低温养护对水泥砂浆力学性能的影响

 论文栏目:力学工程论文     更新时间:2018/7/6 15:16:06   

摘要:标准水泥砂浆试件(40mm×40mm×160mm)为试验对象,以标准养护温度为参照,研究低温和负温养护对水泥砂浆试件早期抗压强度和微观结构的影响。对不同养护温度下的水泥砂浆试件进行无侧限抗压强度试验和压汞试验测试孔结构,得到早期抗压强度增长规律和试件的孔隙率及平均孔径。研究表明:养护温度的改变,试件的总孔隙率和平均孔径会发生变化。养护温度越低,试件早期抗压强度增长越慢,孔隙率和平均孔径也越大。

关键词:低温养护;抗压强度;微观结构;孔隙率

在工程建设的施工材料中,应用数量最大、范围最广的材料是水泥基复合材料。由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,在具体施工中,为了防止混凝土出现宏观裂缝,不得不采取温控措施。随着中国在高海拔高寒地区建设项目的增多,混凝土施工的环境温度经常处于低温、负温及正负温交替状态,研究此问题显得非常重要。目前国内外主要集中研究对低温混凝土的力学性能进行了相关研究,例如:KefengMetha[10]研究表明养护温度对混凝土的抗压强度的发展影响明显;KefengMetha[10]研究表明养护温度对普通混凝土的抗压强度影响明显,但对高性能混凝土没有明显影响;J-KKim[11]研究表明5℃养护时早期抗压强度较低,但后期几乎与20℃养护时的抗压强度相同;PKumarMetha[14]认为水泥基材料的孔隙率与力学强度存在反比关系。相比较而言,低温及负温养护对水泥砂浆材料早期力学性能和微观结构的影响的研究较少。由于砂浆是混凝土的重要组成部分,因此影响水泥砂浆早期力学性能的因素直接影响着混凝土的力学性能。本文主要研究在20℃、5℃、0℃、-15℃4种不同养护温度下,相同灰砂比的水泥砂浆早期抗压强度增长过程,借助扫描电镜和压汞仪对养护龄期为28d的试件的新鲜断口微观结构进行分析。

1试验方案

1.1试验材料

材料使用普通硅酸盐水泥(PO425)、标准砂和水,使用量及配合比见表1。

1.2试验方法

1.2.1水泥砂浆试件制备及强度测试方法按表1配合比制成20组试件,试件脱模后(尺寸40mm×40mm×160mm),分别在-15℃、0℃、5℃、20℃温度、湿度95%下养护,经过龄期3、7、14、28、60d养护后,分别在抗压强度试验机上进行抗压强度力学性能测试(图1)。1.2.2水泥砂浆试件微观结构的观察选取养护龄期为28d的不同养护温度下的试件,运用JSM-7500SEM扫描电镜观察其新鲜断口的微观结构,利用电子显微镜和压汞仪对试件进行处理,测试总孔隙率和平均孔径等参数,分析其微观结构。

2宏观抗压强度的试验结果及分析

2.1试验结果

水泥砂浆试件分别在-15℃、0℃、5℃、20℃温度养护至3、7、14、28、60d后,分别取出试件进行抗压强度试验,结果见图2。在-15℃养护温度下,试件的抗压强度不随龄期的增加而增长。在0℃和5℃养护温度下,试件早期抗压强度增长基本一致;且相比-15℃养护温度,有大幅度提高。在标准养护温度(20℃)条件下,其抗压强度增加趋势明显比-15℃养护条件下要高,且随着龄期增加,其相差幅度越来越大。对于在相同龄期下,不同养护温度下强度的发展状况由试验结果见表2。由表2可知,在相同龄期内,砂浆的抗压强度随养护温度的升高而增加;但不同龄期下,这种强度的差异有所不同。0℃试验组的抗压强度在3d和7d时均小于5℃试验组测得的抗压强度,但在14d以后,基本赶上5℃试验组的抗压强度。在相同龄期内,低温养护试验组的抗压强度均大于负温养护试验组的抗压强度;均小于标准养护试验组的抗压强度。

