Self-Shrinkage行为废纸纤维增强水泥粘贴在早期考虑其自凝效果

文摘

本文的目的是研究水泥浆的早期self-shrinkage行为影响的废纸纤维在密封的条件下。虽然重点是确定是否适合废纸纤维减轻self-shrinkage作为内部固化剂在不同添加方式,评估他们的力量,孔隙结构和水化属性提供了进一步了解水泥浆的自我治愈行为。在湿混合条件下,废纸纤维可以降低水泥浆的self-shrinkage,添加水泥质量的0.2%,废纸纤维被发现显示显著self-shrinkage开裂控制,同时提供一些内部固化。此外,自凝效率结果分析了基于强度和水泥浆的self-shrinkage行为。结果表明,在低水灰比下,最佳剂量和添加方式的废纸纤维可以提高自凝水泥浆的效率。

1。介绍

因为需要长时间跨度,高耸入云,重载和恶劣的条件在现代工程中,高性能混凝土(HPC)已广泛应用于基础设施,如桥梁、高层建筑、港口,和地下工程,由于高强度和高绩效(1,2]。然而,自干燥导致self-shrinkage引起混凝土的早期裂缝,已被公认是一个主要的缺点HPC (3- - - - - -5]。

由于低水胶比的HPC,大量的未水化水泥在混凝土可以吸引从毛细管水,开始水合物。然而外部水分难以渗透混凝土由于压实混凝土的内部结构和毛细管脱水,甚至形成了一个真空,导致混凝土的self-shrinkage。与硬化混凝土的早期收缩变形大于极限拉伸变形,然后总是会导致开裂和降低混凝土的渗透性和抗碳化。因此,自干燥收缩的混凝土内部相对湿度的下降密切相关;这是证实了先前的研究[6- - - - - -8]。为了有效地控制和改善混凝土的self-shrinkage,吸收剂聚合物作为自凝剂开发改善混凝土的水化程度和降低压应力和开裂的敏感性9- - - - - -11]。

纤维素纤维,拥有非晶态结构均匀分散在混凝土,这有效地抑制延迟裂纹形成和裂纹扩展(12,13]。此外,纤维素纤维有一个自然亲水属性(14),在混凝土中发挥着关键作用。内部固化探讨水饱和多孔纤维素纤维提供额外的固化水混凝土的水化过程的早期。这种策略是有效的,因为额外的固化水可以更快地补充清空毛孔比传统外部养护水(15]。这个过程加速水泥水化,然后提高纤维素纤维和胶凝材料之间的界面粘结性,这就增加了密实度,改善混凝土的渗透阻力,给混凝土更好的耐久性和使用寿命(16]。

废纸纤维(wpf)是隶属于纤维素纤维和有自己的优势,如一个非晶态结构和自然亲水属性(17]。从理论上说,可以使用wpf代替纤维素纤维和应用于混凝土。此外,wpf用于混凝土不需要脱墨和漂白过程的使用,从而大大降低废水中的有害物质的排放18]。先前的研究表明,廉价的wpf可以增强混凝土(19和减少水泥的用量20.];wpf混凝土的力学性能和耐久性也研究[21]。然而,使用wpf增强混凝土的收缩阻力和自凝效应还没有被报道。本研究旨在为填补缺乏知识。

人们普遍知道,混凝土的收缩受到许多因素的影响除了低水比;为了真正反映self-shrinkage和自凝行为wpf的钢筋水泥基材料,混凝土的水泥粘贴而不是选择矩阵,不考虑其他因素。self-shrinkage和自凝水泥浆与wpf的行为进行了研究。此外,合理的添加方式和剂量的wpf在低水灰比的水泥浆进行了讨论,从而为实际生产提供理论依据。

2。实验

2.1。材料

废纸纤维(wpf)从新闻纸进行预处理和改性表面在我们自己的实验室(22]。他们的平均长度为1.6毫米,平均直径为24μm,特定面积的2.3米²/ g。wpf的化学成分表中列出1。从图表,纤维素的含量是93%左右,这表明wpf拥有良好的耐碱性。wpf的SEM表面形态如图1。沿着长纤维束是分层的结束;许多微纤维产生和存在于纤维表面(图1(一)),WPF拥有多孔空心结构很明显(图所示1 (b)),它允许它吸收和保留水。

