孔隙体积变化对热处理砂浆的传输和孔隙弹性性能的影响

1、孔隙体积变化对热处理砂浆的传输和孔隙弹性性能的影响法国Chen X.-T.法国Caratini G.法国里尔大学Davy C.A. Skoczylas F法国国家科学研究中心Davy C.A. Skoczylas F法国里尔大学Shao J.F.摘要本文对熟化砂浆经过400摄氏度的热循环之后给出实验结果与理论分析(W / C)= 0.5 (低于氢氧化钙分解的温度范围)。在这样的分解过程,砂浆微观结构有显著影响,其主要的C-S-H凝胶相大量脱水。同样也影响预期的孔隙网络和固体骨架形态。我们的主要目的是评估经过400摄氏度最大热循环微观结构和宏观性能变化之间的关系,。用气体渗透率作为主要评价指标的

2、材料耐久性与传输性能是有内在联系的。力学性能是使用几个孔隙弹性参数进行评估的:排水体积弹性模量Kb,固体基质体积弹性模量Ks和毕奥系数b。一个原型实验也允许评估在静水应力循环下孔隙体积变化。首先,经过60摄氏度初步干燥的完整样品 ，和经过105、200、300和400摄氏度热循环的完好样品，测定气体渗透率和孔隙率 .完整材料和加热到105摄氏度的材料的气体渗透率对限定的压力变化不太敏感,这不利于主要微裂缝、微观结构和形态的变化。相反, 孔隙率有明显的增加，经过200、300和400摄氏度加热循环后才能观察到气体渗透率Kgas。加热到200摄氏度及以上气体渗透率Kgas在增加约束时不可逆转地减小

3、。这是由于裂纹闭合和或部分非闭合的孔隙网络崩溃或合。其次, 在封闭循环下孔隙弹性性能和气体渗透率是同时测量的。对于热循环温度200摄氏度以上, 当渗透率不可逆转地随着约束减小时，割线排水体积弹性模量Kb减小。Kb减少。先前的研究(XT Chen, CA Davy, F Skoczylas, JF Shao, Cem Concr Res (39) pp.195-205 2009)也表明, 对于材料热循环到200摄氏度及以上时固体基质体积弹性模量Ks和毕奥系数b两者都会随着约束而减少,这样的变化被解释为是由于微观裂纹闭合和或闭塞的孔隙率增加。第三,我们用实验验证了我们对孔隙弹性和渗透率发生变化的解

4、释 ，即在静水载荷下通过测量连通孔隙率的变化。为此,我们开发了一个原型实验，在给定的静水应力条件下，对非闭合孔隙体积进行量化，通过静态注入氩气。对于200摄氏度以上热处理砂浆，显著的不可逆的闭塞孔隙的产生得到了证实。独创性这项研究是与第十三届ICCC会议的下列主题相关的：(1)混凝土耐久性(气体和离子传输过程：渗透、扩散和建模);(2)新浇混凝土和硬化混凝土的性能(微观结构和性能之间的关系)。我们独创性贡献主要在于渗透率和孔隙弹性之间的耦合识别，由于热循环400摄氏度在微观结构的变化关系。我们也提出一个实验方法来验证我们观察到的在微观结构和形态变化的方面的宏观结果的解释。主要贡献我们的主要贡献

5、是与我们研究独创性相联系的，在第十三届ICCC会议文章中的(前一个段落)。更准确地说，我们同时识别热循环400摄氏度后孔隙弹性和气体渗透率的变化.我们释观测到的这些性质的变化是由于孔隙网络的改变。这是利用原型实验参数验证的结论，实验表明在非闭合的孔隙体积明显减小。关键词:热循环, 孔隙弹性、气体渗透率、非闭合的孔隙体积、闭塞的孔隙度1-前言水泥基材料广泛应用于土木工程领域。有时,他们可能会受到诸如机械负荷和高温，如在隧道或建筑的火灾事故 (超过1000°C),或在放射性废物贮存室(高达80/100°C)。,水泥基材料暴露于高温带来了各种性能变化,例如。它们的孔隙微观结构改变

