超高性能混凝土的力学性能和微观结构修改Sulfoaluminate钙水泥

文摘

高自收缩性质是一种超高性能混凝土的缺点(UHPC),这可能会引起早期开裂并威胁混凝土结构的安全。在目前的研究中,不同剂量的钙sulfoaluminate (CSA)水泥中添加UHPC作为一个有效的粘合剂。水化机理、自收缩性能和抗压强度的UHPC进行调查的影响CSA UHPC的机械性能。扫描电镜也用来描述的内在微观结构原因有关macroproperties的变化。基于x射线衍射图,增加钙矾石的形成和Ca(哦)₂可以发现随着CSA内容上升到15%。的热流结果UHPC CSA, 10%的最大热释放增加到2.6 mW / g,高于参考UHPC 8.3%,表明更高程度的水化与CSA加法。自收缩的结果表明,CSA膨胀剂起着显著在改善UHPC自收缩的有益作用。相应的自收缩UHPC−59.66 ,−131.11 ,和−182.31 ,分别在7 d为5%,10%,15%,108%,117%,和123%相比,减少没有CSA参考样本。的抗压强度,UHPC 5%, 10%, 15%,和20% CSA增加10.5%,17.4%,30.2%,和22.1%的抗压强度高于参考UHPC 28 d。显微结构的研究表明,有一个非常密集的两大部分矩阵和界面过渡区微观结构的UHPC CSA增加10%,这可以归因于更高的自收缩性能,因此可以导致更高的力学性能。

1。介绍

随着super-high-rise和系统建设的发展,耐用性和抗压强度的混凝土(正面临着巨大的挑战1,2]。在这种情况下,超高性能混凝土(UHPC)引起了巨大的关注由于其极高的抗压强度80 - 150 MPa和优越的耐用性3,4]。设计理论的基础上强化粒子包装和内部缺陷(气孔和微裂隙)有限的提高组件的细度和活动(5]。在细节,毫米大小的差距(如总)是由微米大小颗粒(例如,水泥、粉煤灰、和矿物粉),然后微米大小的差距是由亚微米大小颗粒(例如,硅灰和粉煤灰)。然而,由于一个高比例的胶结材料(水泥、800 - 1000公斤/米³)和低water-to-binder比率为0.15 - -0.3,水化程度的UHPC相当低(6]。更重要的是,UHPC最严重的缺点之一是自收缩性能高,这可能会导致早期开裂,因此威胁到混凝土结构的安全性和使用寿命7- - - - - -10]。

为了减少UHPC的自收缩,添加膨胀剂、减缩剂(SRA)和超级吸水聚合物(SAP)通常包含取代的一部分胶结材料在不同比例(11- - - - - -13]。其中,膨胀剂是一种最有效的添加剂(13]。大量的研究已经进行了研究的影响不同的添加剂对降低混凝土的自收缩(14,15]。其中,钙sulfoaluminate (CSA)水泥已经产生了大量的兴趣(9,10]。

CSA水泥最早是在1970年代在中国生产加热混合物的石灰石、铝土矿和石膏约为1250 ,生成水泥熟料与钙sulfoaluminate和b -水泥石的主要成分。是有效的粘结剂作为一个拥有巨大的水晶在水化钙矾石的形成16,17]。此外,它还起着有益的作用在改善UHPC[的力量18]。Yoo的研究等。9)发现CSA膨胀剂发挥了积极作用在减少UHPC的膨胀压力,这个增量增长增加CSA的内容。在细节,收缩压力较小的7%和10%,6%和8% CSA除了比普通UHPC后15 d。沈等的研究。19)显示,有15% CSA-CaO, UHPC减少59%,7 d的自收缩相比普通UHPC。这是表明添加CSA-CaO也是一个有益的影响强度发展。UHPC CSA-CaO 5%,抗压强度增加到97 MPa,相比95 MPa的参考样品在3 d;相应的挠曲强度改善来自27个MPa 30 MPa。

总之,CSA水泥是一种非常有前途的膨胀剂和强度增强剂在UHPC的应用。但到目前为止,缺乏研究的影响优化CSA水泥自收缩,机械性能和水化机理UHPC以及底层的显微结构的变化,这是非常重要的广泛应用之前UHPC修改CSA水泥。在这项研究中,不同剂量的CSA水泥(0%,5%,10%,15%,和20%)被添加在OPC的UHPC取代部分水泥,针对生产UHPC更高的强度和耐久性。

