化学外加剂对混凝土气孔结构及水化的影响.pdf

能 材 料 2 0 1 3 年第2 3 期( 4 4 ) 卷 文章 编号 ： 1 0 0 1 9 7 3 1 ( 2 0 1 3 ) 2 3 3 4 1 6 0 5 化 学外加剂对 混凝 土气孔结构 及水化 的影响 高 辉 ， 张雄 ， 张永娟 ( 同济大学 先 进土木 工程材 料教 育部重 点实验 室 ， 上 海 2 0 1 8 0 4 ) 摘 要 ： 通 过化 学外加 剂 来调 节 混凝 土 内部 的 气 孔 结构 ， 研 究调 控 组 分 H 对 掺 有 引 气 剂 混 凝 土 气孔 结 构 、 性 能的影 响 规律 ， 并利 用 X 射 线 衍 射 ( XR D) 及 热 重一 差 示扫描 量热 ( TG D S C ) 分析 方 法 ， 研 究 了化 学 外 加 剂对 水泥浆 体水化 产物及 水化进 程 的影 响 。研 究表 明 ， H 掺 量为 0 2 -一 时 ， 混凝 土的综 合 性 能达 到 最 佳 ； 当掺 加调控 组 分混凝 土 ( KH2 ) 总孔 隙率与基 准混凝 土 ( K) 相近 时 ， 增加 1 0 2 0 0 m 范 围孔 径 的 孔 隙 率 ， 减 少 2 0 0 1 6 0 0 , m 范围孔径 的孔 隙 率 ， 使 平 均孔 径 及 气泡 间距 系数 减 小 ， 抗压 强度提 高 ； 化 学外加 剂掺 加 到 水泥浆 体 中， 并没有 新的 晶相 生成 ， 并且 对 水泥 浆体 水 化 进程 没有 明显影 响 。 关键 词 ： 气孔 结构 ； 性能 ： 化 学外加 剂 ： 水化 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 4 2 文 献标识 码 ： A D( ) I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 O 1 - 9 7 3 1 2 0 1 3 2 3 0 1 3 l 引 言 人们通过多年来的实验研究发现适 当控制混凝土 的含气量和孔结构对混凝土性能具有显著 的改善作 用 。 】 ， 例如能提高混凝土的抗冻性、 抗渗性、 均质性、 强度 ， 改善混凝 土 的流 变性 以及增 强 混 凝 土 的体 积 稳 定性等 。对 混凝 土 的 含气 量 和 孔 结 构进 行 质 量 控 制 ， 已经成 为配制 高性能 混凝 土的一项 重要 技术 。 在 混凝 土气泡 结 构 中 ， 并非 所 有 的 气 泡都 是 有 益 的 ， 一 般认 为泡 径小 、 分 布 均 匀 、 构 造 稳 定 的气 泡 是 有 益 的气 泡 ； 反之 ， 泡径 大且 尺 寸不 一 、 不 均匀 、 不 稳 定的气泡就是有害气泡 1 1 3 。十二烷基苯磺酸类引气 剂是 目前 我 国市 场 上 主要 使 用 的 一种 引 气剂 ， 但 十二 烷基 苯磺 酸类 引气 剂 所 产生 的气泡 体 积 大 、 气 泡稳 定 性差 。所 以本 文通过化 学外 加剂来 调节混 凝 土 内部 的 气孔结构 ， 使混凝土中的气孔结构得以改善， 进而改善 混凝 土 的相关性 能 。 2 实 验 2 1 原材 料和 配合 比 水泥 ： 安徽 宁国海 螺 P H 5 2 5 ； 细 集料 ： 中砂 ， 细度 模 数 2 5 4 ； 粗集料 ： 选用 了粒径 为 5 2 5 mm， 表 面 比较 粗 糙且 质地 坚 硬 的玄 武 岩 碎 石 ； 水 ： 上 海 自来 水 ； 引气 剂 K： 十二烷基苯磺酸钠 ， 白色粉末 ， 固含量 为 8 8 0 ； 气 孔 调控组 分 H： 自发配制 的以环糊精 和阿拉伯 树胶 为主要 成分 的气孔调节剂 ， 具有调控 、 稳泡 的作用 。 实验 首先 用上 述 材料 配 制 混凝 土 试 件 ， 每 方 混 凝 土 的配合 比为 ( W )： ( C)： m( S )： ( G) =2 0 4 ： 3 7 0： 8 1 8： 1 0 0 0 ， 试件采 用标 准养护 ， 养 护龄 期分 别 为 7 、 2 8 d 。该试 件尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm， 每个 配合 比成 型 4个试 件 ， 3个 试件 用 于测 试 其 抗压强 度 ， 1个 试件 用 于测 试 其 气 孔 结 构 。 引气 剂 及 气孑 L 调 控组 分按水 泥用量 的质量 分数 掺加 。 2 2 实验 方法 2 2 1 混凝 土性 能测试 参照 国家标准 GB T5 0 1 0 7 2 0 1 0对 上述 混 凝 土试 样 进 行 7 、 2 8 d抗 压 强 度 测 定 ； 参 照 标 准 J G T2 4 8 2 0 0 9对新 拌混凝 土坍 落度进行 测定 ， 结果 见表 1 。 表 1 外 加剂掺 量及 混凝 土基本 性能 Ta bl e 1 Dos a g e o f c h e m i c a l a dm i x t u r e s a n d b a s i c pr o pe r t i e s K 掺 量 H 掺 量 坍 落度 7 d抗 压 强度 2 8 d抗 压 强 度 组 别 ( ) ( ) ( mi D _ ) ( MPa ) ( MPa ) K 0 05 0 0 0 1 75 25 - 8 3 4 6 KH 1 0 05 0 05 18 O 27- 8 39 4 KH 2 0 05 0 2 0 2 00 27 3 39 8 KH 3 O O5 0 4 0 l9 O 29 1 40 5 2 2 2 混凝土 气孔结 构参数 测试 从 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的养 护 7 、 2 8 d混 凝 土试件 上切 割 1 0 0 mm1 0 0 mm2 O mm 的薄 片 。 