6、(Rostasy etal。,1980年), 水力学和机械性能(et al。,2000年),和他们的微裂纹也广泛报道(Fu et al。,2004)。砂浆和混凝土可能被视为非匀质的两相材料组成的多孔水泥浆与骨料颗粒的组合。当这样一个材料受到高温、化学分解的水泥胶体(Mounanga,2003)和微裂缝(傅et al。,2004年)都会导致固体基质剧大的变化以及影响多孔网络传输特性。例如，对于一个熟化的砂浆(W / C)比值为0.5, 在一定温度下直接进行气体渗透率测量 (狮子et al。,2005年): 在200°C的观察到渗透率有很明显的增加。这是由于灰浆在这个温度下微裂纹发展成为

7、连通的。对于一个加热的水泥净浆(更匀质材料),(Piasta,1984)报道, 超过300°C微裂缝的发展显著增加。(陈et al。,1999年)还表明, 对于高强度混凝土和正常强度混凝土的微观结构，高温对孔隙晶粒有粗化作用。他们认为粗化效果的原因之一在温度低于强度损失600°C和这个效果也会降低在高温下混凝土相关耐久性的渗透性。这项工作的目的是为了阐述温度 (400°C)和围压在模型材料的孔隙弹性和传输特性方面的作用,即一个成熟的(W / C)= 0.5灰浆。进行了一个原型实验,这使假说得以证实,一个不可逆的，在第一次加载后部分孔隙关闭,正如之前假设 (陈等人。

8、,2009)。400°C被选择作为最大的热处理温度,研究普遍认为C-S-H分解发生在105和400°C之间，而羟钙石和方解石分解高于400°C(Mounanga,2003)。2 -材料和实验方法2.1 -材料制备和抽样砂浆采用水灰比(w / c)0.5、标准分级砂(法国勒卡特)和型水泥CEM II/B-M (LL-S) 32.5R。为了进行孔隙弹性和气体渗透率测试,养护6个月后熟化基本完成，圆柱体样本直径37毫米高度70毫米，初步在60°C的参考温度下烘干直到恒重。除了参考样品外,其他样本加热到105、200、300、或400°C。在加热和冷却

9、过程中，温度速率保持常数20°C / h。在每个温度水平等温度稳定一小时后按照编写的程序进行冷却，遵循同样的步骤如(Chen et al., 2009a)。此外,为了测量静水应力下非闭合孔隙的体积，一个完好无损的砂浆样品(直径65毫米和高60毫米)和两个样品加热到400°C， 如上所述采用相同的热循环。(直径65毫米和高度90毫米)同样进行了测试。2.2。排水体积弹性模量Kb的测量气体渗透率Kgas所有测试在一个经典的三轴压力室进行，它允许施加一个恒定的静水压应力H(或约束力Pc)到样品,见图1。对于孔隙弹性测试和耦合气体渗透实验,样品配备一组两个纵向和两个横向应变(1,2

10、)和(3,4)分别),所有放置在中间高度。体积应变推导采用均匀介质假设:v = 3(1 +2 +3 +4)/ 4。通过定义(Coussy-04), 当考虑一个均质、各向同性多孔介质在常数孔隙压力p和受到一个变异在静水压力H =Pc,排水体积弹性模量Kb给出了:其中，v是由于静水应力变化Pc引起的体积应变变化。Kb是由方程（1）推导出的。,表示在卸载阶段的Pc = 5 mpa的应力-应变曲线(v,Pc)线性插值的斜率，它因此是一个割线体积弹性模量Kb。当假设这样一个有限的卸载只释放弹性能,确定Kb必然会限定在弹性范围。此外，这个样品当围压增加或减少时是在两端自由排水：在所有的测试中p依然等于大气

11、压力Patm(零相对压力)。排水模数Kb提供了一个评估固体骨架变形性质的参量(Coussy,2004),( Chen et al., 2009a)。对于一个水泥基材料，Kb解释了（a）水泥胶体的变形性能，即水化硅酸钙的 (C-S-H)为主的变形，以及其他各种凝胶相(如氢氧化钙Ca(OH)2、水化铝酸盐类或钙矾石),和(b)连通和非连通孔隙网络。图1:三轴压力室，注气系统用于气体渗透率测量。在三轴测试中，在每个特定的压力值，采用一个准静态流量评估方法测量气体渗透率Kgas。详细查看例子(Chen et al.2009b)。注入的氩气压力p范围从1.27到1.38 MPa，一个用于渗透性评价的压力

