水泥基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响

水泥基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响摘要：研究了水泥基材料基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响。结果表明：水泥品种不同，砂浆的塑性开裂性能不同；水泥标高增大，砂浆的塑性开裂也将加大；存在使砂浆塑性开裂最大化的水灰比；灰砂比越小，砂浆的抗塑性开裂性能越好；粗细集料、外加剂种类、混合料品种及掺量也对砂浆的塑性开裂性能有很大影响。关键词：塑性收缩开裂；塑性开裂总权重值；水泥基体参数水泥混凝土时目前结构工程中用量最大的人造建筑材料，但因自身尚存在某些缺陷，如易塑性收缩开裂、抗拉强度低、韧性差等，从而限制了其在工程中的更广泛使用。为此，人们进行了水泥基材料掺入纤维以改善砂浆抗塑性收缩开裂性能的研究，并证实了此举的有效性。但有关水泥基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响尚未见资料的系统研究报道，故笔者开展了这方面的工作，研究了水泥品种、水泥标号、水灰比、灰砂比、细集料的细度模数、粗细集料比例、外加剂、混合材品种及掺量等对砂浆塑性开裂性能的影响，以期找到它们的影响规律，为实际工程施工中解决塑性开裂问题提供实验依据。 1 试验 1.1 试验原材料 水泥：425复合硅酸盐水泥、425及525普通硅酸盐水泥、625硅酸盐水泥、425硫铝酸盐水泥、425高铝水泥；集料：细集料为细度模数分别为1.84,2.31和3.50的细、中、粗砂，粗集料为525mm的碎石；混合料：粉煤灰和硅灰，其中粉煤灰有原状灰、级灰和级灰；外加剂：减水剂（SN-II）、早强剂（CaCl2)、缓凝剂（柠檬酸钠）；水：自来水。 1.2 试验过程水泥砂浆拌合料基准配合比为m（水泥）：m（砂）：m（水）=1:1:0.5，其他试件配比根据实验目的不同而变化。砂浆试模为610mm*910mm*19mm的木模，混凝土试模则在前述试模上加高至100mm，具体试验过程详见文献3。2 试验过程及分析水泥基体参数包括水泥品种、水泥标号、水灰比、灰砂比、粗细集料比例、外加剂及混合材种类等。为研究它们对砂浆塑性收缩开裂性能的影响，笔者进行了一系列试验（结果均列于表1，表中所涉及的比例、掺量均指质量比或质量分数），并对试验结果进行了分析。2.1 水泥品种的影响 在相同条件下，以基准配合比进行了复合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高铝水泥砂浆试件的塑性收缩开裂试验。由表1可见，相对于复合硅酸盐水泥，其他3种水泥均能不同程度地改善塑性收缩开裂性能，其中以高铝水泥取得的效果最为显著。用高铝水泥制得的试件，在风吹光照的恶劣条件下，从加水成型至24h保持不裂，这一特性对于有特殊要求的工程而言有很大的实用价值。普通硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的主要区别在于后者的混合材较多，可能由于在塑性阶段前者的水化速率大于后者，故普通硅酸盐水泥的抗塑性收缩开裂效果较好；硫铝酸盐水泥是由于它的矿物组成使其早期强度建立较快，当毛细管开始蒸发失去水分并形成凹液面时，用该水泥配制的砂浆试件就能有较大的表面强度来与毛细管收缩应力相抗衡，所以相对于复合硅酸盐水泥而言，它表现出了良好的抗塑性收缩开裂性能；高铝水泥的主要矿物组成为C12A7，CA,CA2，·C2S和C2AS，而其中C12A7的水化速率极快，凝结迅速，使高铝水泥可在24h内即建立起至少36.0MPa的抗压强度和4.0MPa的抗折强度，此强度超过了因毛细管失水而引起的收缩应力，故使得高铝水泥的抗塑性收缩性能特别优异。