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硬化水泥基材料热膨胀性能的研究

李清海  
【摘要】: 虽然水泥基材料作为一种大宗建筑材料在工程建设中已经得到非常广泛的应用和研究,但当其在高温或在局部高温环境中应用时,其性能往往遭到严重的破坏。深入研究水泥基材料在高温下的热膨胀机理,掌握其在高温时的变化规律,对于理解高温或局部高温环境中水泥基材料的行为有所帮助,并对混凝土构件和结构的耐高温设计提供理论依据,且在指导水泥基材料的高温安全性、耐久性方面有重要意义。 本文针对目前水泥基材料热变形性能研究方法不足,结论不系统的现状,采用差示热膨胀测试方法,结合高温下力学性能测试及TG-DTA、DSC-TG、XRD和SEM等分析方法,首次系统研究了硬化水泥基材料高温热膨胀性能及其影响因素。重点研究了水泥石和集料的热膨胀率变化规律及其机理,建立了水泥石和集料高温热膨胀系数的数学模型;对不同集料品种和掺量下水泥基材料热膨胀率和抗压强度的作用机理进行了研究;同时研究了掺合料的种类和掺量对水泥基材料热膨胀率的影响及机理;结合压汞法(MIP法),系统研究了气相对水泥基材料热膨胀率的影响及机理;通过掺入C_3A和C(S|—)H_2的方法,研究水化硫铝酸钙对硅酸盐水泥热膨胀率变化规律的影响;还对比研究了由常用的三大系列水泥(硅酸盐水泥、高铝水泥和硫铝酸盐水泥)制成的水泥基材料热膨胀性能之间的差异。 本文首先对水泥石和集料在高温下的热膨胀率进行深入的研究,首次提出了用差示热膨胀法测试水泥基材料热膨胀性能,并设计了专用试件成型方法。实验结果发现:水泥石在三种升温条件下(I:直接从室温至600℃;II:先经过室温至180℃的热循环,然后再升温至600℃;III:先经过从室温至400℃的热循环,然后再升温至600℃)的热膨胀率随温度的升高均呈现为先升高后降低的趋势;升温条件II和III同I相比较,水泥石在受热时出现热收缩的温度分别提高了约70℃和260℃,首次得出热循环提高了水泥石热收缩温度的结论。另一方面,集料的热膨胀率也随温度的升高而增大,并在570℃~600℃区间内膨胀率曲线出现明显的峰值。同时借助于DSC/TG和XRD测试手段,探索了水泥石和集料热膨胀性能变化机理。实验发现,水泥石和集料之间的热应力差是导致热循环中混凝土强度下降的主要原因。首次应用“函数求导法”和“直接微分法”对水泥石和集料在高温条件下各自热膨胀率与温度之间的关系进行了分析,建立了对材料设计及应用具有很强指导意义的热膨胀系数与温度之间的数学模型。 本文首次对不同集料、不同灰砂比(m(c)/m(s))的混凝土从室温至600℃范围内的热膨胀率进行测定与分析,对比了石英砂、石灰石和花岗岩三种集料对硬化水泥基材料热膨胀性能的影响。结果发现,集料掺量增大,混凝土热膨胀率增幅越大;集料品种不同时,混凝土热膨胀率增幅会有所差异。借助TG-DTA、XRD等测试手段,探索高温下混凝土强度变化与水泥石强度、水泥石与集料界面区热膨胀应力差二者之间的影响关系。 本文首次研究了掺合料对硬化水泥基材料热膨胀性能的影响。结果发现:在实验掺量范围内(10%~20%),掺合料(硅灰、粉煤灰或磨细矿渣)的掺入使水泥石在高温时产生比对比水泥石更大的热收缩,热收缩量从大到小依次是硅灰磨细矿渣粉煤灰。硅灰掺量的变化对水泥石热收缩影响较小;磨细矿渣掺量增多,水泥石热收缩增大;粉煤灰掺量增加,水泥石热收缩量由大变小。并通过TG-DTA、XRD和SEM图谱对上述变化规律进行了机理分析。 本文首次研究了掺入引气剂后,气相对硬化水泥基材料热膨胀性能的影响,并利用MIP和XRD等方法对其机理进行了探索。研究发现:引入气相的水泥石与对比水泥石试样的热膨胀率曲线变化趋势大致相同。引入气相后,在室温至150℃之间,气相缓解了水泥石的膨胀;在150℃之后,引入的气相为水化产物提供了脱水通道,使水泥石体积产生更加明显的收缩,收缩量随着引气剂掺量的增加而增大。 本文首次通过在普通硅酸盐水泥中掺入C3A和CS—H2,使水泥石中水化生成更多的水化硫铝酸钙,以研究水化硫铝酸钙对硬化硅酸盐水泥石热膨胀率的影响。结果发现:掺加C_3A和C(S|—)H_2后,水泥石热膨胀率的变化趋势与对比水泥石的基本一致,但水化硫铝酸钙增加了水泥石的高温(150℃)收缩量,对水泥石热稳定性不利。并运用DTA-TG、XRD和SEM对其机理进行了探索与分析。对三大系列水泥(硅酸盐水泥、高铝水泥和硫铝酸盐水泥)制成的水泥基材料热膨胀率变化规律的对比研究发现:三种水泥石的热膨胀率曲线均随着温度的升高先上升,而后显著降低,达到一定温度后,曲线变得平缓,此时的热收缩量从大到小依次是:普通硅酸盐水泥硫铝酸盐水泥高铝水泥。由于组成成分的不同,三种水泥石热稳定性、热收缩量及收缩速率有着显著差异。论文还运用TG-DTA、XRD和SEM等方法,探索分析了三种水泥石高温热膨胀率变化与各自水化产物之间的关系,对三种水泥的高温使用有指导意义。


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