12、减少梯度P为 0.01 - -0.06 MPa。2.3。在压力条件下孔隙体积变化的测量方法所有这些测试都在一个22°C温度控制室进行的，,以避免可能的热围压或注气压力的变化。的气体试验仪表的主要部分在图示2。应该注意，阀门n2和n3可从两端阻止气体进入样品，都非常接近三轴压力室，因此，对于样品，在实际测试之前，校准原有的体积Vtube是必要的 (Vtube是仪表循环管内的气体体积)。沿着所有的这些步骤，阀门n2和n3继续保持关闭。测试开始时，打开阀门n1、与阀门n4和n5，为了让氩填充缓冲储层和循环管。经过几分钟的气体流量，阀门n1被关闭，以隔离贮气罐和缓冲储层和循环管。用压力计n1

13、测量初始气体在缓冲储层压力内Pi1,其中有一个已知的体积Vr(这里= 0.4升)。同时，关闭两个阀门n。4和n。5气体从循环管排出，同时也打开排气口(图中没有画出)。然后，排气口被再次关闭， 阀门n。4和n。5被再次打开。存储在缓冲储层的气体渗透到Vtube循环管。经过几分钟稳定后（30分钟），我们测量一个新的气体压力Pi2，而且总的体积(Vr + Vtube)。采用理想气体定律，得到：Pi1 Vr = Pi2(Vr + Vtube)，只有原有体积Vtube是未知的。经过校准后，样品放置在三轴压力室内，在给定围压Pc下，测量非闭合孔隙的体积Vp。再次，氩气是注射在循环管和缓冲储层内，两个阀门n

14、。2和n。3关闭。在这一步阀门n。4和n。5打开。一旦阀门n。1关闭，压力表n。1测定稳定后的气体压力P1。然后,阀门n。2和n。3被打开。当压力计n。1和n。2显示同一个值P2，它意味着样品非闭合的孔隙网络是完全被氩气充满的。这个饱和可能需要到半小时:这取决于样品实际渗透率。,由压力计n。1或n。2记录气体压力值P2。使用理想气体定律,得到：P1 (Vr + Vtube) = P2 (Vr+Vtube + Vp)，Vp是样品在给定围压Pc下非闭合孔隙的体积。最后，围压Pc可能变化至更高或更低的值，最小初始值为1.7 MPa，和相应Vp值是用相同方法进行测量的。在Pc变化时，正常孔隙体积Vp

15、/Vp(Pc=1.7MPa)可绘制于图中,见图5。图2：孔隙体积变化测量设备,使用注气通过样品连通的孔隙网络。样品放在三轴压力室，如图1。最小初始围压Pc = 1.7MPa。3,结果与讨论3.1。排水三轴试验结果和相关的透气性随着热处理温度T增加，正常砂浆气体渗透率对围压的变化显示更大的灵敏度，见图3(左): 超过200°C， 当增加围压Pc时，Kgas明显降低。这个观察发现得到了更详细的研究，通过对一个额外的样品加热到400°C进行孔隙力学和气体渗透率耦合测试，然而，测试到60 mpa，和我们之前的研究相比(Chen et al., 2009a),见图3(右)。对于普通完

16、整的砂浆,(v,Pc)数据符合于线性和脆性变形特点,如图3(右)。这意味着没有明显的塑性变形对普通完整样品。相反，对样品加热到400°C,(v,Pc)行为是高度非线性和韧性，而且砂浆变得更可变形，(约为完整样品的三倍以上)。非线性和塑性应变的发展是相互一致的，这是由于微裂纹的闭合和逐渐崩溃的固体骨架(或trabecules)，正如(Chen et al.2009a)提出来的。因为在不同围压下不同的裂缝闭合,结果热处理灰浆的应力-应变曲线是非线性。随着围压增加，热处理200°C及以上的砂浆的割线Kb 明显增加 (Chen et al.2009a)。在这项研究中,一个额外的样品