波特兰水泥P。II 52.5和自来水混合使用,多羧酸的高性能减代理(sd - 600 p - 01)是用于调整水泥浆的和易性,和所有样本的流动性控制毫米。熟料的化学成分列在表中2。

2.2。混合料配合比设计

所有的混合物都设计有一个流动性指数毫米。两个主要的差异和剂量,wpf的添加方式。wpf的用量分别为0.1%,0.2%,0.3%,和0.4%水泥的质量。湿和干拌混合实现的水灰比0.3。其中,湿混合是wpf和总配额的水重首先,然后是纤维在赋范水浸泡至少30分钟,直到wpf治疗完全分散在水中,此时这个混合物混合水泥。然而,干混法是preweighed干wpf与水泥混合首先,然后合适的水被添加到复合。水泥的混合设计贴表所示3。

2.3。测试方法

提高测试精度,三个相同的标本的治疗年龄准备为每个样本和测试,如下所述。

2.3.1。抗压强度和抗弯强度

根据中国国家标准GB / T 17671 - 1999 (23在40毫米)、水泥贴制作40毫米160毫米的铸造模具和振实除去气泡。成型贴被保存在温度°C和相对湿度超过95%为24小时,然后从模具中删除。脱模样本与高密度聚丙烯薄膜密封和环氧树脂密封胶,然后治愈的房间温度20°C和60%相对湿度设置年龄。所有标本的抗压和抗弯强度测定使用ace - 201强度测试机。三个相同标本的每个治疗年龄测定和算术平均作为最终的混合水泥硬化浆体的强度。基于这些数据,抗压抗弯强度()计算。最后,中部地区的标本被晒干并存储在酒精溶液微观测量。

2.3.2。Self-Shrinkage特点

根据中国国家标准JGJ / T 70 - 2009 (24),所有标本制作40毫米40毫米160毫米收缩模具和震惊的时候稍微去除气泡。模制标本保存在°C和相对湿度超过95%为24小时,然后从模具中删除并测量长度()。所有标本都是密封和治愈的在同等条件下,上面提到的这些。样品的长度为每个年龄(治愈)测量。水泥浆的线性收缩应变是根据确定的 在哪里是样本的线性收缩率治愈天();试样的初始长度与馈线头;是样品的实际长度治愈天();的长度是标本(160毫米);和长度之和两馈线头埋在标本。

2.3.3。水化特性

(1)TG-DSC。氢氧化钙在水泥硬化浆体的内容被thermogravimetry-differential评估扫描量热法(TG-DSC)。为此,标本是干在40°C约24小时;这些干标本被压碎,杵,已筛,小颗粒从200年μm - 500μm收集样品。在热分析中,大约30毫克的样本放在一个氧化铝top-opened坩埚和从室温加热到850°C的速度10°C /分钟。减肥和能源补偿数据测定和记录进行进一步分析。氮气被选为动态气氛和刚玉作为参考材料。

水泥浆体的水化程度定量计算了热分析。以下是计算方法25]: 在哪里是质量的损失在计算温度范围;是原始的质量;和是气体的分子重量的损失(H₂O (Ca)和预测组件(哦)₂),分别;和是失去了气体的摩尔数一摩尔样本()。

(2)XRD。水泥矿物相贴是由D / maxx射线粉末衍射仪(XRD)。所有样品都准备如上所述。使用Cu-K——产生的模式α辐射(λ40岁= 0.15418海里)kV和100 mA的范围被记录在2θ在5°~ 70°,0.02°的步骤,计算的每一步4 s。

2.3.4。孔隙结构

水泥浆的孔隙结构是由压汞孔隙度仪(Poremaster GT-60)。孔隙大小与压力,此役的方程,假定毛孔有圆形横截面: 在哪里是施加压力(N / m²);孔隙半径(μ米);水星的表面张力(N / m²);和接触角(°)。

在这项研究中,14×10的最大压力⁸N / m²是应用。表面张力0.480 N / m和接触角()的140°用于孔隙大小的计算。

小块的水泥粘贴重1.2克从中间部分获得60毫米的水泥浆标本用于汞入侵Porosimetry (MIP)测试。为了停止水化,标本在105°C干大约24小时,直到达到恒重,然后他们保存在密封的容器,直到天测试。两个MIP为每个样本进行了测试,和MIP结果的平均值用于数据比较。

