含石灰石粉水泥基胶砂养护制度的探讨

含石灰石粉水泥基胶砂养护制度的探讨

外包剂在土木工程中的应用是现代混凝土技术进步的象征之一。石灰石作为资源广泛的矿物外加剂之一也得到大量应用,用石灰石微粉配制水泥砂浆、水泥混凝土具有较好的应用效果。试验研究表明,掺入适量磨细石灰石粉替代水泥,除起微集料作用外,还能充当C-S-H成核基体,降低成核位垒,加速水泥水化,明显提高水泥基材料早期强度,石灰石粉的增强效应是物理作用与化学作用协同结果。标准养护制度下,400目、800目、1250目超细石灰石粉在掺量5%、15%、35%时,均能够改善水泥基材料的柔韧性;水泥净浆电阻率试验表明,水化反应进行600min前掺加35%石灰石粉能促进水泥水化。由于生产效率大幅度提高、劳动强度显著降低、工地施工速度快、产品质量可靠、性能检测方便等优势,建筑构件工厂预制化成为土木工程发展方向之一。为了提高模具周转率,保证生产效率,工厂化生产构件,通常采用蒸汽养护、蒸压养护制度。如预应力高强混凝土管桩往往采用二次蒸汽养护制度:蒸养后脱模,再进入蒸压釜进行压蒸;蒸汽养护温度约70~90℃,恒压时压蒸温度高达170~180℃,蒸汽压力为0.9~1.0MPa。然而,蒸养混凝土脱模后在10~14℃水中养护至28d龄期出现相对抗压强度倒缩现象;脱模劈裂抗拉强度相对较高的试件,在养护期间,其值也出现相对倒缩,脆性增加,抗裂性降低。未掺矿物外加剂的蒸汽养护混凝土28d、90d抗压强度低于同龄期的标准养护混凝土;蒸汽养护的水泥胶砂28d抗折强度随着养护温度的升高而降低。矿粉含有大量CaO和活性SiO2、Al2O3,具有潜在水硬性能;粉煤灰具有形态减水效应、火山灰活性效应和微集料填充效应;这两种矿物外加剂大量应用于现代建筑工程。掺加矿粉、粉煤灰能够提高蒸养混凝土的抗裂性,改善其脆性,且矿粉的效果优于粉煤灰。有必要进一步研究蒸汽养护、蒸压养护对含石灰石粉水泥基材料抗裂性的影响,以及掺加矿粉、粉煤灰后在蒸汽养护、蒸压养护制度下,含石灰石粉水泥基材料的力学性能。1测试1.1级低钙粉煤灰胶凝材料:P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥;平均粒径75μm的石灰石粉;Ⅱ级低钙粉煤灰,比表面积450m2/kg,需水比102%;矿粉碱度系数0.81,质量系数1.89。原材料化学成分见表1。细集料:Ⅱ区中砂,细度模数2.6,含泥量1.0%。1.2试件成型与养护制度胶砂配合比:水胶比0.45;胶砂比0.4;为搅拌均匀和成型密实,掺加1.0%的萘系高效减水剂;以质量分数65%水泥和35%石灰石粉作为基准胶凝材料,胶凝材料中水泥和石灰石粉比例保持不变,作为一种组分;矿粉、粉煤灰掺量分别是总胶凝材料的15%、30%、45%和60%。配合比参数见表2。成型40mm×40mm×160mm试件,分别采用3种养护制度:标准养护28d、蒸养和蒸压进行养护。蒸养制度为2-3-6-3,成型后的试件在室温(20±2)℃静停2h,随后放入蒸汽养护室中以20℃/h的速度升温3h,(80±2)℃恒温6h,最后以20℃/h的速度降至室温,脱模后即进行强度测试。蒸压养护制度为4-6-3,即蒸养脱模后的试件立即放入蒸压釜中,在4h内将蒸压釜内温度升至(180±2)℃、压强升至1.0MPa,恒温恒压6h,随后在3h内将釜内压力降至0,待釜内温度低于100℃后,打开釜门,釜内温度降至常温时取出试件,进行出釜强度测试。成型与胶砂配合比相对应的净浆试件,不掺加减水剂,试件规格40mm×40mm×40mm。采用与胶砂试件相同的养护制度,测试胶砂强度的同时,将净浆试件破型,用丙酮终止水化,在玛瑙研钵中研磨至粒度10μm以下,进行XRD测试。2结果与讨论2.1出辕强度对混凝土胶砂强度的影响图1是35%石灰石粉与65%硅酸盐水泥组成的胶砂试件(基准试件)标准养护28d强度、蒸汽养护后脱模强度和蒸压养护后的出釜强度。