17、加热到400°C经过测试，仍然达到60MPa，见图4(左)。在前25 MPa，这个额外的样品很好的符合之前的研究结果，见图3(右)。在这第一个加载卸载循环中，随围压增加，Kb增加。; 在围压Pc=10 MPa, Kb达到7645 MPa，在60 MPa围压下，Kb几乎翻了一番，其值达到14400 MPa。Kb随着围压Pc增加而增加，这是由于微裂纹的闭合和一些多孔网络崩溃(如上)。此外，我们已经证实(陈等人。,2009)，完整普通砂浆(60°C干燥)有一个常数Kb16000MPa，与围压变化无关。因此，额外样品在60 MPa围压下 (热处理400°C) 的Kb值是接

18、近完整砂浆的，虽然它很小。两个值之间的微小差异是由于孔隙结晶粒粗大化或热处理到400°C后固体水泥浆基体的化学降解产生的。图3:(左) 热处理温度增加下，气体渗透率Kgas对围压Pc的反应；(右) 对两种热处理到400°C完整砂浆样品三轴排水试验结果，测试到或者25 MPa (虚线)或60 MPa (灰色线)。图4:结果一静水压力试验60 MPa和气体渗透率耦合测量：(左):静水压力Pc从60 MPa下降到5MPa的体积应变v；(右): 气体渗透率Kgas作为在同一围压实验下的一个函数。类似于测定Kb、不同的压力下记录气体渗透率，见图4(右)。在第一次加载循环到60MPa时

19、，渗透率下降很大，所以除以3.5作为比较的初始值。经过卸载后，任何后续的加载/卸载周期不允许恢复初始渗透率值:它是不可逆地降低下来，数值在8.10-17 -16 m2范围内变化。这种渗透率Kgas不可逆的下降被认为是部分连通孔隙网络产生不可逆的闭合。这样也解释了热处理后体积弹性模量Ks对压力变化的反应，详细介绍见(Chen et al.2009a)。3.2。在不同的约束下非闭合孔隙体积的测量图5: 在不同压力下两砂浆样品热处理上到400°C正常孔隙体积变化和40 mpa(黑色线)或60 mpa(灰色线) 的测试。对于完整的样品(没有热处理)，当围压Pc从1.7 MPa增加到40 MP

20、a时，非闭合的孔隙体积的变化值等于Vp =(32680 - 32270)= -410 mm3，。这种减少值只相当于初始孔隙体积1.2%：这是由于水泥胶体固体基质缺乏明显的微裂纹。这是按照线性和可逆的行为(v,Pc)的数据,在变化的压力下有不变的Kb。对于样品N.1热处理400°C，经过第一次加载循环从1.7 Mpa增加到40Mpa，非闭合的孔隙体积的变化值等于Vp = 56900 - 51700 = -5200 mm3。这一减少值相当于初始孔隙体积9.1%;这意味着样品热处理400°C比完整样品对围压更加敏感。第一和第二次之间加载周期,样品已经在围压Pc = 0MPa放置了

21、7天。在开始第二次加载,在Pc = 1.7 mpa,Vp = 53200 mm3,与第一次加载循环结束时Vp = 53000 mm3很好地吻合。微小的变化可能是由于在7天的等待期砂浆样品放松和裂纹重新开放。在二次加载阶段,在Pc = 40 mpa，Vp = 51700mm3，这是与第一载荷循环相同的值。对于样品N。2热处理400°C，在首次载荷循环从1.7到40 mpa，非闭合的孔隙体积变化等于Vp = = 58180 - 52400 = -5780 mm3。这一减少值相当于初始孔隙体积10.0%。经过一天的持续时间，在1和2之间加载周期,在Pc = 1.7 mpa,Vp = 54200,这是与第一次加载结束Vp = 54360mm3一致的。进一步,我们已经加载了60 mpa,这样非闭合孔隙体积减少到Vp = 48660 mm3。所有这些数据都表现在图5,孔隙体积Vp分别是就他们的初始值为1.7 mpa压力的标准化。热处理砂浆的两个测试都显示一个类似的趋势：他们的孔隙体积是没有完全恢复的，围压越高，不可恢复的孔隙体积数量越大。这个验证了对气体渗透率测量的解释，见3.1节。最近得到了，在一个