3所示。结果与讨论

3.1。强度

水泥基材料是典型的非均匀脆性材料;收缩开裂是其失败的重要因素之一。改善其脆性、韧性尤其重要。的是材料的韧性指标之一;越低韧性越好,材料的收缩阻力越强。

3.1.1。wpf用量对强度的影响

wpf是与水泥混合使用湿混合,处理强度,抗压抗弯强度比率的样本如表所示4。

在水灰比0.25,所有样品的抗弯强度增加前三天,然后减少逐渐固化年龄,和抗弯强度的下降程度是不同的。固化后28 d,所有样本的抗弯强度大大提高。水泥浆的挠曲强度是受水化和水灰比的影响。原则上,水灰比越低,越快的水化过程,挠曲强度越高。WPF有主要影响水泥浆的挠曲强度,因为它的吸收和释放水分。密封养护对3 d之前,湿度下降和更多的凝胶形成水合作用,使试样的抗弯强度增加。然而,养护3 d后,一旦发生负压供水,WPF会释放水,以补偿它。实际水灰比的增加引起的释放水分可能发挥主导作用。一方面,水分从wpf促进水化过程,进一步提高了抗弯强度;另一方面,它只是因为释放水分增加实际的水灰比,导致挠曲强度的降低; these two contradictory factors caused the decrease of the flexural strength of specimen cured for 3–28 d. After curing for 28 d, the hydration forced the rapid water loss of WPFs and formed more hydration products, which caused the rapid growth of the flexural strength. When the dosages of the WPFs were 0.1%~0.3% by mass of cement, the flexural strengths of cement pastes cured for 3 d~28 d were higher than those of control samples. Among them, the dosage of the WPFs was 0.2% by mass of cement and the flexural strength of cement paste cured for 28 d was significantly the highest and increased by 55.6%. However, when the dosage of the WPFs was 0.4%, the flexural strengths of cement pastes were obviously lower than those of control samples except 28 d, and thus, under the quantity, the WPFs had a negative effect on the flexural strength. At the same water cement ratio, the compressive strengths of cement pastes increased with the dosage of the WPFs and reached highest at the dosage of 0.2%. However, the flexural strengths of cement pastes were slightly larger than those of control samples when water cement ratio was 0.3 and the dosage of the WPFs was less than 0.2%. Besides, the flexural strength and the compressive strength of cement paste decreased with the dosage of the WPFs.

无论水灰比,wpf的用量0.1% ~ 0.3%时,水泥的质量,水泥浆治愈的3 d ~ 28 d是低于标准样品。当水灰比为0.25时,含有0.2%的水泥浆wpf最低和下降超过30%时水泥浆是治愈28 d;至于wpf剂量的0.3%,水泥膏治愈1 d高于标准样品,这可能是因为实验的错误。然而,当水泥粘贴治愈了90 d,水泥膏含有wpf高于标准样本,这意味着,与剂量水泥质量的0.1% ~ 0.3%,wpf能够提高水泥浆的韧性为早期治愈。水灰比越低,越wpf改善水泥浆的韧性。此外,wpf的用量为0.2%时,水泥的质量,早期的韧性水泥贴治愈是最优的。

3.1.2。wpf添加方式对强度的影响

在水灰比为0.3,0.2%的wpf的质量水泥与水泥混合使用湿混合干燥混合,分别。强度和水泥贴如表所示5。

在这些数据表5,抗压强度的值没有明显的变化规律,但由于添加了wpf湿混合,水泥贴(B2)的抗弯强度高于干混法(B5)。从,我们发现样品B2在28天治愈低于B0, B5,这表明,wpf可以改善水泥浆的韧性,但改善的程度是关于wpf的添加方式。wpf的添加方式直接影响纤维的分散程度,然后影响水泥浆的性能。很难分散wpf干燥条件下混合,使wpf中凝聚的矩阵,这是不利于改善水泥浆的韧性。因此,与干混法相比,用湿混合wpf的添加方式是合适的。

3.2。收缩特性

3.2.1之上。Self-Shrinkage纤维用量的影响

人们普遍理解,在水泥基材料中添加纤维素纤维可以控制干燥收缩裂缝和塑性收缩(26- - - - - -28]。此外,纤维素纤维可以分散在保湿水泥浆和有能力吸收和释放水分提高内部固化和抑制水泥浆的self-shrinkage [15]。图2概述如何wpf剂量影响水泥的收缩粘贴在不同的水灰比。

