低水膠比大摻量礦物摻合料水泥基材料的收縮及機理研究.pdf

1、收縮變形特性一直是水泥基材料性能研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，收縮引起的開裂已經(jīng)成為當代混凝土工程界觸目驚心的普遍現(xiàn)象。低水膠比高性能水泥基材料的發(fā)展，以及礦物摻合料深層次研制開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展的社會需求，給傳統(tǒng)的理論框架體系帶來了困惑與挑戰(zhàn)。在各種收縮的區(qū)分、測試方法、機理、數(shù)值模擬以及抑制方法上存在著的種種問題，嚴重制約了該領(lǐng)域的研究進展。礦物摻合料對收縮的影響規(guī)律及機理也存在著較大的爭議。 本文的研究立足于低水膠比的大摻量礦物摻

2、合料水泥基材料(Cement-based material atlow water to binder ratio incorporating high volume mineral admixtures，以下簡稱HMI_,WBM)，針對上述問題應用現(xiàn)代測試技術(shù)，采用學科交叉的方法，研究分析各種收縮過程的熱力學變化。采用宏觀測試與微觀分析相結(jié)合的研究方法，將理論與工程實踐相結(jié)合，并借助現(xiàn)代的計算機數(shù)值技術(shù)進行了分析研究。 在總

3、結(jié)現(xiàn)有的國內(nèi)外關(guān)于各種收縮的定義及測試方法的基礎(chǔ)之上，明確了幾種收縮的定義，明確了自收縮與自干燥收縮、自收縮(表觀體積的減小)與化學減縮(絕對體積的減小)定義的區(qū)別與聯(lián)系。研制了一種新的早齡期自收縮自動化測試系統(tǒng)，采用非接觸傳感器和立式測量方式，對水泥基材及混凝土的自收縮實現(xiàn)了分階段、全過程的自動測試，使得自收縮的測量初始時間可以提早到澆筑成型后即開始。該系統(tǒng)有效避免了模具的約束和外界震動的干擾，測試過程中毋須拆模及搬動試件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)

4、的自動化采集及分析。試驗結(jié)果與定義相符，長期測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，試驗結(jié)果具有很好的重復性。 采用新的測試手段和方法，對HMIWBM的收縮變形行為進行了分階段、全過程的分析，研究了礦粉和I級粉煤灰對自收縮及干燥收縮的影響規(guī)律。粉煤灰的大量摻入對于自收縮具有明顯的抑制作用，并隨摻量的增加效果更加明顯；但是增加了干燥收縮，尤其是干燥初期的收縮，隨著粉煤灰摻量繼續(xù)加大(從30﹪增加至50﹪)，增加干縮的程度減小。比表面積為439m<'2>

5、/kg的礦粉大量替代水泥后，明顯增加了硬化混凝土的自干燥收縮，隨著摻量的增加而更加顯著；在50﹪摻量以內(nèi)干縮隨礦粉摻量增加而減小，繼續(xù)增加摻量干縮加大。粉煤灰與礦粉復摻可以在較大的摻量下綜合抑制其自收縮與干燥條件下的失水收縮，是提高大摻量礦物摻合料高性能水泥基材料收縮體積穩(wěn)定性的重要技術(shù)途徑。同時，研究表明HML，WBM的收縮發(fā)展符合s(f)=ε<,∞>(1-Ae<'at>+Be<,bt>)的規(guī)律。 總結(jié)相關(guān)文獻資料，對已有的收

6、縮數(shù)學模型進行了分析與比較，從熱力學角度探討了毛細管張力理論模型存在的問題，并對毛細管負壓的作用面積系數(shù)進行了修正。通過對自干燥收縮過程的熱力學分析，證明了自干燥收縮的機理是化學減縮，而不是自干燥(或者說通常意義的蒸發(fā))。在此基礎(chǔ)之上建立了基于機理的自收縮預測模型。通過對擴散方程在時間域和空間域上的離散，并采用有限差分法，結(jié)合孔徑分布模型，實現(xiàn)了對水泥石水分遷移的數(shù)值模擬。同時結(jié)合改進后的毛細管張力理論，建立了基于機理的水泥石干縮預測模

7、型。根據(jù)復合材料特性，建立了普通集料混凝土的干縮和自收縮的數(shù)學模型。在所建立的模型的基礎(chǔ)之上，討論了白干燥收縮和干燥收縮之間對立統(tǒng)一的辯證關(guān)系，對密封及干燥條件下HMLWBM內(nèi)部水分遷移和消耗的規(guī)律進行了較系統(tǒng)的研究。借鑒土壤物理學中水勢的概念，研制開發(fā)了早齡期毛細管副壓測試系統(tǒng)，提出了新的自干燥收縮的“time-zero”的確定方法。它不僅直接與自干燥收縮的定義相符，而且實現(xiàn)了對HMLWBM最早期(成型至終凝后幾個小時內(nèi))毛細管網(wǎng)絡結(jié)

8、構(gòu)的形成及水分消耗規(guī)律的定量研究。采用相對濕度的測試手段對HMLWBM硬化水泥漿長齡期的內(nèi)部相對濕度進行了試驗研究和數(shù)值分析。 采用連續(xù)稱重的方式研究了HMLWBM干燥條件下水分蒸發(fā)的規(guī)律；采用壓汞試驗研究了HMI．WBM漿體的孔結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并采用Weilbull分布函數(shù)實現(xiàn)了孔結(jié)構(gòu)的模擬；采用選擇性溶解的方法研究了HMLWBM中廢渣的水化；通過理論計算和實測相結(jié)合的方法研究了礦物摻合料水化的化學減縮；采用動彈性模量研究了H

9、MLWBM的彈性模量的演變規(guī)律。在以上宏觀和微觀試驗的基礎(chǔ)之上，結(jié)合計算機數(shù)值分析技術(shù)，運用Visual C++語言編制了專門的程序，驗證了所建立的模型。根據(jù)所建立的理論模型，對粉煤灰和礦粉對各種收縮的正負效應進行了討論。 對摻膨脹劑和減縮劑對HMLWBM變形行為的影響分別進行了分階段、全過程的研究。在此基礎(chǔ)之上，提出了發(fā)氣與鈣礬石膨脹劑雙摻的技術(shù)途徑。研究了雙摻技術(shù)對HMLWBM變形行為的影響，并將其成功應用于工程實踐。從材