蒸汽養(yǎng)護(hù)對不同膠凝體系膠砂力學(xué)性能的影響★

王 剛 王懷義 李 鑫 賀傳卿

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049； 3.新疆水利水電材料工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

蒸汽養(yǎng)護(hù)可以明顯提高混凝土的早期強(qiáng)度，并造成混凝土后期強(qiáng)度增長緩慢。本研究通過蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下水泥摻加粉煤灰、礦粉、硅灰、膨脹劑的單摻或復(fù)摻所組成膠凝體系不同齡期膠砂強(qiáng)度的測試，研究早期的蒸汽養(yǎng)護(hù)對不同膠凝體系強(qiáng)度的影響規(guī)律，并結(jié)合掃描電鏡和能譜分析微觀水化產(chǎn)物的變化發(fā)展，揭示相應(yīng)影響機(jī)理。

1 試驗

1.1 試驗方案

將粉煤灰、硅灰、礦粉和膨脹劑按一定比例單摻或復(fù)摻與水泥組成不同的膠凝體系，并與標(biāo)準(zhǔn)砂、水拌和，制為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，靜置2 h后進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期；分別測試蒸汽養(yǎng)護(hù)后及蒸汽養(yǎng)護(hù)后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d,7 d,28 d,60 d(從試件成型日期計算)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，各膠凝體系組合的配合比見表1。為了便于微觀觀察及測試，同期成型了不同膠凝體系的凈漿試件，蒸汽養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度與膠砂試件相同，并采用掃描電鏡觀察和測試蒸汽養(yǎng)護(hù)后和28 d試件的微觀形貌和水化產(chǎn)物，對比分析蒸汽養(yǎng)護(hù)對不同膠凝體系水化發(fā)展的影響。

表1 各膠凝體系膠砂試件的配合比

1.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)制度及測試方法

蒸汽養(yǎng)護(hù)制度靜停2 h，升溫2.5 h，恒溫6 h，恒溫溫度控制為50 ℃，降溫2.5 h。

按表1中各配合比成型膠砂試件，分別測試齡期為蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后以及3 d，7 d，28 d，60 d試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，對同時成型的凈漿試件，采用掃描電鏡觀察蒸汽養(yǎng)護(hù)后及28 d齡期的微觀形貌。

2 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 強(qiáng)度測試結(jié)果

按表1配合比成型的各膠凝體系膠砂試件，不同齡期的抗折強(qiáng)度見圖1，抗壓強(qiáng)度見圖2。

蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束后不同膠凝體系的膠砂強(qiáng)度發(fā)展各有不同，其中Z1的抗折強(qiáng)度為4.30 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到15.4 MPa，在不同膠凝體系試件中的強(qiáng)度最高；當(dāng)齡期達(dá)到28 d時Z1的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到7.60 MPa和42.5 MPa，而此時編號Z3,Z5,Z7的抗折強(qiáng)度首次超過純水泥，最高達(dá)到8.3 MPa，編號Z3,Z4,Z7的抗壓強(qiáng)度首次超過Z1的抗壓強(qiáng)度，最高達(dá)到48.4 MPa；當(dāng)齡期延長至60 d，Z1的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到8.43 MPa和53.6 MPa，此時編號Z3,Z5,Z7的抗折強(qiáng)度依舊高于Z1，最高達(dá)到8.87 MPa，編號Z4,Z7的抗壓強(qiáng)度高于Z1，最高達(dá)到55.7 MPa。

2.2 強(qiáng)度分析

1)不同膠凝體系強(qiáng)度發(fā)展的規(guī)律：從蒸養(yǎng)結(jié)束后來看，純水泥的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均最高，分別4.30 MPa和15.4 MPa，直到齡期達(dá)到7 d時其抗壓和抗折強(qiáng)度依然最高。但是，當(dāng)齡期達(dá)到28 d及以上時，其抗折和抗壓強(qiáng)度均低于純水泥未蒸養(yǎng)的抗折和抗壓強(qiáng)度。這也進(jìn)一步論證了蒸汽養(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的前期強(qiáng)度，但其后期強(qiáng)度增長緩慢的觀點(diǎn)。對于其他膠凝體系從28 d,60 d齡期來看，不同摻合料對膠砂試件的作用效果不同，且抗折和抗壓強(qiáng)度的規(guī)律存在差異。