图2(一个)表明,wpf有效降低水泥浆的收缩水灰比为0.25。如前所述,wpf属于纤维素纤维,它可以吸收一些水和维护之前饱和状态和水泥混在一起。矩阵的湿度逐渐下降与水泥的水化;此时,wpf会释放水分以补偿,进一步促进水化。更多水合凝胶生成和增长的表面WPFs-like桥,提高了强度和收缩阻力。然而,加强与wpf的分散效果。少量的wpf antishrinkage没有影响,而更大数量的wpf没有分布在水泥粘贴好,导致antishrinkage越弱。wpf的用量为0.2%时,水泥的质量,水泥浆的收缩是最低。的收缩水泥浆治愈1 d下降了67%基于控制样本,当水泥浆是治愈3 d和7 d,铸件的水泥粘贴分别下降了74%和50%,分别。虽然收缩水泥浆含有0.4% wpf也低,这个样本的挠曲强度下降了大约30%时(表3天治愈3对粘贴),造成负面影响,所以过多的wpf是不当的。

相比之下,图2(一个),虽然添加wpf水泥粘贴粘贴的收缩,降低效果明显较小的水灰比0.3(图2 (b))。wpf剂量水泥质量的0.2%时,同样地,水泥浆有最小线性收缩变形。当水泥浆治愈1 d和3 d,其收缩是基于控制样本下降了22.0%和22.1%,分别。

同时考虑到和水泥浆的收缩,wpf用量0.2%水泥的质量最优的水灰比,改善了韧性和antishrinkage水泥粘贴。然而,很容易看到,水灰比越低,越antishrinkage能力wpf的水泥粘贴。

3.2.2。在Self-Shrinkage纤维添加方式的影响

水泥质量的0.2%的wpf剂量与水泥混合使用湿混合和干混法,分别。线性收缩应变如图3。wpf是与水泥混合使用干拌的方式,增加了水泥浆的收缩。然而,使用湿混合,wpf降低了水泥浆的收缩。这说明了wpf加湿方式混合比的干拌即使wpf的相同内容。

3.3。水化特性

Ca(哦)₂是一个重要的水泥基材料的水化产物。水泥基材料的一些性质,如碳化阻力和碱度,对Ca (OH)的内容₂。的快速碳化引起的低水平的Ca(哦)₂导致pH值的减少,引起钢筋腐蚀的水泥基材料(29日,30.]。所以一些水平的Ca(哦)₂在水泥基材料耐久性的必要但不充分条件。

结晶相成分的水泥贴治愈7 d通过XRD、和他们的XRD图模式4。除了C的典型特征峰₂S和C₃年代,水泥水化产物钙(哦)₂在所有的标本被发现。尽管衍射峰强度没有直接结晶相的含量成正比,可以获得一些重要的信息从Ca (OH)的相对强度的比较₂。当水泥浆固化7天,发现衍射强度在Ca(哦)₂峰值约为18°含有0.2%的水泥浆wpf显著高于wpf控制样品和水泥浆含有0.3%;它显示,更在水泥浆水化形成的产品含0.2% wpf。

进一步证实Ca (OH)的内容₂水化产物,7 d的水泥贴治愈质量的损失进行了分析。TG-DSC模式标准样品和水泥浆含有0.2% wpf治愈7 d图所示5。

从图5附近,有一个吸热峰440°C的DSC曲线水泥粘贴,导致脱水的结构水从Ca(哦)₂(31日]。根据质量的损失在粘贴的TG曲线,Ca (OH)的内容₂在水化产品计算和表中列出6。Ca (OH)的内容₂在水化产品和wpf的用量不断增加。wpf剂量水泥质量的0.2%时,Ca (OH)的内容₂水泥膏治愈7 d从11.06%增加到9.99%。然而,如果wpf用量继续增加,Ca (OH)的内容₂在水化产品减少。此外,当水灰比为0.3时,Ca (OH)的内容₂在水化产品与治疗年龄增加。当水泥贴在水灰比相同,wpf剂量,和治疗年龄、Ca (OH)的内容₂在水化产品是不同的,因为wpf添加的方法。Ca (OH)的内容₂高在水泥浆与wpf混合使用湿混合使用干燥的混合比。

