多孔隙混凝土材料的性能研究

多孔隙混凝土材料的性能研究

1汞压试验原理汞压法（mip）是研究材料孔等级的最佳方法。在本试验中，采用了美国麦克尔有限公司（美国蒙马西耶公司）生产的920自动汞压仪。汞压法分高压测孔和低压测孔两种方法,目前主要采用高压测孔法。高压测孔压力为300MPa,可测孔直径为30到11μm的孔;低压测孔压力为0.15MPa,可测孔直径为50到750μm的孔。汞压试验原理可用图1所示的模型说明,图中密闭的、加压汞槽代表压汞装置,汞槽中倒放的毛细管A、B代表不同形状的孔隙。逐级增加压力,至某一时刻,汞液进入某一半径的毛细管中,此时所加压力与毛细管半径之间满足如下关系:P=πr2p=P′=2πrσcos(π−θ)(1)Ρ=πr2p=Ρ′=2πrσcos(π-θ)(1)式中p——为加给汞的压力,N;r——毛细管半径?;P——为外界施加给汞的总压力,MPa;P′——为汞的表面张力而引起毛细孔壁对汞的压力,MPa;θ——为汞对固体的湿润角,变化在135°～142°之间。其中r满足如下公式:πr2p=2πrσcos(π−θ)(2)πr2p=2πrσcos(π-θ)(2)则:r=-2σcosθ/p由此式可见,只要知道孔压力,就可计算出在此压力下进入孔的最小半径。式中:2σcosθ一般可近似地取7500(MPa·?),则上式可近似为:r=7500/p(?)(3)r=7500/p(?)(3)上述最小孔半径r是指在压力p作用下,凡是大于r的孔中都已压进了汞。改变压力后又可测个r。如果压力从p1改变到p2,并设法量测出单位重量试样在此两孔径的孔之间的孔内所压入的汞体积△V,则连续改变测孔压力时,就可测出汞进入不同孔级孔中的汞量,从而得到试样的孔径分布。汞槽中减少的汞液体积Vi为多孔介质半径Ri的孔隙的体积,这就是压汞试验原理模型。2试样的制作与养护水泥采用42.5普通硅酸盐水泥,掺合料采用粉煤灰和锂盐渣,粉煤灰为磨细Ⅱ级灰,锂盐渣为生产碳酸锂的废渣。本项研究中,采用三种配比,即保持水灰比不变的情况下,制成纯水泥浆体、粉煤灰水泥浆体和粉煤灰与锂盐渣复合掺合料水泥浆体。三种配比见表1。试样制成2cm×2cm×2cm试件,在标准条件下养护,在规定的龄期内取出样品,用锐利的刀劈出一些小块。取样后用乙醇立即浸泡以停止水化,浸泡一昼夜后,放入烘箱内烘干,干燥后供试验用。本试验分别测定各试件水化3d、28d等龄期的孔径分布情况。3掺合料比对孔隙结构影响分析混凝土的强度不仅与总孔隙率有关,还与孔径分布,即孔径级配有关。文献对混凝土水泥石内孔隙的划分是:在总孔隙中包括凝胶孔P(≤100),毛细孔(100～5μm),大孔(>5μm)。Mehta认为只有1000以上的孔才对强度和抗渗性有害;我国吴中伟院士经试验研究将混凝土水泥石孔径划分为四级:d1=200以下的为无害孔,d2=200～500为少害孔;d3=500～2000为有害孔,d4=2000以上的为多害孔。吴中伟院士指出,这种划分同样适用于混凝土的其它性能,如轻质抗渗,重质抗磨等;并认为可以人为地控制各孔级的数量,通过改变孔级配的方法来改善混凝土材料的宏观性能。按吴中伟院士划分方法将上述三种配比的掺合料水泥浆和纯水泥浆的孔径分布整理列于表2。表2中,在相同水灰比条件下配制的各种水泥浆体中,掺入掺合料后的水泥浆无论总孔隙率还是毛细孔隙率都发生了变化,并且还与龄期密切相关,在水化初期(3d),各浆体中多害孔d4大约占总孔隙率的98%以上,但到水化后期(28d),多害孔含量约下降到总孔隙率5%以下;由此可见,随着龄期的增长,可以改善水泥石孔隙结构。根据表1可计算上述三种浆体孔隙分布。在表2中可知在相同水灰比条件下配制的各种水泥浆体中,掺入掺合料后的水泥浆无论总孔隙率还是毛细孔隙率都有所提高,其中只掺粉煤灰的水泥浆孔隙率提高最大,纯水泥浆孔隙率最低。掺入掺合料后,由于火山灰反应的延缓是造成孔隙率提高的直接原因。根据表2,以各浆体3d试样的孔隙率为基准,设3d试样的孔隙率为100%,则绘制出各试样3d龄期与28d龄期相对孔隙率变化情况,见图2。由图2可看出,粉煤灰-锂盐渣复合掺合料水泥浆体水化28d较3d总孔隙率降低最大,纯水泥浆的略次之,粉煤灰水泥浆体的总孔隙率降低最小。在水化初期各浆体总孔隙率差别并不大,但水化后期28d粉煤灰水泥浆体总孔隙率相对最高;而纯水泥浆和锂盐渣-粉煤灰复合掺合料水泥浆的28d总孔隙率较低。各配比的水泥浆体随着龄期的增长,总孔隙率呈下降趋势,若以纯水泥浆体A1的总孔隙率为基准(设为100%),比较三种浆体其3d、28d总孔隙率相对A1变化百分数见图3。