用 磨 片机打磨 观测 面 ， 用抛 光机抛 光观 测 面 ， 清 洗 观测 面 ， 并用 黑色 墨水 均 匀 涂黑 观 测 面 。将 混凝 土切 片 置 人 烘箱 在 ( 1 0 5 - + - 5 )条 件下烘 干 ， 用 5 0 n m 级 碳 酸钙 填 充气 孔并用 绒 布擦 掉 表 面多 余 纳 米碳 酸 钙 ， 此 时可 以清 晰分 辨 出观测 面上 的气 孔 。用带 电子 目镜 的体 视 显 微 镜 观 察 拍 照 ， 其 测 试 面 积 为 8 1 0 0 mm ， 根 据 AS TM C 4 5 7 ， 测试 最小 样 本数 为 1 个 面 。最 后 用 I m a g e P r o P l u s 6 0对显 微 图片进行 处 理 测量 ， 得 到 所需 气孔结 构参 数 。图 1 为混 凝土气 孔结 构定 量体 视 学 图 像分析图谱 。其中， 图 1 ( a ) 为原始 R GB图像 ， 图 1 ( b ) 为灰度处理后的灰 阶八位 图像， 图 1 ( c ) 为二值化后的 * 基金项 目： “ 十二五” 国家科技支撑计划 资助项 目( 2 0 1 1 B A J 0 4 B 0 5 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 3 9 1 ) 收到初稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 1 7 收到修改稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 0 3 通讯作者 ： 张雄 作者简介 ： 高辉( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 河北廊坊人 ， 在读博士 ， 师承张雄教授 ， 从事建材功能材料研究 。 壹 鳖 笠! 堂 塑 笙塑垦 墅 5 )J g 。图 1 0为水泥浆体水化 2 8 d的 TG曲线。如 图 1 0所示 ， 无论是否掺加化学外加剂 ， 水泥浆体的 TG 曲线 几乎 没有 明显 差别 。 Ai r v oid d i a me t e r p m 图 6 K和 KH2的 7 d孔径分布 Fi g 6 Ai r v o i d s i z e d i s t r i b ut i on o f K a nd KH 2 f o r 7 d Ai r v o i d di a me t e r p m 图 7 K 和 KH2的 2 8 d孔径 分布 Fi g 7 Ai r v o i d s i z e d i s t r i but i o n o f K a n d KH 2 f o r 2 8 d 2 e ( 。) 图 8 水 泥浆 体水 化 2 8 d时的 X RD谱 Fi g 8 XRD s pe c t r a o f c e me nt p a s t e s f o r 28 d Fi g 9 DSC s pe c t r a o f c e m e n t p a s t e s f o r 28 d 通过 对水 泥浆 体水 化 分 析表 明 ， 化 学 外 加 剂 K 和 H掺加到水泥浆体 中， 没有新的晶相生成 ， 并且对水泥 浆体 水 化 进程 没 有 明显 影 响。这说 明混 凝 土试 样 KH2的性 能之所 以较基 准混 凝土 K 好 ， 是 因为其气 孔 结构得到改善所致 。 Fi g 1 0 TG s p e c t r a o f c e m e nt pa s t e s f o r 2 8 d 4 结 论 通过化学外加剂来调节混凝 土内部 的气孔结构， 研究调控组分 H 对混凝 土气孔结构 、 性能 、 水化 的影 响 。得 出 以下结论 ： ( 1 ) 当 H 掺 量 为 0 2时 ， 混凝 土 的性 能达 到最 佳 ， 此 时 其 2 8 d抗 压 强 度 较 基 准 混 凝 土 K 提 高 5 2 MP a ， 其坍 落 度提 高 2 5 F i l m。 ( 2 ) 随 调 控 组分 H 掺 量 的增 加 ， 混凝 土气 孔 结 构得 到 改善 ， 其 平均 孔 径 逐 渐 减小 。当 掺加 调 控 组 分 混凝土总孔隙率与基准混 凝土相近时， 增加 1 O 2 0 0 m范 围孔径的孔隙率， 减少 2 0 0 1 6 0 0 x m范围孔径 的孔 隙率 ， 使 平均孔 径 及气泡 间距 系数 减小 ， 抗 压 强度 提 高 。 ( 3 ) 通 过对水 泥浆 体水 化分 析表 明 ， 化学外 加 剂 掺加 到水 泥浆 体 中 ， 并没 有新 的 晶相生 成 ， 并 且 对水 泥 浆体 水化 进程 没有 明显影 响 。 