2。材料和实验

2.1。材料

材料的普通硅酸盐水泥,CSA膨胀剂,矿物质的硅灰、粉煤灰、矿渣用于生产UHPC。每个材料的化学成分如表所示1。在这项研究中,添加不同比例的CSA在UHPC调查UHPC对力学性能的影响。详细,CSA的0%,5%,10%,15%,和20%的准备,指定CSA0, CSA5, CSA10, CSA15和CSA20分别。表中列出的详细的混合设计2。UHPC是100毫米100毫米自收缩测试515毫米,100毫米100毫米抗压强度测试的100毫米和225毫米55毫米10毫米的弯曲性能测试。24小时后,标本20 demolded和治愈1°C相对湿度为95%,直到调查年龄。

2.2。实验工作

2.2.1。XRD和热流分析

为了研究CSA UHPC的水化的影响,相应的纯UHPC贴不同的CSA内容(0%,5%,10%,15%,和20%)准备在缸模具。24小时后,标本治愈的水浴温度设定在201°C。在养护7 d时,样品被破碎,然后在玛瑙研钵磨成细粉。是XRD的力量使用CuK D8α1辐射的工作条件40 kV和30 mA。粉末样品的数据收集在一个2θ范围在0°和50°之间的步长0.02°。

水泥水化是一个放热反应,在水化产生的热量也可以改善UHPC的自收缩。因此,调查的影响CSA水泥UHPC热流的控制自收缩的重视。在这项研究中,多通道等温量热计(模型TAM空气,TA仪器)应用于调查UHPC热流。在测试期间,等温温度是200.02°C,和热流UHPC被记录在早期72 h。

2.2.2。自收缩试验

在这项研究中,自收缩的UHPC是根据中国标准GB / T 50082 - 2009 (20.]。在测试过程中,混凝土的非接触变形测试仪(模型CABR-NES)(如图1),UHPC标本满是聚乙烯薄膜。在固化的时候1 d, 2 d, 3 d、5 d, 7 d, 14 d, 21 d,和28 d,自收缩UHPC进行了测试。

2.2.3。机械强度测试

机械性能的抗压强度和弯曲性能进行研究。抗压强度UHPC治愈的3 d, 7 d,和28 d检查根据中国标准GB / T 50082 - 2009 (20.),和三个标本进行平均的结果。它是由一个万能强度试验机的加载速率2.4 kN / s,和机器的最大负载是300 kN。

UHPC样本的弯曲性能测试通过四点弯曲试验使用Tinius奥尔森H25KS根据BS-EN 1170 - 5:1997 [21),200毫米的主要跨度和荷载率在1.8毫米/分钟22]。实验装置上的详细信息显示在图2。因此,UHPC得到载荷挠度曲线,应力-应变曲线可以随后通过计算获得。

2.2.4。显微结构的观察

为了检查内在微观结构基本力学性能的原因,微观结构的断裂UHPC治愈在20°C 28 d在SEM特征的二次电子成像模式。在测试之前,水化UHPC标本被浸泡在液氮停止了几分钟,然后放在一个可以保持冷冻干燥至恒重。在这项研究中,JEOL地产- 5800 lv配备能量色散x射线显微分析(EDX)申请显微结构的观察,在加速电压20 kV和12毫米的工作距离。谱也进行调查相关的基本信息在特定的位置。

3所示。结果与讨论

3.1。XRD分析UHPC粘贴

XRD衍射图UHPC粘贴有0%,5%,10%,15%,和20% CSA增加治愈201°C 7 d呈现在图3。C的残余₃S和C₂可以观察到,建议在这个阶段水化程度较低。这是因为水粘合剂比例相当低UHPC在这项研究中,只有0.24。另一方面,水化钙sulfoaluminate迅速提升者在早期的年龄,消耗大量的水;因此,没有足够的自由水用于C的水合作用₃S和C₂美国的XRD图,也可以看到钙sulfoaluminate不是每个标本可追踪的。这是因为水化钙sulfoaluminate发生大幅的1 - 2 h 2 d,生成大量的钙矾石形成见方程(1)。它也可以发现,UHPC的主要水化产物钙矾石和Ca(哦)₂,有或没有CSA加法。特别是,钙矾石的强度和Ca(哦)₂峰CSA内容15%增高而增强;然而,增量是容易减缓大CSA内容的20%。这是因为,与一个更大的CSA内容的20%,更大比例的水消耗的快速水化钙sulfoaluminate在早期的年龄,导致更少的自由水用于C的水合作用₃S和C₂Ca(哦)₂,因此减少了CH代CSA20中可以找到。然而,根据x射线衍射图,减少钙矾石也在CSA20形成。这一现象可以解释,石膏的损耗,monosulfate期间将形成的水化钙sulfoaluminate见方程(2),它需要较少的水分子相比,在方程(1)。同时,在缺乏石膏,钙矾石的一部分会逐渐转变成非晶态monosulfate,见方程(3)。

