件下水泥等胶凝材水化生成 较多 C S H凝胶相， 微观结构致密均匀 ， 未水化水泥颗粒在硬化浆体中主要起到填充作用和微骨料作用。 关键词 ： 低水胶 比；掺合料 ；力学性能 ；微观结构 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 5 5 0 4 M ec hani ca l pr ope r t i es and hy dr a t i on phas e m i c r os t r uc t ur e of c onc r et e w i t h l ow w a t e r -bi nder r at i o 日UD Li a n g， ZHANG Ta o， LI N Xi q i a n g， LIGu o yo u， ZHI Ya n f e i ( T e c h n o l o g y C e n t e r ， C h i n a S t a t e C o n s t r u c t i o nC o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 1 3 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： The wa t e r - b i n de r r a t i o， t h e a mo u n t o f c e me n t i t i o us ma t e r i a l a n d mi n e r a l a d mi x t u r e s e f f e c t o n t h e me c ha n i c a l p r o pe gy a n d mi c r os t r u c t u r e o f c o n c r e t e wa s s t u di e d Th e r e s u l t s s h o w t he wa t e r c e me n t r a t i o o f 0 1 5 -0 2 1 c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s Ve n g t h b e t we e n 1 2 01 5 0 M P a i n the l a t e， a nd the wa t e r - b i n de r t r a t i o o f0 1 5 r e a c h e d 1 4 6 4 MPa c o mp r e s s i v e s t r e n g t h of c o nc r e t e a t 9 0 da y s Fl y a s h ha s s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e d wo r k a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s ， b u t s ma l l e r i n c r e a s e l a t e s t r e n g t h o f c o n c r e t e wh e n p r e p a r i n g h i g h s tre n gth c o n c r e t e Ad d s u p e r fi n e s l a g p o wd e r c o mp a r e d t o the$ 9 5 s l a g p o wd e r f o r t h e d e v e l o p me n t o f l ate s t r e n gth i s mo r e b e e r S E M a n a l y s i s s h o we d that u n de r t h e c o n di t i on s of l o w wa t e r - bi n d e r r a t i o o f c e me n t h y d r a t i o n p r o du c e mo r e C S H ge l p ha s e Hy dra t i o n o f c e me nt p a s t e mi c r o s t r u c t u r e i s d e n s e an d u n i for m Un h y d r a t e d c e me n t mi c r o a g g r e ga t e p a r t i c l e s pr i ma r y r o l e i s f i l l e d p o r e s i n the h ard e n e d c e me nt p a s t e Ke y w o r d s ： l o w wa t e r b i n d e r r a t i o； a d mi x t u r e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； mi c r o s t r u c t u r e 0 引言 现代经济和施工技术 的发展 ， 出现 了越来越多的高层 建筑物。 