防水之家讯：研究了采用50%的矿渣粉和高钙粉煤灰等量替代水泥对水泥净浆早期自收缩性能的影响，同时研究了砂浆的长期干燥收缩性能，采用新型方法研究了初始开裂敏感性，结果表明，在水泥、矿物材料体系中，自收缩与材料体系水化活性成正相关，纯水泥样的自收缩较大，采用50%的矿粉和粉煤灰替代水泥后，自收缩率随着矿物活性的降低而降低。硫酸盐激发材料既具有增加水化程度和提高化学收缩作用，又具有增加AFt量和产生膨胀作用，对自收缩影响不大；50%矿渣及1%元明粉显著提高干燥收缩，是由于矿渣粉使浆体产生离析而在早期失去较多水分以及元明粉的早强作用使水化消耗水增加，二者加快了由于内部干燥产生的体积变形速度；脱硫石膏和煅烧脱硫石膏按照一定比例复合能够显著降低干燥收缩；初始开裂时间与自收缩和水化活性的相关性高，自收缩越高则其开裂敏感性越高强，早强措施增加开裂风险；采用矿物材料、尤其是采用低活性矿物材料替代水泥使水化进程减缓，自收缩和干燥收缩均减少，开裂敏感性降低。
水泥的收缩性能按照龄期可以分为早期收缩和后期收缩，早期收缩还可分为塑性和硬化后阶段的收缩。按照产生原因又可以分为化学收缩、自干燥收缩、(环境)干燥收缩、热缩、冷缩以及由于沉降、温度变化、遭受外力等原因所造成的体积收缩等[1]。最普遍和最显著的是早期化学收缩、自干燥收缩和后期由于环境干燥引起的收缩。关于自收缩定义目前还不统一，田倩、孙伟等[2]经分析认为自收缩是指浇筑成型以后在密封条件下表观体积(或长度)的减小，它不包括因自身物质增减、温度变化、外部加载或约束而引起的体积(长度)的变化，在早期包括化学收缩、凝缩和自干燥收缩。在最早期的塑性阶段，自收缩与化学减缩近似相等，当水泥浆体结构形成以后(粗略地划分为初凝时)，自收缩要小于化学减缩，两者无直接关系[3]。化学收缩是由于充分水化而引起的，实际由于水化程度不同而发生量不确定，自干燥收缩在早期主要由化学收缩引起，凝缩是凝结之前的收缩。相应的化学收缩测试方法有重量法[4]、排液法[5]、加胶囊或透气膜的改进型排液法[6、7]等。本研究通过排液法进行自收缩实验，并通过新型约束条件下初始开裂时间测试装置来研究矿粉、粉煤灰以及脱硫石膏、煅烧脱硫石膏、元明粉等对水泥浆体体积变化和初始开裂敏感性的影响，同时研究了砂浆长期干燥收缩性能。
1 实 验
1.1 实验原材料
外加剂检验专用42.5基准水泥(C)，中国建筑材料研究院产生。
磨细矿渣粉，比表面积420m2/kg；采用褐煤与其他煤混烧得到的二级粉煤灰；脱硫石膏，均为上海宝钢集团生产。煅烧脱硫石膏是将干燥的脱硫石膏在800℃下煅烧1h。Na2SO4(NS)，化学纯。
以上原材料的化学成分如表1，煅烧前后脱硫石膏的XRD分析如图1。
从表1看出，粉煤灰的CaO含量为12.35%，属于高钙粉煤灰；从表1和图1中可以看出，脱硫石膏中CaSO4•2H2O含量较高，经过煅烧后变为比较纯的无水石膏。
表一 原材料的化学分析
图1 脱硫石膏及段煅烧脱硫石膏的XRD图谱
图2 初始开裂测试装置
1.2 实验方法
采用排液法测试自收缩，测试结束后取出硬化体测试体积，换算出各龄期的体积收缩率。采用自行设计的装置[8]测试砂浆的初始开裂时间，图2为装置图，其特点是在环形模具的内环上设置尖劈，使硬化体强制开裂在尖劈附近较小的区域内以便测试和观察。按照GB/T18046-2000成型后带模放进标养室，1d后拆模，在对应尖劈的试样外侧粘贴导电纸，将时钟的电源两端分别接触导电纸两端，开裂时间即为时钟停止的时间。试样放在20±1℃、相对湿度RH=50%-55%的干燥环境中，同时在试样上方开启电风扇。按照GB/T18046-2000成型4×4×16cm棱柱砂浆试样，然后按照JC/T603-1995测试长期干燥线收缩，干燥养护条件为20±1℃、相对湿度RH=50%-55%。强度实验按照GB/T18046-2000进行。
2 实验结果与分析
2.1 配合比与强度
砂浆配合比与各龄期强度实验结果如表2。
表2 配合比与各龄期强度
Table 2 Mixtures and compression strengths