3.2。UHPC的热流

UHPC 10% CSA的热流增加72 h如图4。很明显,在参考UHPC CSA,有一个潜伏期在第一个8 h;随后,一个加速期之前用非常强硬的8 h和44 h之间的峰值。然而,UHPC相当受到10%的热流CSA加法。一般来说,潜伏期的热流水泥水化增加到0.4 mW / g值相比0.32 mW / g的参考。的主要峰值热流也进步13 h比18 h UHPC参考。与此同时,最大热流值增加到2.6 mW / g;这是参考UHPC高出8.3%。这一现象表明,有一个加速CSA除了对UHPC的水化过程的影响在早期的年龄,可以实现更高程度的水化和CSA加法。这是由于水化钙sulfoaluminate启动更快,比OPC在第一集中48 h,这是一个放热反应,释放大比例的水化热流动。

3.3。UHPC自收缩的

CSA的影响膨胀剂的自收缩发展UHPC呈现在图5。可以看出,参考UHPC没有CSA展品大幅高收缩性质,以及自收缩达到约6001 d。这个值是1500年相比显著降低沈从先前的研究等。19]。这是因为更大的w / c的比例相比,本研究使用的是0.24到0.18 (19]。1 d后,增加了倾向于慢下来,达到638和652年 ,分别在2 d和7 d。7 d后,有逐渐增加参考UHPC的收缩,达到约800人在28 d。总之,普通UHPC在当下研究的自收缩增加迅速在早期的年龄,然后演示了以后逐步增长。这一趋势线的热流由谢与之前的研究结果相一致等。(23)和Sobuz et al。24]。

从图中的结果5,它可以观察到,CSA的加入显著膨胀剂起着有益的作用,改善UHPC的自收缩。所有的标本属性在不同程度上,表现出良好的扩张和膨胀性UHPC倾向于提高越来越CSA比例在5%至15%之间。具体来说,UHPC的自收缩5%,10%和15%的CSA−59.66 ,−131.11 ,和−182.31 ,分别在7 d, 108%, 117%,和123%相比,自收缩减少参考样本。与以前的研究数据。例如,谢等的研究。23)显示,有2%的SRA,可以实现自收缩减少65.6%相比,参考平原UHPC 7 d。同样,苏et al。25报道一个减少高达95%的自收缩SRA 7 d剂量为2%。

然而,当CSA比例增加到20%,优越的效果仍然可以发现但有轻微减少肿胀UHPC的属性。相应的自收缩减少−151.2628 d, CSA添加9.24%低于15%。这是因为CH和钙矾石的形成主要原因有关CSA水泥的膨胀特性;然而,减少大量的CH和钙矾石代观察根据XRD图3。因此,膨胀的性质UHPC是有限的在某种程度上,CSA增加20%。一致性的结果与先前的研究[16,19]。

它可以得出结论,CSA水泥具有巨大的潜力减少UHPC的自收缩,和优越扩张财产可以获得优化体积的15%。这个有益的扩张属性可以归因于在水化连续膨胀钙矾石的形成,和钙矾石产生的膨胀压力补偿UHPC中所开发的自收缩。相应的章节中讨论微观结构原因3.4。