应用技术规程 中定义高强混凝土为强度等级不低于 C 6 0 的混凝 土 ， 近年来超过 2 0 0 MP a 的混凝土 已经出现r 1 _ ， 高强混凝 土技术能够 减少 昂贵 的钢筋用量 ， 增加 建筑楼 层 空间的同时可 以满足高层建筑底层支柱 的尺寸要求 ， 利 用高强混凝土要 比纯钢结构的高层建筑具有更大的经济效 益回 。 高强混凝土以及其他水泥基材料要达到超高强( 抗压强 度大于 1 0 0 MP a ) ， 首先应具有较低的水灰 比， 而降低水灰 比 的技术途径主要从三个方面解决 ： 通过高效减水剂来减少用 水量 ； 利用超 细粉改善胶凝材料颗粒堆积结构6 ； 利用 压力成型增加材料 的密实程度 q 。 许仲梓 1 1 通过 3 0 0 S P a 高压成型的方法， 制备水灰比为O 0 9 的低孑 L 隙率的纯水泥基 材料 ， 研究发现该材料具有 2 6 9 初始孔隙率 ， 其水化程度 I d达到 2 1 ， 3 d 为 3 1 ， 2 8 d 水化程度达到了 4 5 。 王冲 、 蒲心诚 4 等人研究了水胶 比为 0 I 和 0 0 6 水泥基材料的水化 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 9 2 5 基金项 目：中建股份( C S C E C 一 2 0 1 0 一 Z O 1 ) 性能 ， 研究发现水胶 比为 0 1 6 时标准养护 1 8 0 d 后水泥石 的 化学结合水量仅为 1 3 5 2 ； 当水胶 比为 0 1 0时 ， 1 8 0 d 养护 龄期后其化学结合水量为 1 2 0 4 。 文献 1 3 研究对压制成型 下低水胶比粉煤灰复合水泥材料水化进行了分析 ， 发现压制 成型下胶凝材料水化率明显降低， 微小的氢氧化钙晶粒与未 水化的水泥熟料矿物及水化硅酸钙凝胶互相包裹在一起。 本 试验通过对 0 1 5 0 2 1 水胶 比的超高强混凝土力学性能变化 趋势和低水灰 比对水泥水化微观形貌的影响进行了研究。 1 原材料及 试验方 法 1 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥： 试验所用水泥为唐山冀东 P O 5 2 5 级水泥， 化学分析结果如表 1 。 表 1 水泥的化学组成及物理性能 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 掺合料： 矿物掺合料主要用了首钢 $ 9 5 矿粉 ， I 级 粉煤灰 ， 鲁新超细矿粉 P 8 0 0 0 ； 两种甘肃三远硅灰( 活性S i O 为 9 5 、 和活性 S i O 2 为 9 0 ) ， 分别记为 S Y 9 5 、 S Y 9 0 。 各掺 合料的化学成分分析和活性指数如表 2 所示。 表 2 掺合料的化学成分分析及性能 ( 3 ) 骨料 ： 粗骨料采用河北易县产玄武岩石子 G大 ( 1 m】 ， G小 ( 1o tr r a ) ， 采用级配 G大 ( 1 5 ： G| x ( t 0 = 4 ： 6比例 。 表 3 粗骨料的性能分析 ( 4 ) 细骨料 ： 河北石家庄河砂 ， 细度模数 M= 2 5 ， 含泥 量 1 1 l 。 ( 5 ) 高效聚羧酸减水剂 ： 北京慕湖外加剂 有限公 司生 产 的聚羧酸减水剂 ， 其形态为粉体 ， 减水率 4 0 。 1 2试 验 方 法 混凝土力学性能试验按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混 凝土力学性能试验方法标准 进行测定 ， 测试抗压强度时 制作边长为 1 0 0 m m 的立方体试块 ， 标准养护到规定龄期 ， 按照标准试 验方法检测 混凝土 的极 限抗压强 度。 混 凝土 拌合物的工作性按照 G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 普通混凝土拌合 物性能试验方法标准 进行测定。 微观结构测试采用 E t 立 公 司 S - 3 4 0 0 型 扫描电镜 能谱分析 仪 ， 观察分析试 样微 观形貌 。 