低水胶比水泥基材料的自收缩

的方法很好地解决了早期混凝土尚无足够强度时的收
缩测定 ,但是安明哲等人在试验过程中发现 ,混凝土中
埋入的测头与收缩测定仪的测头对中前后不同龄期很
难统一 ,加上混凝土在 3 天后的自收缩很小 ,因此很难
测出 。安明哲等人对上述方法进行了改进 [5 ]。混凝土收
缩试件尺寸定为 100mm ×100mm ×324mm。混凝土浇注
到试模内立即密封试模 ,带模测定自收缩 ,测定装置由
三部分组成 :混凝土密封试模 、千分表架以及温度测定
仪 ,详细结构及说明见文献[ 5] 。这种方法是国内目前
测定自收缩的较好方法 , 解决了自收缩测定中的难
题 。但操作较为繁复 ,且每个试件需两只千分表 。国外
用 LVDT sensor(linear variable differential transformer 线
混凝土与混凝土施工
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2001 年第 4 期
混凝土与水泥制品
总第 120 期
转变 [3 ]。
水泥石内部结构相对湿度的变化导致毛细孔水
从饱和状态趋向不饱和 , 必然造成孔体积的增加 。不
图 1 混凝土的自收缩与干缩的关系
1 —水胶比 0117 ,硅灰掺量 10 % ,高效减水剂 212 % ; 2 —水胶比 0123 ,硅灰掺量 10 % ,高效减水剂 1. 5 % ; 3 —水胶比 0130 ,硅灰掺量 0 % ,高效减水剂 0. 3 % ; 4 —水胶比 0140 ,硅灰掺量 0 % ,高效减水剂 0. 1 %
2001 年第 4 期 8月
混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS
2001 No4 Au gust
低水胶比水泥基材料的自收缩
龙广成
(同济大学材料学院 上海 200092)
摘 要 : 论述了低水胶比水泥基材料自收缩产生的机理 , 探讨了自收缩的测定方法并分析了水泥浆体宏观尺度上自收缩的研 究模型 。通过试验初步研究了水胶比为 0116 的超高性能砂浆的自收缩 。
随着社会的发展和建筑技术的进步 , 对砼性能 (力学性能 、耐久性能) 的要求也不断提高 , 高强 、高性 能甚至超高性能砼相继出现 [1 ]。这些水泥基材料的共 同特点是 : 水胶比低 、水泥标号高 、水泥用量大而且掺 有较多量的磨细活性掺合料 。而这种组成则导致 “早 期胶凝材料的水化快 , 砼内自由水迅速消耗 , 在内部 结构密实的同时产生自干燥 (self - desiccation) 现象 。 砼内部的自干燥作用必然引起其宏观体积减小 , 这种 现象称之为自收缩(autogenous shrinkage) 。它与干缩现 象有明显差异 , 一是它是在与外界无水分交换的条件 下出现的 ; 二是它在砼体内均匀发生 , 而不是仅发生 在表面 。显然 ,从干燥收缩的机理上看 ,这些高性能水 泥基材料由于密实性提高 , 干燥收缩值应不会比普通 混凝土大 ; 相反 , 上面提到的自收缩将会表现得更为 突出 (如图 1 所示 , [2 ] 图中虚线表示占总干燥收缩某 一固定百分比例时的自收缩值与总干燥收缩值的关 系) 。在砼材料耐久性越来越被重视的今天 ,控制这些 高力学性能水泥基材料的体积稳定性 , 使之不产生裂 缝将是非常重要的研究课题 。
本文阐述了低水胶比水泥基材料的自收缩机理 , 分析了硬化水泥浆体宏观尺度上的自收缩研究模型 ,
) 6 - 01 ×( 缩收燥干
混凝土 ( 100mm ×100mm ×1200mm)
600
40 %50 % 80 % 100 %
500 自收缩 的控制
2
1
400
300
43
200
100
0 100 200 300 400 500 600 自收缩 ( ×10 - 6)
探讨了自收缩的测定方法 ; 并通过试验初步研究了水 胶比为 0116 的超高性能砂浆的自收缩以及总的收缩 随龄期的变化规律 。 1 自收缩产生的机理