从表2中试样No.1、2、3、4的比较可以看出，采用50%矿渣粉等量替代水泥(No.2)的7d、28d活性指数分别为83%和98%，符合GB/T18046-2000的S95等级要求；采用粉煤灰等量替代20%、30%的矿粉(No.3、4)，强度随着低活性的粉煤灰的替代量增加而降低，均达不到7D强度大于75%、28d强度大于95%的S95等级矿渣粉要求；采用脱硫石膏、煅烧脱硫石膏以及Na2SO4 作为激发材料后(No.5-No.8)，采用粉煤灰替代20%矿粉的强度均达到矿渣粉的活性水平；采用1%的脱硫石膏或煅烧脱硫石膏+1%Na2SO4为激发剂(No.9、10)的28d强度超过纯水泥试样，显示这几种激发措施有效地提高了矿物材料的水化活性；增加脱硫石膏或煅烧脱硫石膏掺量到3%(No.11、12)，28d强度也有所提高。
2.2 自收缩
自收缩体积变化率实验结果如图3、图4。
图三 试样No.1-No.6的体积自收缩率
Fig.3Autogenous shrinkage ratio of sample No.1-No.6
图四 试样No.7-No.12的体积自收缩率
Fig.4Autogenous shrinkage ratio of sample No.7-No.12
从图3小图看出，在加水后8小时内，各配合比的收缩率接近，从8h开始，纯水泥样的收缩率随时间的增加幅度显著高于其他掺50%矿物材料的试样，从图3大图看出，纯水泥样1d后与其他掺50%矿渣及粉煤灰的收缩变化规律基本相同，在掺50%矿渣及粉煤灰的未激发试样中(No.2-No.4)，50%S的收缩较大，40%S+10%FA的收缩与35%S+15%FA接近并较小，起差距是在3d龄期之前产生的；在40%S+10%FA基础上，增加2.5%CG对收缩无显著影响，而增加2.5%DG显著增加了3d-10d之间的收缩。图4是在40%S+10%FA基础上采用不同激发措施的自收缩结果，可以看出，各激发措施产生的收缩差异均不明显，体积变化率基本与图3中未激发的40%S+10%FA样相同。
矿物材料在早期可以看作是惰性的，即便活性较高的矿渣粉在3d前基本不参与化学反应，所以体积变化主要受水泥熟料的水化反应控制。由于操作时间的限制，在加水后几十分钟内第一反应高峰期(诱导期)形成的化学收缩变化难以通过这种实验方法测试到。从1h后到8h之间是浆体初始结构建立、失去塑性并形成强度的过程，浆体主要处于水化静止期，各种配合比的反应都相对较慢，所以反映出的体积变化接近；8h后的浆体已经硬化并进入水化加速期，纯水泥样由于水化程度高而产生较高的化学收缩，掺50%矿物材料使这一阶段发生水化反应的量降低一半，同时使水化环境弱化，其中的水泥水化进程也受到影响，于是体积变化显著降低；2d后水化反应速率均明显减缓，化学收缩引起的体积变化逐渐不明显，纯水泥样在一段时间内仍保持较高的水化速率，但矿物的火山灰反应也逐渐增多，同时随着浆体强度的建立，自身限制收缩的能力也在增长，体积变化不单受水化程度的控制；再后来内部水分逐渐消耗，开始发生自干燥收缩，水化程度高的试样产生较高的化学收缩和自干燥收缩，但同时由于强度增长快，其自身限制收缩发展的能力也较高，于是体积变化受多种因素控制；石膏和元明粉的增加一方面激发矿物活性，使反应程度和化学收缩提高，另一方面产生更多的AFt，使体积膨胀，综合作用结果表现出对自收缩的影响不大。
2.3 干燥收缩
干燥收缩测试结果如图5、图6、图7。
图5 试样No.1-No.4的干燥收缩
Fig.5 Desiccationshrinkage of sample No.1-No.4
图6 试样No.5-No.7的干燥收缩
Fig.6 Desiccationshrinkage of sample No.5-No.7
图6 试样No.5-No.7的干燥收缩
Fig.6 Desiccationshrinkage of sample No.5-No.7
图7 干燥收缩No.8-No.12
Fig.7 Desiccationshrinkage of sample
图7 初始开裂时间
干燥收缩实验方法中，加水后5d时为零体积变化率。从图5看出，干燥收缩率的高低排序为50%S>C>40%S+10FA>35%S+15%FA，即50%矿渣显著提高干燥收缩，矿渣复合粉煤灰降低干燥收缩，并且粉煤灰复合比例从10%提高到15%时降低干燥收缩的作用更明显；从图6看出，2.2%的脱硫石膏或煅烧脱硫石膏对干燥收缩的影响不大，而1%NS提高了干燥收缩；从图7看出，石膏总量从2.2提高到3.3对干燥收缩的影响规律不同，3.3%DG的影响不大，而2.2%DG+1.1%CG则显著降低了干燥收缩。