2 试验 结果与讨论 2 1 水胶 比及胶凝材料用量对 高强混凝土力学性 能的影响 水灰 比和水胶 比的大小直接对混凝土 的力学性 能起 着决定性作用 ， 所 以对不 同的低水胶 比对高强混凝土力学 性能 的研究 尤为重要 。 胶凝材料 的用量对混 凝土 的工作 性 ， 强度和混凝土的收缩都有显著影响 。 试验是通过不同水 胶 比和胶凝 材料用量对混凝土抗 压强度的影响规律进行 研究 ， 表 4 为混凝土试验配合 比。 表 4 不同水胶 比的高强混凝土试验配合比 试验选用的胶凝材料范 围是 6 5 0 9 0 0 k g m 3 水胶 比是 0 - 2 l 0 1 5 之间变化。 表 5 为混凝土试验测试数据。 由图 1 可 以看出， 在 6 5 0 k g 的相同胶凝材用量条件下 ， 具有最大水胶比 0 2 1 的 A 1 组混凝土抗压强度最低 ， 而其 他两组 的 5 6 d 抗 压强度都在 1 2 5 MP a 左右 。 在胶 凝材总 量为 6 5 0 k g的三组混凝土中工作性最优的为掺加超细矿粉 P 8 0 0 0 的 A 3 组 。 在胶凝材总量为 7 0 0 k g 时 ， 水胶 比为 0 2 0 的 A_ 4 ， A 5的二组混凝土 中， 抗压强度在后期都具有 良好 的发展 ， 5 6 d 抗压强度都超过 了 1 3 0 MP a ， 并且这二组混凝 土都具有优 良的工作性。 当水胶比为0 2以下时， 需要增加 胶结材用 量来保持混凝 土具有较好 的流动性。 从 表 5中可 5 6 表 5 水胶 比和胶凝材料用量对高强混凝土性能影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 窆 想 蜒 1 4 0 1 2 0 1 O O 8O 6 0 4 0 2 0 期达到 9 0 d时具有最 高的抗压强度为 1 4 6 4 MP a 。 这是因 为胶结材用量减少时 ， 流动性差 ， 成型密实较难。 2 2 掺合料对高强混凝土工作性和力学性能影响 试验中使用的掺合料主要有 I 级粉煤灰 、 $ 9 5 级矿粉 、 山 东鲁新生产 的超 细矿粉 P 8 0 0 0 、 普 通硅灰 、 三远硅灰 ( S i O 含量 9 0 和 9 5 两种) 。 试验混凝土配合比中掺合料的掺量 分别为粉煤灰 2 0 ， $ 9 5 级矿粉 2 0 ， 硅灰掺量 8 和1 0 ， P 8 0 0 0 超细矿粉为2 0 、 2 4 、 3 0 三个掺量， 表6为具体混 凝土试验配合 比。 通过 对 比不同掺合料的混凝土坍落度和扩展度 的大 小分析掺合料在高强混凝土 中的应用效果 ， 以及其对混凝 土抗压强度 的影响 ， 为 以后高强混凝土 的进一步试验提供 理论 数据支持 。 表 7为混凝 土工作性 和力学性 能测试 数 据 ， 图 2 、 3 为掺合料对混凝 土具体性能 的影响规律。 表 6 掺合料对混凝土性能影响试验配合比 表 7 不同掺合料混凝土工作性和力学性能 吕 星 、 犍 密 矗 、 疆 坍落度 扩展度 T作性能 养护龄期 ， d 图 3 掺合料对高强混凝土抗压强度影响 由图 2 可以看出， 掺加 2 4 的 P 8 0 0 0 超细矿粉的 B 3 组 新拌混凝土具有最优的工作性， 坍落度达到了2 6 5 m l T l ， 扩展 度为 7 4 5 m l T l ， 混凝土具有大流动度。 在坍落度同为 2 6 0 mm 情况下 ， 掺加超细矿粉 的 B 一 4 组扩展度好于未掺超细粉的 B 一 1 组 。 从图 3 可以看出， 掺加 I 级粉煤灰 B 1 组早期抗压 强度最高 ， 但后期 的强度增长缓慢 ， 掺 加了超 细粉混凝 土 2 8 d 后强 度增长 显著。 掺加 3 0 的超细矿粉 的 B 一 5 组 中 ， 前期强度较低 ， 但随着养护龄期的增加其 抗压强度增 大最 快 ， 5 6 d 时抗压强度达到了 1 3 7 5 MP a ， 这是 由于超细矿粉 掺量大影响了早期强度发展 ， 养护后期 中的活性 S i O ： 等物 质和其 自身的微细填充效应使混凝土后期强度增大。 2 3不 同水 灰 比混 凝 土 微 观 结 构 试验选取了水灰 比为 0 2 0和 0 1 5的两组混凝 土破坏 后 的硬化 浆体进行 了微观 结构观察 。 图 4 、 5 为水 胶 比为 0 3 0 的水泥浆体微观结构图 ； 图 6 、 7 为低水胶 比为 0 2 0和 0 1 5 时的微观结构图。 根据 T C P o w e r s 和 B r o w n y a r d等人 1 4 61 的研究 成果 ， 在普通混凝土中水泥完全水化时 ， 水泥凝胶孔具有 2 8 孔 隙率 ， 水 泥水化反应的结合水量约为水泥质量的 0 2 2 7 。 不 考虑水分迁移的理想状态下 ， 水泥完全水 化时的水灰 比为 0 3 7 8 。 