3.4。UHPC的力学性能

抗压强度不同CSA的UHPC添加如图6。它可以发现的CSA有利于抗压强度的提高。一般来说,抗压强度增加的速度是提高CSA增加5 - 15%。然而,增加速度会减慢CSA更高含量的20%,有一个轻微的减少相比,CSA增加15%。这是因为减少数量的钙矾石和Ca(哦)₂形成在这一阶段,这两个大大加剧UHPC强度发展,如XRD分析部分3.1。岁,3 d, UHPC抗压强度74 MPa, 78 MPa, 87 MPa,和84 MPa,分别为5%,10%,15%,和20% CSA, 4.2%, 9.8%, 22.5%,和18.3%高于参考UHPC没有CSA之外。随着年龄增加,不同UHPC的抗压强度逐渐增加。在28 d,相应的抗压强度达到95 MPa, 101 MPa, 112 MPa,和105 MPa, 5%, 10%, 15%,和20% CSA, 10.5%, 17.4%, 30.2%,和22.1%高于UHPC的引用。

3.5。UHPC的微观结构

UHPC 10% CSA的微结构如图7。它可以观察到一个非常密集的微观结构是开发的大部分矩阵,和大孔隙几乎缺席。这可以与生成的钙矾石膨胀压力在水化过程中,这可能补偿UHPC的自收缩,导致一个紧凑和稠密矩阵在很大程度上。这是符合自收缩的分析部分3.3。硅灰的球形结构直径约10可以观察到,这表明硅灰主要起着物理填充效应在微观结构视图。在图7(一),prismatic-shaped钙矾石可观测到的矩阵,这是一个主要的水化产物UHPC系统用于这项研究。相应的谱分析发现“1”,如图7 (b)揭示了一个主导地位的曹(16.05 wt %)和SiO₂(9.81 wt %)的小型夹杂物₃(5.83 wt %)和艾尔₂O₃(4.82 wt %)。相应的铝/ Ca比是0.33和S / Ca比为0.255,这可能是钙矾石的混合物(Al / Ca = 0.33 S / Ca = 0.5)和少量的C-S-H凝胶。

与此同时,有一个密度和骨料和水泥之间的亲密接触界面过渡区图7 (c)。这可以归因于高自收缩房地产CSA,这可能大大缩小骨料和水泥之间的差距。高质量的界面过渡区用更少的差距和孔隙度有利于UHPC更高的力学性能,在一致性的结果部分3.3。这是与先前的研究一致26,27),表明界面质量的关键因素之一决定混凝土结构的强度。

4所示。结论

x射线衍射图表明UHPC的主要水化产物钙矾石和Ca(哦)₂,有或没有CSA加法。特别是,增加钙矾石的形成和Ca(哦)₂可以发现随着CSA内容上升到15%。的热流结果UHPC CSA, 10%的最大热释放增加到2.6 mW / g,这是比参考UHPC高出8.3%。这是一个加速的提示CSA除了对UHPC的水化过程的影响在早期的年龄,可以实现更高程度的水化和CSA加法。

自收缩的结果,可以得出结论,CSA膨胀剂起着显著改善UHPC自收缩的有益作用,尤其是在一个优化除了在5%和15%之间。UHPC的自收缩5%,10%和15%的CSA−59.66 ,−131.11 ,和−182.31 ,分别在7 d,减少108%,117%,和123%相比,参考样品在同一年龄。

同时,添加CSA膨胀剂会增加UHPC很大程度上的抗压强度。例如,UHPC抗压强度的5%,10%,15%,和20% CSA加成是4.2%,9.8%,22.5%,和18.3%,分别高于参考UHPC没有CSA之外。在28 d,相应的增加上升到10.5%,17.4%,30.2%,和22.1%,分别比参考样品。

显微结构的研究表明,有一个密度极大的微观结构在UHPC CSA,和大孔隙中几乎没有矩阵。硅灰的球形结构显示在大部分矩阵,这表明它主要起着物理填充效应在微观结构视图。Prismatic-shaped钙矾石可观测到的矩阵,少量的C-S-H凝胶混杂在一起。同时,有一个密度和骨料和水泥之间的亲密接触界面过渡区,这可以归因于高自收缩房地产CSA之外。高质量的界面过渡区用更少的差距和孔隙度有利于UHPC更高的力学性能;这是在协议与抗压强度结果。

因此,CSA水泥不仅是一个有效的膨胀剂的应用UHPC只要掺合料的数量控制在合理的范围内,但它也有有利影响UHPC强度发展。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由硅酸盐材料国家重点实验室的支持架构,(没有在中国武汉科技大学。SYSJJ2019-17),重点实验室的结构和风洞广东高等教育机构开放基金(没有。202002),陕西省自然科学基础研究计划(2021号金桥jm - 605和2020 - 536)。

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