大掺量矿渣增加干燥收缩的原因可能是其具有的减水作用引起的，成型时发现其容易产生离析，这在早期养护中容易失去更多水分，使内部干燥过程加快；粉煤灰的减水作用比矿渣差很多，同时由于其密度一般为2.2g/cm3，比矿渣(2.9g/cm3)和水泥(3.06 g/cm3)低，加入浆体中形成密度梯度，使浆体的粘聚性改善，更多的自由水可以均匀分布在浆体中，降低干燥失水速度，另外，低活性的FA使水化程度降低，也可能使包括化学收缩在内的干燥收缩减少；NS能够大幅度提高早期水化速度，使内部水消耗加快，加上外界干燥环境的综合作用，使干燥收缩测试结果增加；利用石膏生成AFt增加体积稳定性的作用是有条件的，大多数脱硫石膏在结构尚未建立时就完全消耗，但煅烧脱硫石膏的溶解度比较低，当掺量适合时，可以使部分煅烧脱硫石膏迟后溶解参与反应并产生有效膨胀，抵消早期部分收缩，但掺量过大时会引起膨胀破坏。
干燥收缩与2.3中的自收缩规律不同，50%矿渣及NS显著提高干燥收缩以及两种石膏按照一定比例复合显著降低干燥收缩的结果与一般工程反映一致，这说明工程中经常出现的裂缝、裂纹等危害主要由环境干燥引起，通过适当养护措施能够解决此类问题，同时也提醒在寒冷地区使用早强剂时应注意提前进行湿养护。
2.4 初始开裂时间
初始开裂时间测试结果如图8。
根据图8，从No.1-No.4的对比看出，随着50%S替代水泥、复掺40%S+10%FA、提高粉煤灰掺量比例到35%S+15%FA等，开裂时间逐步推迟；在50%C+40%S+10%FA基础上分别采用DG、CG、NS及其不同复合比例为激发措施的试样、即在No.3与No.5-No.12的对比中，除了掺1.1%DG(No.5)的试样使开裂时间推迟、掺1.1%DG+1%NS(No.10)的试样与对比样(No.3)开裂时间接近外，其他激发措施均使开裂时间提前，开裂时间的先后排序为2.2%CG(No.6)、1%NS(No.7)、2.2%DG+2.2%CG(No.8)、3.3%DG(No.11)、2.2%DG+1.1%CG(No.12)、1.1%CG+1%NS(No.9)、1.1%DG+1%NS(No.10)、2.2%DG(No.5)。
初始开裂时间反映了早期干燥条件下的体积变化和硬化体结构建立速度即硬化体限制体积变化的综合能力，初始开裂时间越早，其开裂敏感性越高，对控制早期裂缝越不利。本方法在施加强化干燥条件时，试件已经1d龄期并硬化，具备了一定强度和限制体积变化能力，在这种条件下，矿物材料和尤其是低活性矿物材料替代水泥使水化进程减缓，自收缩和干燥收缩均减少，开裂敏感性降低的实验结果说明这种方法能够有效改善抗开裂性。将No.1-No.4的初始开裂时间结果与2.2节图3相应试样的自收缩规律对比，相关性很高，即自收缩越大则越容易开裂；与2.3节图5中自由线收缩规律对比，50%S(No.2)干燥收缩率的增加最显著，似乎应该最容易开裂，这与开裂敏感性结果并不对应，实际上从图5看出，50%S增加的干燥收缩主要从14d以后才逐渐显现出来的，而初始开裂时间除了35%S+15%FA(No.4)外主要集中在7d龄期以内。各种激发措施对初始开裂的影响也与自收缩结果一样呈现出不规律性，其原因应该与自收缩规律分析一致。这说明，到后期试样形成的结构强度足以限制干燥收缩形成的变形趋向，而在一致干燥条件下的早期开裂敏感性主要受内部水化程度控制。
实际工程中，浇注模具在早期起到养护作用，表面通常有浇注时出现的泌水起到早期养护作用，在1d龄期内的初始结构形成薄弱环节遭遇强干燥条件的情况较少，一般在1-2d龄期拆除边模使结构曝露于干燥空气中，所以，本实验条件比较接近实际工程，其结果对控制早期开裂具有指导意义。
3 结 论
(1)在水泥、矿物材料体系中，自收缩与材料体系水化活性成正相关，纯水泥样由于具有较高的活性而表现出较大的自收缩，采用50%的矿粉和粉煤灰替代水泥后，自收缩率随着矿物活性的降低而降低。硫酸盐激发材料既具有增加水化程度和提高化学收缩作用，又具有增加AFt量和产生膨胀作用，对自收缩影响不大。
(2)50%矿渣及1%元明粉显著提高干燥收缩，因为矿渣粉使浆体产生离析而在早期失去较多水分以及元明粉的早强作用使水化消耗水增加，2者加快了由于内部干燥产生的体积变形。脱硫石膏和煅烧脱硫石膏按照一定比例复合能够显著降低干燥收缩，使用早强剂时应提前进行湿养护。
(3)初始开裂时间与自收缩和水化活性具有较高的相关性，自收缩越高则其开裂敏感性越高，采用矿物材料、尤其是采用低活性矿物材料替代水泥使水化进程减缓，自收缩和干燥收缩均减少，开裂敏感性降低，能够有效降低实际工程的开裂风险。
参考文献
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