2.2 水泥标号的影响 在相同条件下，进行了325,425,525和625这4种标号的普通硅酸盐水泥砂浆试件的塑性收缩开裂试验，其中325水泥是由425水泥掺加20%II级粉煤灰配制而成的。 由表1可见，随着水泥标号的提高，水泥砂浆塑性收缩开裂总权重值增大，这与通常的水泥标号越高，抗压强度越高的规律恰好相反。若以325水泥砂浆为基准，则425水泥对塑性收缩开裂的影响与其基本相同，而525水泥可提高约20%，625水泥更可使其增大约50%，这意味着采用高标号水泥存在易塑性收缩开裂的危险，在炎热干旱地区更应引起重视。原因可能是水泥标号越大，其在早期水化消耗的水量相应越多，而这可使早期水化产物增多，促进早期强度增加；与此同时，这也将使可供蒸发的水量相应减少，加大塑性失水带来的收缩开裂应力。2种影响孰大孰小，决定了水泥基材料是否开裂。对于水泥标号来说，在塑性阶段可能是后一种影响占据主要地位。 2.3 灰砂比的影响采用4组灰砂比：2:1,1:1,1:2,1:3，于同条件下进行了不同灰砂比的砂浆塑性收缩开裂试验。由试验结果可见，随着水泥砂浆中砂的比例增大，其塑性收缩开裂总权重值减少。若以灰砂比1:1的水泥砂浆为基准，当灰砂比增大为2:1时，权重值增加约90%；当灰砂比减少为1:2时，权重值约减少50%；更有甚者，当灰砂比减少至1:3时，权重值的减少可达约90%；由此可见灰砂比对塑性收缩开裂性能的影响之大。因而在实际工程中，增加砂浆中砂的含量可作为改善砂浆抗塑性收缩开裂性能的有效措施加以采用。原因可能有以下2点：（1）增加砂子的含量，可使砂浆泌水性提高，利于减小因失水产生的塑性收缩应力；（2）增加砂子含量，相应地减少了水泥含量，从而使塑性阶段水泥水化消耗的水量也相应减少，同样利于缓解因失水产生的塑性收缩应力。当然，增加砂子含量会使砂浆的塑性抗拉强度降低，尤其是砂子含量过分加大时。笔者认为，在塑性失水收缩应力仍小于塑性抗拉强度的范围内。适当提高砂子含量可明显改善砂浆的抗塑性收缩开裂性能。 2.4.水灰比的影响 众所周知，水灰比是混凝土和砂浆配合比中重要的参数，它对混凝土强度、拌合物工作特性等有很大影响，但人们尚不甚了解它对砂浆塑性阶段收缩开裂的影响，由笔者进行的同条件下不同水灰比的影响试验结构可见，随着水灰比的增大，砂浆的塑性收缩开裂总权重值相应增大，但当水灰比超过0.5后，该值反而有所降低，即存在1个水灰比，在该值下砂浆最易发生塑性收缩开裂。在本实验条件下，该值为0.50。这一结果与kraii方法中建议使用的水灰比完全吻合，故本研究中所有试验的基准水灰比均选用0.5。至于原因，笔者认为主要与水泥水化产物的填充和失水收缩这2方面的因素有关，当水灰比增大时，一方面塑性阶段水量的增多将使水泥水化产物填充程度降低，从而使砂浆塑性抗拉强度减小，促使砂浆塑性收缩开裂，另一方面，塑性阶段水量的增多又将使可供蒸发的水量增多，从而缓解、降低塑性收缩应力，减小砂浆的塑性收缩开裂程度。这2种因素相互作用，导致在一定水灰比下，会出现塑性收缩开裂最大化的现象。 2.5 砂子细度模数的影响 在同条件下。采用粗、中、细3种砂子，以研究砂的细度模数的影响。 试验结果显示。3种砂子中，中砂的总权重值最大，即中砂最易使砂浆出现塑性收缩开裂现象。笔者认为原因可能有二：一方面随着砂细度模数的增大，砂的比表面积相应减小，砂表面的吸附水量也相应减小，这将增加可供蒸发的水量，从而减小塑性收缩开裂程度；另一方面，随着砂细度模数的增大、比表面积的减小，由表面吸附力、粘附力而产生的塑性粘聚力将随之减小，这将增大塑性收缩开裂程度。2种作用相互抵消，结果使细砂、粗砂不易造成砂浆塑性开裂，而中砂最易使砂浆出现塑性收缩开裂。 2.6 粗集料的影响 在基准砂浆中以525mm碎石取代50%的中砂，将混凝土试件厚度相应加大至100mm。在其他条件相同的情况下进行了粗集料的影响试验。