由图3可知:在水化初期(3d)各浆体总孔隙率相差在30%左右,到了水化后期(28d)各浆体总孔隙率相对差别发生了很大变化,复合掺合料水泥浆与纯水泥浆之间孔隙率相对没有变化,即孔隙率相差仍在26%左右;而粉煤灰水泥浆与纯水泥浆之间孔隙率相对差了102%。这表明粉煤灰水泥浆水化后期孔隙率较大,锂盐渣掺入可改善掺合料水泥石孔级配,减小水泥石后期的总孔隙率。这也是锂盐渣-粉煤灰复合掺合料混凝土较粉煤灰掺合料混凝土强度要高的一个重要原因。大量的研究表明:混凝土越密实、大孔径孔隙越少,对混凝土强度越有利,本项研究中经汞压试验及强度检验也充分证实了这一结论。4水泥石间隙数值模型4.1种水泥石孔隙分布三种由纯水泥浆及粉煤灰水泥浆和复合掺合料水泥浆配制的水泥石A1、A2、A3,其配合比见表1。经汞压试验测其三种水泥石孔隙分布,对数据进行整理后发现:三种水泥石3d、28d龄期孔隙分布曲线线形相似,见图4、图5。近年国内外对水泥石微观研究表明,人们对水泥石孔结构与强度关系的简单表述开始向孔径分布或孔级配以及孔形状等方向发展。本课题对三种水泥石在不同龄期下的孔隙分布或孔级配进行了研究,并得出孔体积幂指数数学模型。4.2掺合料水泥石孔隙分布特征将上述三组水泥石孔隙分布按幂指数进行数值回归,其回归曲线相近见图6～9。在对纯水泥浆水泥石、粉煤灰水泥浆水泥石及复合掺合料水泥浆水泥石孔隙分布汞压试验研究表明,纯水泥石及掺合料水泥石,其孔隙分布是相似的,只是总孔隙率及孔径大小存在差异。若按幂函数进行数值回归都具有很强的相关性,其相关系数R2都在0.97以上。粉煤灰水泥石孔隙分布回归曲线与上图相近(略)。上述三组水泥石孔隙分布回归方程一般表达式为:vr=cE+mrvr=cE+mra(4)或:lg(vr)=algr+b(5)lg(vr)=algr+b(5)式中:a、b、c、m均为常数。(1)水化3d水泥石孔隙回归分析结果a.水化28d水泥石孔隙回归方程:vr=7×1011r−1.5452vr=7×1011r-1.5452或:lg(vr)=−1.5452lgr+11.86lg(vr)=-1.5452lgr+11.86相关系数:R2=0.9748b.水化3d水泥石孔隙回归方程:vr=1013r−1.6175vr=1013r-1.6175lg(vr)=−1.6175lgr+13.168lg(vr)=-1.6175lgr+13.168相关系数:R2=0.9817(2)水化3d粉煤灰水泥石孔隙相关指标a.水化28d粉煤灰水泥石孔隙回归方程:vr=2×1012r−1.5908vr=2×1012r-1.5908或:lg(vr)=−1.5908lgr+12.177lg(vr)=-1.5908lgr+12.177相关系数:R2=0.9817b.水化3d粉煤灰水泥石孔隙回归方程:vr=2×1013r−1.6283vr=2×1013r-1.6283或:lg(vr)=−1.6283lgr+13.284lg(vr)=-1.6283lgr+13.284相关系数:R2=0.9712(3)水化3d复合掺合料孔隙水泥石孔隙结构表征结果a.水化28d复合掺合料水泥石孔隙回归方程:vr=1012r−1.5692vr=1012r-1.5692或:lg(vr)=−1.5692lgr+12.017lg(vr)=-1.5692lgr+12.017相关系数:R2=0.982b.水化3d复合掺合料水泥石孔隙回归方程:vr=2×1013r−1.6218vr=2×1013r-1.6218或:lg(vr)=−1.6218lgr+13.286lg(vr)=-1.6218lgr+13.286相关系数:R2=0.9724综上分析可以得出:掺合料水泥石与纯水泥石的孔隙分布规律相似,无论是水化3d还是28d,按幂指数数值回归,其相关性较好,相关系数R2都在0.97以上。由于混凝土是一种微观结构及力学性能都很复杂的大宗工程材料,为此人们做了大量的研究工作,但迄今人们还有许多问题尚未弄清。利用几何学原理对混凝土微观结构、细观层次下的力学性能及特征的描述是十分有效的。5充填材料的孔隙分布在水泥石中水化产物尚未填充的空间便形成了孔隙,孔隙对水泥石或混凝土强度影响较大,由于孔径分布不同便形成不同的孔级配。人们在对混凝土孔隙的研究中建立了各种模型,吴中伟院士将混凝土中的孔隙按孔径大小分为4类,即无害孔、少害孔、有害孔和多害孔。本项研究发现水泥石在水化初期(3d),掺合料水泥浆和纯水泥浆中多害孔占总孔隙的98%以上;但到水化后期(28d)多害孔含量下降到总孔隙的5%以下,同时总孔隙率也下降30%～60%,由此可见,随龄期的增长可改善水泥石的孔级配、降低孔隙率。粉煤灰与锂盐