参 考文 献 ： 1 于孝 民 ， 梅明荣 ， 任青 文 新 型引气剂 对 中低 强度 等级 混 凝土抗冻性 能影 响 的试验 研究 J 混凝 土 ，2 0 0 9 ，( 9 ) ： 69 - 71 E 2 C h a t t e r j i S F r e e z i n g o f a i r e n t r a i n e d c e me n t b a s e d ma t e r i a l s a n d s p e c i f i c a c t i o n s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t s J C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ，2 0 0 3 ，2 5( 7 )：7 5 9 7 6 5 3 刘铁军 ， 刑峰 ， 隋莉莉 ， 等 气 泡对 纤维混凝 土阻尼性 能 的影 响 J 功能材料 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 2 3 2 8 4 K i m H K，J e o n J H，L e e H KWo r k a b i l i t y ，a n d me c ha n i c a l ，a c o us t i c a nd t h er ma l pr op e r t i e s o f l i ght we i g ht a g g r e g a t e c o n c r e t e w i t h a h i g h v o l u n l e o f e n t r a i n e d a i r J Co ns t r uc t i o n a nd Bu i l d i n g M a t e r i a l s ，2 01 2，2 9： 19 3 - 20 0 E 5 王晓冰 ， 蔡燕 霞 ， 臧芝树引气剂 掺量 对水泥 混凝 土流变 性能影响 分析 J 河 北交 通 职业 技术 学 院学 报 ， 2 0 1 0 ， 7 ( 3)：3 2 - 3 4 6 De o O，N e i t h a l a t h N C o mp r e s s i v e b e h a v i o r o f p e r v i o u s c onc r e t e s a nd a q ua n t i f i c a t i on o f t he i n f l ue nc e of r a nd o m p o r e s t r u c t u r e f e a t u r e s J Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i ng A ， 2 01 0， 5 28： 402 41 2 E 7 王 剑 ， 张金喜 高流动混凝土孔分形 特征及其与抗冻性 的关系 J 混凝土 ，2 0 1 1 ， ( 1 2 ) ： 1 2 1 5 E 8 3 L e y M T，F o l l i a r d K J ，Ho v e r K C Ob s e r v a t i o n s o f a i r - 1 O O O O 0 蔷l s o o p a P J 0 8 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O O O l s o J o A p a e J o 3 4 2 0 助 财 料 2 0 1 3 年 第2 3 期( 4 4 ) 卷 Re s ， 2 0 1 1 ，4 1 ( 1 0 ) ：1 0 6 7 1 0 7 7 陈应 钦 引 气剂 的作 用及 高 性能 混凝 土 引 气剂 的研 究 j 新型建筑材料 ， 2 0 0 2 ， 2 ： 1 - 2 薛庆 引气剂与混凝土高性 能化 J 混凝土 ， 2 0 0 5 ， 4 ： 2 2 2 5 Ku ma r R，B h a t t a c h a r i e e B Po r o s i t y，p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n a n d i n s i t u s t r e n g t h o f c o n c r e t e J C e m C o n c r Re s， 2 00 3， 33 (1 )： 1 55 1 64 b u b b l e s e s c a p e d f r o m f r e s h c e me n t p a s t e J C e m C o n c r Rc s ， 2 0 09， 3 9： 4O 9 4 1 6 I e y M T，Ch a n c e y R，J u e n g e r M C G，e t a 1 Th e p h y s i c a l a nd c he m i c a 1 c ha r a c t e r i s t i c s o f t he s he l l of a i r e n t r a i n e d b u b b l e s i n c e me n t p a s t e J C e m C o n c r R e s ， 2 0 09， 3 9： 41 7 - 4 25 W on g H S， Pa p pa s A M ， Zi mme r ma n R W ， e t a 1 Ef f e c t o f e nt r ai ne d a i r v oj d s o n t he mj c r os t r uc t u r e a nd n l a s s