结果显示，以粗集料取代一半砂子后，混凝土的塑性收缩开裂总权重值较之砂浆减小了约70%。这一结果说明，以粗集料替代细集料，可减小水泥基材料的塑性收缩开裂程度，或者说混凝土较之砂浆不易塑性收缩开裂，其原因与2.5节中所述的类似，即当用粗集料取代部分砂子后，相当于又增大了砂子的细度模数，进一步减小了集料的比表面积，使可供蒸发的水量进一步增加，从而得到上述结果。值得指出的是，上述结果是在砂浆和混凝土试件厚度不同的情况下得到的，为剔除这一因素的影响，笔者又对厚度相同（100mm）的这2种试件进行了试验，结果表明，混凝土试件的塑性收缩开裂总权重值较之砂浆减小了约50%。限于篇幅，有关此方面的内容笔者将另文报道。 2.7 粉煤灰的影响在相同条件下，进行了不同等级粉煤灰的影响试验。另外，还采用II级灰研究了粉煤灰掺量（内掺法）对砂浆塑性收缩开裂性能的影响。由表中结果可见，在内掺20%的情况下，III级灰（即原状灰）和II级灰对塑性收缩开裂总权重值影响不大，与不掺的相比，它们的作用范围仅在±10%以内，且II级灰好于III级灰，但I级灰的砂浆塑性开裂总权重值则大幅下降近90%，明显优于前2中粉煤灰。对于II级灰而言，则是随着掺量的增加，砂浆的抗塑性收缩开裂性能变差，但幅度不是很大；至30%掺量时，砂浆的塑性开裂总权重值仅增加约15%。上述结果说明，在砂浆中掺加粉煤灰，只要品质较好，并适当控制掺量，非但不会引起塑性收缩开裂性能的恶化，反而可以使其得以明显改善。笔者认为这一结果对于粉煤灰的大量利用具有重要意义。出现上述结果的原因笔者认为有2点：粉煤灰的掺入使水泥比例下降，导致了水泥水化消耗水量减少，这将有利于缓解塑性收缩应力的建立；不同品质粉煤灰的需水量不同，低等级粉煤灰吸附水量较多，而高品质粉煤灰则相反，因此低等级粉煤灰容易导致砂浆的塑性收缩开裂，高等级粉煤灰则不然。与此相同，由于II级灰的减水效果不如I级灰，故砂浆的抗塑性收缩开裂性能将随II级灰掺量的增加而变差。 2.8 硅灰的影响 硅灰常用于高性能混凝土中，但在早期塑性阶段，硅灰对于砂浆塑性收缩开裂的影响尚需了解，为此笔者进行了硅灰掺量（内掺法）的影响试验。由试验结果可见，随着硅灰掺量的增加，砂浆试件的塑性收缩开裂总权重值增大。掺量在10%时，硅灰对砂浆塑性收缩开裂性能影响不大；掺量达到20%时，总权重值增加约30%；掺量继续增加到30%时，权重值增加的趋势有所减缓。这一结果说明，在实际工程中，若硅灰掺量在10%左右的话，可在塑性收缩开裂性能不受影响的情况下提高水泥基材料的力学等性能。但一旦掺量达到或超过20%，即应警惕塑性收缩开裂的危险。硅灰增加塑性收缩开裂危险性的原因可能与其巨大的比表面积有关。在塑性阶段，硅灰的掺入将使得总比表面积增大、需水量增加、可供蒸发的水量减少，且硅灰掺量越大，此作用越大，因而易造成砂浆的塑性收缩开裂。2.9 外加剂的影响 外加剂是现代混凝土中的重要组分之一，可改善新拌混凝土和硬化混凝土的一系列性能，但外加剂的掺入对塑性收缩开裂性能有何影响尚需了解。笔者对几种常用的外加剂，如减水剂、缓凝剂和早强剂，进行了影响试验。 试验结果显示。减水剂、缓凝剂和早强剂均能在一定程度上改善砂浆的塑性收缩开裂性能，其中SN-减水剂效果相对较好，柠檬酸钠缓凝剂效果相对较差。笔者认为，减水剂是由于可增加可供蒸发水量而使砂浆塑性收缩开裂总权重值得到减小的；早强剂是由于可增加水泥水化速率，使塑型抗拉强度发展较快而提高了砂浆抗塑性收缩开裂性能的；缓凝剂则由于其既可延缓水泥水化进程而使可供蒸发水量有所增加，同时又可能使塑型抗拉强度降低，故缓凝剂虽可减少砂浆的塑性收缩开裂，但效果相对较差。 笔者认为有必要说明，以上所述的水泥基体诸多因素对砂浆塑性收缩开裂性能的影响规律，并不意味着这些因素对水泥硬化体的干燥收缩性能也具有同样的影响规律。笔者采用自行设计的塑型抗拉强度试验方法另外进行了水泥基体参数等对砂浆塑性收缩开裂的作用机理研究，限于篇幅，笔