水泥的完全水化过程是一个持续性的过程 ， 在实际情 况下水泥是不能达到完全水化 的程度 ，随着水灰 比的减 小 ， 水泥 的水化程度也越小 。 从图 4 、 5 可以看 出， 水灰 比为 0 3 0的水泥水化后 的机 构较为疏松 ， 因此孔 隙尺寸和孔 隙率均较大 ， 六方板状 的 氢氧化钙和针状钙矾石 的结晶度高 ， 即界面存在着大量疏 松而有缺陷的网络结构 ， 能够在水化产物 中明显的观察。 由 S E M 分析图 6 、 7 可以看 出， 低水胶 比条件下水泥等胶凝材 水化生成的 C S H凝胶相晶体与水泥颗粒整体胶结在一 气7 姗伽姗瑚0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 混凝 土材料 与配合 比。 混凝土所采用 的外加剂对 于混凝土结构 的裂缝影响也较大， 比如采用 的膨胀剂 、 水泥 种类 、 骨 料以及 水胶 比等等 ， 都是混凝土收缩裂缝 的影 响 因素。 首先， 在膨胀剂的选用方面， 可是选用一些合适的膨 胀剂 ， 让混凝土处于预压状态 ， 使得早期收缩变形减少 。 除 了要正确选用膨胀剂种类之外 ， 还需要注意膨胀剂的养护 条件。 加入膨胀剂之后 ， 再置于潮湿环境下养护会大大降低 其干缩应变 ， 在某些条件下还会发展成膨胀应变在控制收 缩裂缝方面非常有效 ， 当然这只适用于龄期较短的情况。 对 于龄期较长的混凝土构件 ， 膨胀剂是否能发挥作用还需要 进行试 验和研究 ， 同时需要根据工程的实 际情况来选用合 适 的膨胀剂种类 。 其次 ， 在水泥种类的选用方面 ， 也需要考 虑到水泥的水化热 ， 最好选用普通硅酸盐水泥等水泥量较 低的种类 。 再次 ， 对于骨料 的选择 ， 也需要考虑到骨料 的级 配 ， 选用洁净 的中砂等等 ， 同时要做好骨料 的保存工作 ， 避 免被 日晒或者淋湿。 最后 ， 对于水泥的水胶 比， 需要经过多 次试验 ， 最终确定合适 的水胶 比， 以便能够扩散水泥 内部 的水分 ， 降低混凝土 的收缩应变。 ( 3 ) 混凝 土的养 护条件。 做好混凝土 的养 护工作也能 够有效控 制收缩 裂缝 ， 所进行的试验清楚地表 明， 当混凝 土构件置于干燥高温的环境 中， 混凝土会产生较大的收缩 裂缝 ， 而 当混凝 土置于潮湿低 温的环境 中， 混凝土的干缩 应变会明显减少。 由此可见 ， 做好混凝土的养护工作对于控 制收缩 裂缝来说非常有效 。 通过在混凝土工程实践施工过 程 中， 首先要从思想上 重视混凝土的养护工作 ， 要针对工 程的具体 情况制定专门的养护方案 ， 并安排专人负责混凝土 的养护工作 ， 使其保持在较为恒定的温度与湿度环境 中， 并且 按照规范规定的时间来养护 ， 以利于控制混凝土收缩裂缝 。 以及 耐久性 ， 而混凝土结构收缩裂缝产生 的原 因有很多 ， 其影响因素也包括多个方面 。 通过进行大量试验 ， 对混凝 土结构收缩裂缝 的影响 因素进行 了分析 ， 并对 比了素混凝 土与配筋混凝土 的收缩应变 。 根据试验结果分析 ， 要有效 控制 混凝 土收缩裂缝 ， 需要配置适 当的钢筋 ， 合理确定混 凝土配合比， 并加强混凝土工程的后期养护。 参考文献 ： 【 1 陈士 良， 徐伟 ， 潘延平现浇楼板的裂缝控S U M 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 3 2 】潘延平坝浇楼板的裂缝控制【 M1北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 3 】梅明荣， 葛世平， 陈军， 等 混凝土结构收缩应力问题研究 J 1 河 海大学学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 1 ) 4 】张林俊， 宋玉普， 吴智敏 混凝土轴拉试验轴拉保证措施的研究J 1 试验技术与管理， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) f 5 游宝坤 建筑物裂缝控制新技术【 M E 京 ： 中国建筑工业出版 社， 1 9 9 8 6 】 崔国厌 混凝土7 b N U 国标 实施中应注意的几个新问题 混凝 土， 2 0 1 0 ( 1 ) 7 】覃维祖混凝土的收缩、 开裂及其评价与防治【 J l_混凝土， 2 0 0 1 ( 7 ) 8 】刘国林， 潘建雄， 陈树军 混凝土结构工程裂缝综合控制技术 J l_ 山西建筑 ， 2 0 0 8 ( 1 8 ) 【 9 马玉平 ， 张志权 ， 王渭涛 掺加 U型膨胀剂 、 粉煤灰的高性能混 凝土试验研究 J 1 _ 长安大学学报 ： 建筑与环境科学版， 2 0 0 3 ( 3 ) 【 1 0 】 肖 瑞敏， 张雄， 张小伟， 等 昆 凝土配合比 对其干缩性能的影o N J 混凝土， 2 0 0 3 ( 7 ) 作者简介 4 结论 联系 地址 收缩裂缝的存在极大地影响到了混凝土结构的质量 壁墨 皇 上接第 5 4页 出随粉煤灰掺量的增加， 有小幅度增加趋势。 