t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e J C e m C o n c r E 1 2 1 3 Ef f e c t o f c h e mi c a l a d mi x t u r e s o n a i r v o i d GA( )H u i ，ZHANG Xi o ng， s t r u c t ur e a n d h y d r a t i o n o f c o n c r e t e z HANG Yo n g j u a n ( Ke v La bo r a t o r v o f Ad v a nc e d Ci v i l Eng i ne e r i n g M a t e r i a l s of t he M i ni s t r y o f Ed u c a t i on， To n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e e f f e c t s of t he r e g ul a t e d c o m p on e n t s ( H )o n t h e a i r v o i d s t r uc t u r e a nd pr o pe r t i e s of a i r e nt r a i n i n g c o n c r e t e we r e s t u d i e d I n a dd i t i o n，t he hy dr a t i o n d e g r e e a nd t he p ha s e c ompo s i t i o n s o f c e me n t p as t e s we r e s t ud l e d b v t h e r m o g r a v i me t r y - di f f e r e n t i a l s c a n ni n g c a l o r i me t r y ( TG DSC)a n d X r a y d i f f r a c t i o n ( XRD) The r e s ul t s s h owe d t h a t whe n t he d os a g e o f H wa s 0 2 。 ，t he c o nc r e t e a c h i e v e d t he b e s t c ompr e h e n s i v e p e r f or ma nc e Th e a v e r a ge a i r v o i d di a m e t e r a n d me a n f r e e s p a c i ng i n a i r e n t r a i n i n g c on c r e t e we r e d e c r e a s e d a nd i t s c o m p r e s s i v e s t r e n gt h c o ul d be i m p r o v e d d ue t o t he i nc r e a s e o f t he po r o s i t y of t he a i r v o i d s i z e r a ng i ng f r om 1 0 t o 2 0 0 m a nd d e c r e a s e of t he p or o s i t v r a n gi n g f r om 2 0 0 t o 1 6 0 0 m Fur t he r mor e，t he e f f e c t o f c he m i c a l a dmi xt u r e s o n t he d e gr e e o f c e me nt h yd r a t i on wa s n ot r e ma r ka b l e a nd no f o r ma t i on o f n e w ph a s e i n c e me n t pa s t e s Ke y wo r d s：a i r v o i d s t r u c t u r e；p r o pe r t y；c he mi c a l a d mi x t u r e s；h y d r a t i o n 逝业出妇业船出 业妊船妇出 坐始 出盛坐 船坐船 船船业妇业妇坐船些业韭业船逝妇啦出啦船业业 (卜 - 接第 3 4 1 5页 ) Pr o p e r t i e s o f Ga N f i l m g r o wn b y hy d r i d e v a p o r p ha s e e p i t a x y I I U Z h a n h u i ， ZHANG I Hi ， LI Qi n g f a n g ， XI U Xi a n g q i a n ， Z HANG Ro n g ， XI E Z i l ( 1 Sc ho o l o f Phys i c s a n d ( ) pt o e l e c t r on i c En g i ne e r i n g， Na n j i n g Un i v e r s i t y o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e Te c h n o l o g y，Na n j i n g 