掺氧化钙熟料水泥基材料膨胀性能的温度敏感性及其机理研究

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混凝土等水泥基材料因收缩而引起的开裂问题在土木工程应用中已是一种普遍的现象。在混凝土中掺入膨胀剂来补偿收缩是防止混凝土收缩开裂的一种有效措施。CaO膨胀剂因具有显著的膨胀效能,作为一种新型补偿收缩材料,在工程实际中日益得到推广应用。然而,CaO膨胀剂的膨胀性能受环境的影响较大,特别是温度和湿度等条件,使其性能在实际使用中发挥不稳定。本文针对温度对掺CaO膨胀熟料的水泥基材料性能的影响,研究了不同CaO膨胀熟料掺量(2%、3%和4%)的水泥基材料在不同养护温度(20℃、40℃和60℃)下的力学性能和变形性能,以及掺不同煅烧温度的CaO膨胀熟料的水泥基材料的变形性能,并从水化动力学过程和孔结构分布对其产生温度敏感性的作用机理进行了分析。主要研究内容及结果如下:  ⑴研究了掺CaO膨胀熟料水泥基材料力学性能对养护温度的敏感性。结果表明:掺CaO膨胀熟料的水泥净浆试样7d之前的抗压强度随养护温度的升高而增大,7d后期的抗压强度随养护温度的升高而降低;各养护温度温度下,净浆试样的抗压强度均随着CaO膨胀熟料掺量的提高而降低,随着水胶比的增大而降低。  ⑵研究了掺CaO膨胀熟料的水泥基材料分别在自由和限制条件下的变形性能对养护温度的敏感性。结果表明:自由条件下,掺CaO膨胀熟料水泥净浆和砂浆的线膨胀率28d前均随着养护温度的升高而增大;各养护温度下,试件线膨胀率均随着掺量的增加而增大,随着水胶比的增大而减小;限制条件下,掺CaO膨胀熟料水泥净浆的线膨胀率随养护温度的变化与自由条件下相比,20℃水养条件下14d之后的膨胀率最大。  ⑶研究了温度对CaO膨胀熟料的水化反应动力学过程的影响,通过对实验结果的拟合分析,得出其水化反应动力学参数以及反应活化能Ea。研究结果表明:随着水化反应温度的升高,CaO膨胀熟料水化程度和水化反应速率常数相应地增大,表现出了较大的温度敏感性;不同煅烧温度(1200℃、1300℃、1400℃和1450℃)的CaO膨胀熟料的水化反应活化能Ea分别为:1.82kJ/mol、18.25kJ/mol、20.35kJ/mol和24.14kJ/mol。  ⑷采用微量热法测试了CaO膨胀熟料的水化放热历程。结果表明:同一煅烧温度得到的CaO膨胀熟料,其水化放热量达到最大的时间随水化反应温度的升高而缩短,水化放热总量均随水化反应温度的升高而降低;1200℃煅烧得到的CaO膨胀熟料在20℃、30℃、40℃水化环境下的放热速率(0.2861W.g-1、0.3633W.g-1和0.4506W.g-1)明显高于1300℃、1400℃和1450℃煅烧得到的CaO膨胀熟料。  ⑸利用压汞方法测试了掺CaO膨胀熟料水泥净浆的孔结构,分析结果表明:掺量4%和0%的水泥基材料在20℃、40℃和60℃条件下,1d的有害孔(50nm≤d<200nm)和多害孔(d≥200nm)所占的比例比3d、7d的大,少害孔和无害孔的比例随着龄期的增长其比例逐渐增大;20℃条件下,CaO膨胀熟料掺量大,其多害孔的数量增多。  ⑹随着CaO熟料掺量增大其孔隙率也随之增大,有害孔和多害孔的比例也增大。在CaO膨胀熟料掺量为0%条件下,20℃、40℃和60℃水养条件下1d、3d和7d的最可几直径分别向105nm、42nm和45nm偏移。掺量4%的水泥基材料,在20℃、40℃、60℃条件下1d、3d和7d的最可几孔径分别向88nm、68nm和69nm偏移。随着养护温度的升高其最可几孔径有变小的趋势。  ⑺从水化反应动力学和孔结构分布分析其产生温度敏感性的原因:掺CaO膨胀熟料的水泥基材料,在养护温度升高时,其力学性能和变形性能表现出的温度敏感性与其水化反应过程和生成孔的大小有着密切的关系。养护温度升高,自由线膨胀率增大,实质上是促进了其前期的掺CaO膨胀熟料的水泥基材料的水化反应的进行,前期生成Ca(OH2的含量增大,使得前期膨胀率增大,前期生成的细小Ca(OH)2颗粒用于填充掺CaO膨胀熟料的水泥硬化浆体的空隙,对7d前的强度发展是有利的,随着反应的进行,养护温度不变的条件下,生成较大的水化产物颗粒,增大了孔隙率,使得有害孔和多害空的数量增多,对强度发展不利,导致后期养护温度越高其抗压强度越低
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