水泥石的干燥收缩及其与微观结构的关系

论文摘要

混凝土的干燥收缩对其性能有极其不利的影响。水分的蒸发在混凝土结构中引发大量应力,由于混凝土材料通常是由外向内被干燥,产生的应力梯度导致材料的薄弱处产生微裂纹。裂缝降低了材料的强度,并且有害的物质通过微裂纹更快的渗入材料内部,混凝土结构耐久性降低。引起混凝土材料干缩的组分主要是水泥石。控制水泥石干缩的微观结构参数还没有被确定。本课题通过改变水泥石的水灰比、龄期等参数,从而改变水泥石的微观结构,进而改变水泥石的干燥收缩,并以此建立了水泥石干燥收缩与微观结构的关系。课题选取了水化硅酸钙（C-S-H）,氢氧化钙（CH）和孔结构作为水泥石的微观结构参数,并分析它们随龄期和水灰比的变化规律。其中,水化硅酸钙由于缺乏直接测试手段而难以量化。课题结合综合热分析（TG-DSC）和固体核磁共振的测试结果,提出了一种估算C-S-H含量的方法。水泥石干缩性能是通过梯次平衡法测量水泥石在100%-7%RH湿度范围内,不同湿度段的重量损失和干燥收缩来确定的。课题从两方面优化了对水泥石干燥收缩性能的研究:一是在试件干缩后进行再润湿,从而分离出了可逆与不可逆干缩值;二是选取个别试件进行二次干燥,研究干燥收缩对水泥石孔结构和干缩性能的影响。本课题主要得出以下结论:1)当水灰比一定时,随着龄期的增长,水泥石水化反应程度增大,主要水化产物CH和C-S-H增多,凝胶孔增多,平均孔径减小。并且C-S-H中Q2的含量增加,硅酸根聚合度增加,凝胶结构更坚固抵抗干缩变形的能力增强,水泥石在100%-7%相对湿度段的总干缩先增大,后减小。2)当龄期一定时,随着水灰比的增大,水泥石水化程度增大,主要水化产物CH和C-S-H增多,水泥石各级孔增多,平均孔径增大,水泥石在100%-7%相对湿度段的的总干缩略增大,主要增长在100%-54%相对湿度段。3)水泥石的重量损失和收缩随着湿度的降低而增加。当再润湿时,重量损失基本能完全回复但明显滞后。当再润湿时,干缩的回复也明显滞后且存在不可逆收缩。不可逆干缩主要集中在84%-7%相对湿度干燥过程中。4)失水孔的数量和大小和水化硅酸钙的数量和结构是主控水泥石干缩的微观因素。5)毛细孔主要在100%-54%相对湿度以上起主导作用。毛细孔数量的增多带来更多的弯月面和更大的应力,而毛细孔孔径的增大则使弯月面产生的有效应力减小,在100%-54%相对湿度段内通常是这两个相反效应协同作用的结果。6)凝胶孔主要在54%相对湿度以下起作用,但随着水泥石龄期的延长,水化硅酸钙的结构与数量在此湿度段起主导作用。7)对于28天龄期,不同水灰比的水泥石,二次干燥过程中,在100%-84%和84%-54%相对湿度范围内重量损失增大,而在54-7%相对湿度范围内重量损失减小。同时,水泥石二次干燥过程中的不可逆干缩较小。本课题通过微观测试手段量化了水泥石的微观结构参数,尤其是C-S-H的含量,并利用改良的能得到更多信息的干缩测试手段来研究水泥石的干缩行为,为探索水泥石微观结构与干缩收缩的关系,特别是水化硅酸钙影响干缩的机理提供了更加深入的研究结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 波特兰水泥石
• 1.1.1 C-S-H
• 1.1.2 孔结构
• 1.1.3 水的存在状态
• 1.2 水泥石的干燥收缩
• 1.2.1 实际的和表面上的机理
• 1.2.2 水泥石的干缩机理
• 1.2.3 不可逆干燥收缩
• 1.2.4 干燥收缩模型
• 1.3 课题研究的目的、意义及技术路线
• 1.3.1 目的
• 1.3.2 意义
• 1.3.3 技术路线
• 2 试验原材料及试验方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 水泥
• 2.1.2 过饱和盐溶液
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试件成型及养护
• 2.2.2 干缩测试
• 2.2.3 孔结构测试
• 3 水泥石微观结构参数的量化法
• 3.1 综合热分析（TG-DSC）
• 3.1.1 试样制备与测试
• 3.1.2 结果分析
• 29SI SOLID STATE MAS NMR)'>3.2 单脉冲固体核磁共振(SINGLE PLUS ²⁹SI SOLID STATE MAS NMR)
• 3.2.1 试样制备与测试
• 3.2.2 核磁共振图谱解析
• 3.2.3 水化硅酸钙含量的估算
• 3.2.4 C-S-H 凝胶的直链平均长度
• 4 水泥石微观结构的表征
• 4.1 水化程度和CH 含量
• 4.1.1 龄期对水化程度和CH 含量的影响
• 4.1.2 水灰比对水化程度和CH 含量的影响
• 4.2 水化硅酸钙含量
• 4.2.1 龄期对水化硅酸钙含量的影响
• 4.2.2 水灰比对水化硅酸钙含量的影响
• 4.3 孔结构
• 4.3.1 龄期对孔径分布的影响
• 4.3.2 水灰比对孔径分布的影响
• 4.4 水泥石微观结构特征随龄期和水灰比的变化
• 4.5 本章小结
• 5 干燥收缩及结果分析
• 5.1 水泥石在梯次燥和再润湿过程中的重量损失和干缩特点
• 5.2 龄期对水泥石干燥收缩的影响
• 5.2.1 早龄期下水泥石干燥收缩随龄期的变化
• 5.2.2 长龄期下水泥石干燥收缩随龄期的变化
• 5.3 水灰比对水泥石干燥收缩的影响
• 5.4 水泥石二次干燥过程中干缩与重量损失特点
• 5.5 主控水泥石干燥收缩值的微观结构特征随龄期的变化
• 5.6 本章小结
• 6 结论和建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 对进一步研究的几点建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录