從抗折強(qiáng)度來看，以28 d齡期為分界線，在此以前純水泥組一直保持最高強(qiáng)度，28 d齡期時純水泥未蒸養(yǎng)組、單摻礦粉組、復(fù)摻礦粉+硅灰組和復(fù)摻硅灰+膨脹劑組均超過蒸養(yǎng)純水泥組強(qiáng)度分別為7.71 MPa,7.66 MPa,7.66 MPa和8.27 MPa，高于蒸養(yǎng)純水泥組的7.59 MPa。齡期達(dá)到60 d時，各膠凝體系的強(qiáng)度高低依次為：單摻礦粉(8.88 MPa)>復(fù)摻礦粉+硅灰組(8.75 MPa)>純水泥未蒸養(yǎng)組(8.50 MPa)>復(fù)摻硅灰+膨脹劑組(8.44 MPa)>純水泥(8.43 MPa)>單摻硅灰(8.31 MPa)>復(fù)摻粉煤灰+硅灰(7.85 MPa)>單摻粉煤灰(7.51 MPa)?？梢钥闯鰡螕降V粉和復(fù)摻礦粉+硅灰可以有效提高蒸養(yǎng)混凝土的抗折強(qiáng)度，從各齡期綜合來看單摻礦粉的效果要好于復(fù)摻礦粉+硅灰的效果，復(fù)摻硅灰+膨脹劑對蒸養(yǎng)混凝土的抗折強(qiáng)度影響不大，單摻粉煤灰效果最差。

從抗壓強(qiáng)度來看，前28天的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度規(guī)律相似，28 d以前純水泥組一直保持最高強(qiáng)度，28 d齡期時超過純水泥組強(qiáng)度的膠凝體系組發(fā)生變化。純水泥未蒸養(yǎng)組、單摻礦粉組、單摻硅灰組和復(fù)摻硅灰+膨脹劑組的28 d抗壓強(qiáng)度分別為45.6 MPa,43.4 MPa,47.2 MPa和48.4 MPa，均大于42.5 MPa。齡期達(dá)到60 d時，各膠凝體系的抗壓強(qiáng)度高低依次為：純水泥未蒸養(yǎng)(56.3 MPa)>復(fù)摻硅灰+膨脹劑(55.7 MPa)>單摻硅灰(54.4 MPa)>純水泥(53.7 MPa)>單摻礦粉(49.5 MPa)>復(fù)摻礦粉+硅灰(47.9 MPa)>單摻粉煤灰(47.7 MPa)>復(fù)摻粉煤灰+硅灰(46.0 MPa)。可以看出隨著齡期的延長，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，摻加礦物摻合料的膠凝體系均不能明顯提高膠砂的抗壓強(qiáng)度，其中效果較好的是復(fù)摻硅灰+膨脹劑和單摻硅灰的膠凝體系。

2)復(fù)摻硅灰(6%)+膨脹劑(6%)能夠適當(dāng)提高蒸養(yǎng)混凝土的后期強(qiáng)度，單摻礦粉(40%)和復(fù)摻礦粉(40%)+硅灰(6%)能提高蒸養(yǎng)混凝土的后期抗折強(qiáng)度，但抗壓強(qiáng)度較低。單摻硅灰(6%)對蒸養(yǎng)混凝土的后期強(qiáng)度影響不大，單摻粉煤灰(25%)致使蒸養(yǎng)混凝土的后期強(qiáng)度增長緩慢，其效果最差。摻入礦物摻合料后的前期強(qiáng)度均低于不加摻合料的蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度。