2.2试验结果分析

水泥砂浆试件早期强度增长分析,在-15℃养护温度下,试件中的水化反应基本停止,试件中结合水以及孔隙中的自由水已凝结,水泥砂浆试件强度不再增长。在0℃养护条件下,相比标准温度养护,其早期抗压强度并没有大幅下降。这是因为在0℃时,孔隙中的水介于固态和液态之间,而水泥颗粒与其结合水发生水化反应并放出热量,使得试件内部温度略高于0℃,孔隙中的水为液态,与水泥颗粒发生水化反应,强度随着龄期增长而增加。在5℃养护条件下,其早期抗压强度增长与0℃养护时基本一致,说明相比0℃,养护温度的略微增加对早期强度增加趋势并无影响。由表2可知:①标准养护、低温养护试验组砂浆的抗压强度随着龄期增长显著增加。②5℃试验组在3d与7d只能达到标准养护28d抗压强度的438%和625%;0℃试验组在3d与7d只能达到标准养护28d抗压强度的434%和610%,这表明低温养护会降低砂浆早期抗压强度。

3微观结构的试验结构及分析

3.1试件微观形貌分析

本次试验运用JSM7500SEM电镜(图3)对其微观结构进行观察,选取龄期为28d的不同养护温度下的试件观察其微观结构。对硬化的水泥砂浆试件的新鲜断口微观形貌进行观测可以更加直观地了解浆体的微观孔结构。养护龄期为28d的不同养护温度下的水泥砂浆材料的微观形貌的SEM照片分别见图4—7。由SEM图4进行分析知:水泥砂浆在-15℃的养护温度下养护,由于养护温度极低,水泥的水化反应进行的基本停止,从图中可以看到仅有少量碳氢化合物(C-S-H)凝胶和针刺状的钙矾石(AFt)凝胶生成,水化产物疏松,且分布不均匀;部分区域还有大量的圆形颗粒状,为未水化的水泥颗粒。由SEM图5进行分析知:水泥砂浆在0℃的养护温度下养护,可以看到一些水化形成的块状酸钙水化物(C-S-H)凝胶和针刺状的钙矾石(AFt),水化产物分布不均匀;有少量的未水化的水泥颗粒。比-15℃养护温度下的水化程度有大幅提高。由SEM图6进行分析可知:水泥砂浆在5℃的养护温度下养护,可以看到大量水化形成的卷箔状、块状硅酸钙水化物(C-S-H)凝胶和少量的针刺状的钙矾石(AFt),水化产物分布不均匀;几乎没有的未水化的水泥颗粒。水泥浆体之间仍存在毛细孔.由SEM图7进行分析知:水泥砂浆在20℃的养护温度下养护,很明显,相比低温养护,该温度下水化程度最大,有大量硅酸钙水化物(C-S-H)凝胶生成,且一定的网络结构;水化水泥浆体之间存在少量的毛细孔??梢钥闯?,不同的养护温度下硬化水泥砂浆的微观形貌也不同,标准养护的条件下,水化反应进行良好,有大量的水化产物形成,形成一定的三维网络结构。低温养护则会导致水化产物形成较缓慢,结构相对较稀疏。

3.2试件孔结构分析

对四组养护温度下28d龄期水泥砂浆试件取样后,以孔隙率和平均孔径来表征试件中的孔结构,采用压汞仪测试水泥砂浆的孔结构,结果见表3。结合表2、图8可见,4组试件在28d龄期时,随着养护温度的升高,测得的平均孔径呈下降趋势;孔隙率大致也是下降趋势。-15℃养护的孔隙率最大,可见相比其它养护温度,-15℃养护时砂浆水化程度最低,内部存在大量微观孔隙、微裂纹。各组测得的平均孔径在015~02μm范围内,-15℃养护的平均孔径最大。

4结论

a)在标准养护温度(20℃)下,水泥砂浆试件早期抗压强度发展最为理想;在负温(-15℃)养护下,水泥砂浆试件早期强度发展最不理想,强度基本不增长。b)在负温(-15℃)养护条件下,试件随着龄期的增加,水化反应基本停止,初期形成的水化产物少且搭接程度低,内部微观结构稀松,抗压强度最低,其孔隙率和平均孔径值最大。c)随着养护温度的提高,砂浆的总孔隙率及平均孔径呈下降趋势。说明养护温度越低砂浆水化程度越低,微观孔隙率越大,尤其在-15℃养护时最明显.d)本研究也与J-KKim[11]的结论相似,即5℃养护温度下,后期水泥砂浆抗压强度增长与标准养护工况下相差不大。

作者:尤美婷 张述园 董志鸿 单位:湖北三峡职业技术学院 湖北省鄂西地质工程勘察院

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