水泥水化过程中固相的绝对体积增大 , 但是固相 与液相的绝对体积总和减小 , 这部分体积减小值称为 水化收缩 。一般情况下 ,由于浆体在初凝前具有良好的 塑性 , 此时凝结收缩通过体系的宏观体积的减小而得 以补偿 ; 凝结后由于体系内部形成了具有一定强度的 结构 , 收缩通过内部形成孔隙的形式得以补偿 。 水 泥水化过程没有外界水的供应或即使有外界水的供 应 , 但其通过毛细孔渗透到体系内部的速度小于因水 化而消耗的速度时 , 毛细孔水即从饱和向不饱和状态
的 , 同时 , 对于水灰比较低的水泥浆体 , 特别是对于掺
入了火山灰细粉材料的低水灰比浆体 , 其结构内含有
一定量的未水化固体颗粒 ,起到微集料的作用 ,对自收
缩可能会有一定的阻止效应 , 因而对于水灰比低或是
低空隙率硬化水泥浆体的自收缩研究模型还得进一步
探索 。
3 自收缩的测定方法
一般说来 , 测定混凝土自收缩应考虑到以下几个
小 , 两固体粒子的距离变小而产生收缩 。Ferraris 研究
表明 , 当相对湿度在 100 %～80 %之间时 , 拆开压力为
常数 。
③毛细孔由饱和变为不饱和时产生的负压作用 。
文献 [ 4] 的研究结果发现 , 当相对湿度在 100 %～80 %
之间变化时 ,毛细管负压可达 0～30MPa 。
φ —水泥浆体的空隙率
宏观尺度硬化水泥浆体的自收缩模型认为 , 对于
有水分存在的硬化浆体可以视为具有随时间而变化
的粘弹性特性的连续介质 ,且泊松比为常数 。因此 ,浆
体的这种随龄期而变化的粘弹性行为可用一维徐变
函数 J (t ,t′) 来描述 。其物理意义为 :硬化水泥浆体在单
位恒应力作用时间 t′到 t 时产生的应变 。根据前述假
随相对湿度变化 。
②相邻粒子间吸附水分子的拆开压力作用 。在一
定状态下的系统中 , 相邻固体粒子间吸附有一定厚度
的水分子层 , 当水分子层厚度超过相邻粒子的固有距
离时 , 则会对相邻粒子产生一定的拆开力 。由于吸附
水分子层厚度依赖于系统中的相对湿度 , 当相对湿度
下降时 , 吸附水分子层厚度减小 , 相应拆开压力也减
0 前言 早在 50 年前 , Davis 就发现了自收缩现象 。他认
为 , 自收缩对大体积混凝土的体积稳定性有重要的影 响 。因此进行了长期的研究和测定 。但由于当时混凝 土水灰比较大且没有活性掺合料的加入 , 所以测定的 自收缩值只有 (50～100) ×10 - 6左右 , 这与干燥收缩相 比小得多 ,因此没有得到重视 。
管是由于wk.baidu.com燥或是自干燥原因造成的孔体积的增加 ,
一般都受以下三个机理的影响 [4 ]而使硬化浆体产生一
定的收缩变形 :
①胶体粒子表面的张力作用 。由于粒子表面张力
主要依赖于环境相对湿度的变化 , 湿度降低 , 表面张
力增加 , 从而使固体粒子在压力作用下产生收缩 。有
研究表明 : 当相对湿度在某一值以上时 , 表面张力不
方面 : ①测量的精度要高 , 一般在 ±5 ×10 - 6以内 ; ②整
个测试龄期内试件必须保证恒重 ; ③确定自收缩测定
时间以及早期强度很小甚至没有时的自收缩测定 ; ④
自收缩试件标准尺寸的确定 , 目前对于混凝土砂浆试
件都没有统一的尺寸 。
日本的 Tazawa 将混凝土的自收缩分成两部分来
测定 ,即拆模前的自收缩测定和拆模后的测定 。Tazawa
千分表架 绝缘 垫块
千分表 塑料薄膜 不锈钢模
图 2 自收缩测定装置示意图
4 超高性能砂浆的自收缩 本试验旨在探讨水胶比为 0116 的超高性能砂浆
自收缩及其与总收缩的关系 。试验原材料为 : 湘乡水 泥厂的 525 #普通硅酸盐水泥 ; 磨细粉煤灰及硅粉 , 其 有关性能见表 1 ; 北京城建集团构件厂生产的 DFS - 2 型高减水剂 ;最大粒径小于 0163mm 的石英砂等 。用胶 砂搅拌机搅拌 ,搅拌时间约为 8～10 分钟 ,试件配比见 表 2。收缩测定条件为相对湿度 RH = 60 % ±5 % ,温度 20 ℃±3 ℃, 收缩值从成型 1 天后拆模开始测定 , 自收 缩试样在成型 1 天后拆模 ,记录初始读数 ,立即用薄膜 密封并放置于铝盒中 。