3)以上蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下不同膠凝體系膠砂強(qiáng)度的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺氲V粉和硅灰能提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度[1]，摻入粉煤灰能夠改善混凝土的耐久性和提高后期強(qiáng)度[2-4]。但是，在蒸養(yǎng)條件下，摻入礦粉和硅灰的早期抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)蒸養(yǎng)的強(qiáng)度，摻入粉煤灰的后期強(qiáng)度增加效果不明顯，而且相對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的礦物摻合料復(fù)摻的早期及后期增強(qiáng)效果也未發(fā)揮。

2.3 微觀分析

凈漿試樣的電鏡結(jié)果如圖3所示。

首先，蒸汽養(yǎng)護(hù)可以有效加快水泥的水化進(jìn)程。通過SEM微觀水化產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)不僅水泥顆粒表面，而且礦物摻合料表面都有較多水化產(chǎn)物包裹，蒸汽養(yǎng)護(hù)后膠凝體系中水化產(chǎn)物大量生成，其產(chǎn)物為細(xì)長針狀的鈣礬石晶體和絮狀的水化硅酸鈣凝膠，而且純水泥的膠凝體系蒸汽養(yǎng)護(hù)后生成更多的鈣礬石晶體，而摻入礦物摻合料的膠凝體系中生成更多的是絮狀水化硅酸鈣凝膠。

其次，從28 d齡期電鏡照片更容易看出水化產(chǎn)物和微觀孔隙分布的變化。水泥+粉煤灰膠凝體系的28 d電鏡照片來看，水化產(chǎn)物中的單硫型水化硫鋁酸鈣、氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠已形成空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，但由于粉煤灰的摻入使得網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)空間構(gòu)造不均勻，孔隙分布形態(tài)各異、大小不均；水泥+礦粉膠凝體系的28 d照片中，水化產(chǎn)物將未水化的水泥和礦粉顆粒包裹嚴(yán)實(shí)，且孔隙分布較少，整體性好；水泥+硅灰膠凝體系的28 d照片中，整體性和孔隙分布均優(yōu)于前兩種膠凝體系；而復(fù)摻硅灰和膨脹劑的膠凝體系則優(yōu)于單摻硅灰的體系，且復(fù)摻膨脹劑時水化更加充分。從以上四種微觀分析中可以看出摻加礦物摻合料的膠凝體系中水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣含量均低于純水泥水化中產(chǎn)生的氫氧化鈣含量，其原因就是加入摻合料中的活性二氧化硅能與Ca(OH)2產(chǎn)生反應(yīng)，減少了結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的Ca(OH)2晶體和水化硅酸三鈣的生成，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定強(qiáng)度高的水化硅酸鈣，另一方面是隨著水化不斷進(jìn)行，極大的改善了混凝土的空間分布，使其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)度提高[5-7]。

3 結(jié)語

1)蒸汽養(yǎng)護(hù)后的各膠凝體系膠砂強(qiáng)度的發(fā)展，與未進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同。摻加硅粉的增強(qiáng)效果，在蒸汽養(yǎng)護(hù)后不明顯，復(fù)摻礦物摻合料的增強(qiáng)作用，在蒸汽養(yǎng)護(hù)后并未發(fā)揮。

2)摻入一定量的摻合料可以改善蒸養(yǎng)混凝土后期強(qiáng)度增長緩慢的問題。其中，單摻40%的礦粉和復(fù)摻40%的礦粉+6%的硅灰可以提高混凝土的后期抗折強(qiáng)度，復(fù)摻6%硅灰+6%膨脹劑可以適當(dāng)提高蒸養(yǎng)混凝土的后期抗折抗壓強(qiáng)度。

3)蒸汽養(yǎng)護(hù)后復(fù)合膠凝體系中水化規(guī)律和機(jī)理，尚需進(jìn)一步的研究。

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