脱模强度低于标准养护28d强度,其中抗压强度为标准养护的56%,抗折强度为标准养护的57%,压折比二者均为6.3,蒸汽养护对含35%石灰石粉硅酸盐水泥胶砂的柔韧性无明显影响。出釜抗压强度高于标准养护20%,但出釜抗折强度低于标准养护11%,压折比8.5。蒸压养护后,含35%石灰石粉硅酸盐水泥胶砂脆性显著增加。2.2矿粉掺加矿粉后的出监管产品见表3图2是矿粉等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件抗压强度。当矿粉掺量为15%、30%、45%和60%时,随着矿粉掺量的增加,脱模抗压强度和标准养护28d抗压强度均呈现先增长再降低的趋势;相同配合比试件的脱模抗压强度低于标准养护试件。脱模抗压强度在矿粉掺量30%时,在蒸养试件中强度为最高;矿粉掺量45%、60%时,脱模强度降低,但是仍高于不掺加矿粉的试件。标准养护制度下,矿粉掺量45%时,抗压强度最高,掺量在60%时,抗压强度低于不掺加矿粉的试件。出釜强度与脱模强度密切相关,蒸养后的试件再进行蒸压养护,相同配合比的胶砂试件强度明显提高,掺30%矿粉试件脱模抗压强度在蒸养试件中最高,但出釜强度增幅最小,甚至低于同配合比的标准养护试件。除矿粉掺量30%的配合比外,其他配合比试件的出釜强度均高于蒸养后的脱模抗压强度,并且随着矿粉掺量的增加,出釜抗压强度增加。图3是矿粉等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件抗折强度。标准养护28d,随着矿粉掺量的提高,抗折强度呈先增长后降低的趋势;矿粉掺量45%时,抗折强度最高。蒸养、蒸压养护后,5种配合比试件的抗折强度均显著低于标准养护试件;矿粉掺量30%时,蒸压后的出釜抗折强度出现了倒缩,低于蒸养后的脱模抗折强度;其他配合比试件,出釜抗折强度高于同配合比的脱模抗折强度。矿粉掺量45%时,出釜抗折强度在5种配合比中最高。图4是矿粉等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件压折比。前期试验表明,含35%细度400目石灰石粉水泥胶砂标准养护28d,压折比降低,柔韧性增高。蒸汽养护对35%石灰石粉+65%硅酸盐水泥胶砂试件的压折比几乎无影响;与标准养护28d比较,蒸压养护后,压折比增加34%,即蒸压养护提高含石灰石粉水泥基材料脆性。在此基础上,进一步用15%、30%、45%、60%矿粉取代石灰石粉和水泥,标准养护28d,水泥胶砂柔韧性略有提高。但是,蒸汽养护、蒸压养护后,掺加矿粉后的水泥胶砂脆性显著增加。矿粉掺量30%的水泥胶砂,蒸汽养护和蒸压养护后的水泥胶砂压折比高于同种养护制度下其他配合比的水泥胶砂。掺加矿粉后,在蒸汽养护制度下,水泥胶砂抗压强度发展速度高于抗折强度发展;在蒸压养护制度下,折强度显著低于标准养护28d的同配合比试件。试验结果表明,在掺加石灰石粉的基础上,进一步掺加矿粉后,标准养护制度下,水泥基材料柔韧性得到进一步改善;蒸压养护制度下,水泥基材料脆性显著增加,抗裂性明显降低;蒸汽养护也增加了掺加矿粉的含石灰石粉水泥的脆性,但增幅低于蒸压养护。2.3出监管产品的力学性能图5是粉煤灰等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件抗压强度。当粉煤灰掺量为15%、30%、45%和60%时,脱模抗压强度分别低于不掺加粉煤灰的基准试件36%、25%、53%、52%,即粉煤灰掺量30%时,胶砂强度降低幅度最小。采用蒸汽养护制度,粉煤灰掺量15%、30%、45%时,抗压强度均高于不掺加粉煤灰的基准试件,其中粉煤灰掺量30%时,胶砂强度高于基准试件21%。粉煤灰掺量60%时,蒸汽养护脱模抗压强度与同配合比试件标准养护28d的接近。蒸压养护后,与蒸汽养护和标准养护相比,出釜抗压强度显著提高。粉煤灰掺量为15%、30%、45%时,出釜抗压强度相近,低于同种养护制度下基准试件约15%。