2 1 0 0 4 4，Ch i n a ； 2Ke v I a b or a t o r y o f Adv a n c e d Pho t o ni c a nd El e c t r on i c M a t e r i a l s， S c h o o l o f E1 e c t r o n i c S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，Na n ) i n g Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ： The hi gh c r y s t a l q u a l i t y Ga N f i l m h a s be e n s u c c e s s f ul l y g r o wn b y hy d r i de v a p or p ha s e e pl t a x y (HVPE ) a nd t he pr o pe r t i e s of Ga N e pi l a y e r s ha v e be e n i nv e s t i ga t e d by hi g h r e s o l u t i o n X r a y d i f f r a c t i o n (HRXRD)Ra m a n a n d p ho t o l umi ne s c e n c e( PI )m e a s ur e me nt s The t e m p e r a t u r e d e p e nd e nc e of ph o t o l u m i n e s c e nc e ha s be e n s t ud i e d p a r t i c u l a r 1 yX r a y r o c ki n g c u r ve s ( XRC) s h owe d t ha t t he f ul l wi d t hs a t ha l f ma x i m um ( FW H M ) o f (0 0 2) a n d (1 0 2) we r e 3 2 2 a n d 3 7 5 a r c s e c， r e s pe c t i v e l y Te m p e r a t ur e de pe nd e n t PI s pe c t r a s ho we d t h a t t he n e u t r a l d o no r bo un d e xc i t on s( D。 X)e m i s s i o n a n d f r e e A e xc i t o ns r e c o m b i na t i o n p e a ks r e f l e c t e d t he s hr i n ka g e of t he ba nd g a p，bu t t he pe a k e ne r gy a nd t he i nt e g r a t e d i n t e ns i t y of l l ong i t u d i na l o pt i c a l( LO) D ho n on r e p l i c a o f t he f r e e A e x c i t o ns e x hi bi t e d n on mon o t o ni c v a r i a t i on s wi t h I nc r e a s i n g t e mpe r a t u r e ， w n1 c n mi g ht b e r e l a t e d t o t he e xc i t o n p ol a r i t o n d i s pe r s i o n e f f e c t s o f t he f r e e e x c i t o ns c a u s e d b y ga in e xt r a k i ne t i c e n e r g Y wi t h i nc r e a s i n g t e mp e r a t u r e H RXRD m e a s u r e me n t s，Ra ma n a nd PL s pe c t r a a l l r e v e a l e d t ha t bi a xi a l i n pl a ne c om D r e s s i ve s t r a i n ( a bo ut 0 26 GPa )e x i s t e d i n t h e Ga N l a y e r a nd t h e r e s u l t s de du c e d f r o m t he t hr e e me t ho d s we r e i n g o od a gr e e m e nt Ke y wo r d s ：g a l l i u m n i t r i d e；hy dr i d e v a po r ph a s e e pi t a x y；hi g h - r e s o l u t i o n X- r a y d i f f r a c t i o n；Ra ma n s p e c t r a；t e m p e r a t u r e d e p e n de nt p h o t ol u mi n e s c e n c e s pe c t r a