对于更高掺量 ( 6 0 、 7 0 ) 粉煤灰引气混凝土配合 比设计时 ， 可以选取基 准砂率为 4 0 ， 在此基础上进行配合 比调试。 参考文献 ： 1 】袁晓露 ， 李北星 粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析 J I 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 4 3 4 4 【 2 王甲春 ， 阎培渝 粉煤灰掺量对 混凝土绝热温升的影响 建筑 材料学报， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 5 9 0 5 9 2 【 3 】周爱军 土木工程材料f M 】 _ E 京： 机械工业出版社， 2 0 1 2 上接第 5 8页 I1 1 3 1 王甲春， 司培渝 压制低水胶比条件下硅酸盐水泥一 粉煤灰体系 的水化分析 J 1 _硅酸盐通报， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 8 7 9 0 【 1 4 P O WE R S T C T h e p r o p e r t i e s o f f r e s h c o n c r e t e M N e w Y o r k ， J o h n Wi l e y a n d S o n s I n c ， 1 9 6 8： 5 3 3- 6 0 3 ( 1 5 P OWER S T C， BR OWNYA RD T L S t u d i e s o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d P o rt l a n d c e me n t p a s t e C B u l l e t i n 2 2 o f t h e R e s e a r c h L a b o r a t o r i e s o f t h e Po rtl a n d Ce me n t As s o c i a t i o n， 1 9 4 8 张厌芳 ( 1 9 6 6 一 ) ， 女， 硕士 ， 副教授 ， 主要研究方向 ： 混 凝土及房屋建筑学。 湖北省孝感币交通大道 2 7 2 号 湖北工程学院城市建 设学院 ( 4 3 2 0 0 0 ) l 3 98 6 4 6 531 5 【 4 何锦云 砂率对混凝土和易性及强度影响的试验研究 J 】 河北建 筑科技学院学报 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 2 7 3 0 【 5 】王立久混凝土副 圭 砂率数学模型研究I J 】 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 2 9 3 5 【 6 】 成唯佳 ， 覃维祖 粉煤灰混凝土优化配制技术研究I J 1 施工技术 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 6 6 7 0 作者简介 联 系地址 联 系 电话 张静( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 讲师 ， 研究方向： 工程管理。 山东省淄博市张店区张周路 1 2 号 山东理 工大学建 筑工程学院( 2 5 5 0 4 9 ) 1 5 9 53 3l 6 21 3 【 1 6 T AYL O R H F WC e me n t c h e mi s t r y 【 M1 L o n d o n ， T h o ma s T e l f o r d S e r v i c e s Lt d， 1 9 9 7 作者简介 联 系地 址 联 系 电话 霍亮( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 工程师， 主要研究方向 ： 高性能混凝 土技术 、 植生及透水混凝土等。 北京币顺义区林河大街 1 5 号 ( 1 0 1 3 0 0 ) 0l O 一8 9 49 8 8 6 6 3l 3 5 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m