试验结果表明,蒸压养护对粉煤灰、石灰石粉硅酸盐水泥抗压强度的提高效果显著。图6是粉煤灰等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件抗折强度。与基准试件相比,掺加粉煤灰的试件标准养护28d抗折强度呈现显著降低趋势;掺加30%粉煤灰试件抗折强度高于掺加15%粉煤灰试件。蒸汽养护后,掺加30%粉煤灰试件的脱模抗折强度最高,其次是掺加45%粉煤灰试件,掺加60%粉煤灰试件的脱模抗折强度显著降低。蒸汽养护后,再进行蒸压养护,与同配合比胶砂脱模抗折强度相比,出釜抗折强度均显著增高。与标准养护28d试件的抗折强度相比,除基准试件出釜抗折强度较低外,掺加粉煤灰试件的出釜抗折强度均高于标准养护抗折强度,即抗裂性得到提高。试验结果表明,蒸压养护对粉煤灰、石灰石粉硅酸盐水泥抗折强度的提高效果显著。图7是粉煤灰等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的胶砂试件压折比。标准养护28d,随着粉煤灰的掺入,胶砂试件压折比进一步降低,胶砂柔韧性增高。基准试件和掺加粉煤灰的试件,蒸汽养护后的压折比相差不明显,表明蒸汽养护对不同掺量粉煤灰的石灰石粉硅酸盐水泥柔韧性无明显影响;掺加45%、60%粉煤灰的胶砂试件压折比较同配合比、标准养护胶砂试件明显提高。蒸汽养护后再进行蒸压养护,同配合比胶砂试件压折比显著高于标准养护胶砂试件。相同养护制度下,掺加15%、30%、60%粉煤灰试件,压折比相近,低于基准试样;掺加45%粉煤灰试件的压折比与基准试样接近。掺加粉煤灰的胶砂压折比大小依次是蒸压养护>蒸汽养护>标准养护。2.4蒸压养护后硬化水泥石的表征图8是基准材料在3种不同养护制度下的硬化水泥石XRD图谱。标准养护28d,XRD图谱中的主要晶相位碳酸钙、氢氧化钙和碳铝酸盐。在大量石灰石粉存在的条件下,硅酸盐水泥熟料C3A相的最终水化物相是碳铝酸盐,而不是硫铝酸盐。蒸汽养护、蒸压养护后,硬化水泥石主要的晶相为碳酸钙和氢氧化钙,碳铝酸盐的特征峰不明显,表明碳铝酸盐相在(80±2)℃蒸汽养护下以及180℃、1.0MPa蒸压养护中不能稳定存在。蒸汽养护后,氢氧化钙的特征峰强度与碳酸钙特征峰强度之比较标准养护的小,表明胶凝材料水化反应程度较小;蒸压养护后,氢氧化钙的特征峰强度与碳酸钙特征峰强度之比较标准养护的高,表明高温高压环境中胶凝材料水化反应充分,胶砂抗压强度提高。图9是矿粉等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的净浆,经过3种不同养护制度后的硬化水泥石XRD图谱。与基准胶凝材料类似,蒸汽养护、蒸压养护后,硬化水泥石主要的晶相为碳酸钙和氢氧化钙。相同矿粉掺量时,氢氧化钙特征峰强度与碳酸钙特征峰强度的比值,标准养护的最大,其次是蒸汽养护,蒸压养护的最小,表明高温高压环境中,矿粉参与水化反应的量多,消耗的氢氧化钙也多,胶砂抗压强度提高。图10是粉煤灰等量取代石灰石粉与硅酸盐水泥的净浆,经过3种不同养护制度后的硬化水泥石XRD图谱。与基准胶凝材料类似,蒸汽养护、蒸压养护后,硬化水泥石主要的晶相为碳酸钙和氢氧化钙。当粉煤灰掺量为45%、60%时,粉煤灰中的氧化硅、氧化铝的特征峰可辨别。与标准养护28d和蒸汽养护相比,高温高压养护后,氧化硅、氧化铝的特征峰强度与碳酸钙特征峰强度之比较小,表明更多量的氧化硅、氧化铝的活性被激发出来参与水化反应,消耗了水泥熟料中硅酸盐矿物水化生成的氢氧化钙,胶砂抗压强度提高。3性能与养护对硅系水泥胶砂脆性的影响表3a.与标准养护28d相比,蒸汽养护(恒温温度(80±2)℃)对含35%石灰石粉硅酸盐水泥胶砂柔韧性无明显影响;蒸压养护(温度(180±2)℃、压强1.0MPa)后,含35%石灰石粉硅酸盐水泥胶砂脆性显著增加。b.用矿粉取代含石灰石粉硅酸盐水泥,标准养护28d,水泥胶砂