关键词 :自收缩 水泥基材料 低水胶比 Abstract : In this paper , the mechanism of autogenous shrinkage of cement - based materials is elucidated , and the model of autogenous shrinkage in macro - dimension is discussed , as well as the measuring of methods of autogenous shrinkage. Autogenous shrinkage of ultra - high performance mortar with W/ B = 0. 16 is investigated. Keywords :Autogenous shrinkage , Cement - based materials , Low water binder ratio
从上面的分析以及水泥浆体水化过程的结构形
成过程可知 , 毛细管负压对硬化水泥浆体的自收缩起
主要作用 ,而其他两机理的影响可忽略 。
2 硬化水泥浆体宏观尺度自收缩模型 [4 ]
硬化水泥浆体由于自干燥引起的毛细管压力 , 必
然导致毛细孔周围浆体受到压力作用而产生一定的
变形 。假定多孔的硬化水泥浆体中液相连续 ; 硬化水
定 , 由于毛细管负压作用而使硬化水泥浆体骨架在宏
观尺度上受到球形压力作用 , 则由此产生的线形收缩 ε r(t) 可定义为 :
t
Θ εr (t ) = (1 - 2 υ)J (t , t ′) d ∑S (t ′)
( 2)
0
式 (2) 中 J (t , t′) 由弹性变形和徐变变形两部分组
成 ,可由试验确定 。υ为泊松比 。用这个模型对水灰比
龙广成
低水胶比水泥基材料的自收缩
层厚约 3～4mm 的塑胶套) 来测定混凝土或砂浆的自 收缩 。对于混凝土和砂浆可以采用不同尺寸的试模 。 在成型过程中 , 先在模中塑胶套内放置一层塑料薄 膜 , 然后用铲刀把拌和料分层装入模中并用频率为 50Hz 的振捣棒振捣一定时间 , 抹平并放入一绝热薄垫 块 , 密封好试样 。到初凝时 , 把试模放到千分表架上 , 装好千分表 , 并记下初始读数 , 然后每隔一定时间记 录读数 。此方法操作简单 , 但拌合料本身自重对所测 的自收缩有一定影响 。
表 1 硅粉及粉煤灰的化学成份( %) 及物理性能
SiO2
粉煤灰 21. 7 硅粉 88. 2
Al2O3
25. 8 3. 45
Fe2O3 CaO MgO SO 3
9. 7 3. 7 1. 2 0. 2 0. 80 0. 00 2. 08 0. 34
煤失 平均直径 量 (μm)
性可变差示变换器) 仪器 [6 ]测定自收缩 , 这种方法测定
的自收缩精度较高 , 但只能测定拆模 (成型 1 天) 后开
始的自收缩值 。
笔者设想用图 2 所示装置 (不锈钢模内壁紧贴一
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为 0142 的水泥浆体进行自收缩预测 , 发现预测值与试
验实测值吻合得很好 。这说明 ,此模型能够较好地描述
一定水灰比下水泥浆体的自收缩随龄期的变化规律 。
这为我们进一步理解自收缩产生的机理提供了指导作
用 ,并拓宽了自收缩的研究思路 。但是 ,该模型的提出
是在一定的假设条件以及必要的试验手段前提下得出
泥浆体在宏观尺度上匀质 、各向同性 。由此 ,可以认为
毛细管孔负压对硬化水泥浆体产生一个球形 、均匀的
宏观应力 ,并可用 (1) 式表示为 :
∑ s = PC( t) ·φ
( 1)
式中 , ∑ s — 由于毛细孔负压而产生的宏观压力 ;
PC(t) —毛细孔负压 ,为时间的函数 ,可通过压
汞方法得到 ;