3.4。孔隙结构

水泥基材料的密实度力学性能和antishrinkage密切相关。孔隙大小分布和孔隙体积与水泥的水化过程是不可避免的改变粘贴。wpf有不同的水泥基材料的孔隙结构的影响。汞累积入侵曲线及其衍生品如图6。

从图6(一)治愈7 d时,粘贴包含wpf的累积入侵是低于粘贴没有纤维,其中,当添加0.2% wpf,水泥浆的累积孔隙体积是最低的。添加相同的剂量的wpf,累积入侵的降低,水泥浆的固化年龄(图6 (b))。不同年龄的累积孔隙水泥浆固化为如表所示7。水灰比为0.25和养护7 d,无论wpf剂量,样本的总孔隙度降低。此外,孔隙的百分比小于50 nm和大于100纳米的孔隙总孔隙度增加和减少,分别。其中,wpf示例包含0.2%的总孔隙度下降了2.59%在控制样本。当W / C和wpf剂量相同,总孔隙度的降低,样品的固化年龄;水泥的总疏贴治愈7 d和28 d /治愈1 d下降了4.42%和7.72%,分别。水灰比为0.3,总孔隙度的膏混合使用湿混合与wpf下降明显与其他两个样品相比。

3.5。自凝效率

3.5.1。自凝效率的建议

通过上述分析,wpf可以增强韧性和self-shrinkage水泥粘贴。支持水泥粘贴没有wpf控制样本,弯曲强度、抗压强度、线性收缩变形,,,分别。的水泥粘贴与wpf,,,分别。现在起草(%)为wpf的自凝效率增强水泥粘贴,在其中是力量的效率,包括挠曲强度效率和抗压强度的效率和是收缩效率。是减少的比例参考强度和相对强势吗是减少的比率线性收缩应变参考收缩变形,如以下公式所示:

假设wpf均匀分布在水泥浆;孔隙系统的预湿wpf和水泥浆应视为一个整体。水分传输的大毛孔细小的毛孔,wpf的孔隙大小的多孔尺寸远远大于水泥粘贴,所以wpf的水分逐渐迁移到水泥粘贴。wpf含有的水分越多,越是水分传输和相对湿度下降越慢,所以水泥浆的毛细管压力和收缩较小,自凝水泥浆的效率更高。

3.5.2。自凝效率模型

根据公式(5),得到了水泥浆的自凝效率,如图7。只有;wpf是有效改善水泥粘贴。

当水灰比为0.25,wpf能够提高自凝水泥浆的效率。从图7(一),wpf的挠曲强度效率提高水泥浆是最好的wpf的用量为0.2%时,水泥的质量。为7 d和28 d治愈时,水泥浆的挠曲强度的效率增加了19%和56%,分别。这意味着WPF逐渐从本身释放水分,促进了水泥的水化粘贴。然而,抗压强度效率wpf增强的水泥粘贴不明显(图7 (b))。水泥浆的收缩效率为0.2% wpf治愈1 d和3 d提高67%和74%,分别。水泥固化7 d时,收缩效率提高50%左右(图7 (c))。

样品的一部分,非线性拟合,,使用最小二乘法,多元回归方程和wpf的用量是获得,如表所示8。

根据纤维间距理论(32),纤维等于次级强化,可以均匀地分散在混凝土,这阻碍了微裂纹的发展;因此,混凝土结构更紧凑。此外,它通常是知道些水分将水泥在水化过程中消耗。没有外部的水在一个密封的环境中,水化反应需要的水主要来源于内部水膏,水灰比是最重要的因素之一,水化反应和水泥浆的收缩33,34]。WPF是一种纤维素纤维,纤维桥接作用在水泥浆和改善界面结合状态。此外,wpf拥有多孔结构(图1)作为蓄水库,它可以吸收和贮存期间水分与水泥混合,导致有效水灰比的降低。水化反应,水的消耗导致混凝土[自干燥的毛细管35];就在这时WPF释放水分从本身来补偿毛细管和维护上级压力毛细管孔隙在水泥基材料早期养护期,加速水泥的水化反应。wpf自凝效率的水泥粘贴实现基于上述过程。水灰比越低,自凝水泥贴的效率就越好;这是符合现有研究成果(36- - - - - -38]。

wpf的剂量和添加方式直接影响到有效水灰比。适当的wpf会释放更多的水分,促进水化和C-S-H凝胶生长在wpf填补空间由wpf脱水引起的。毛细毛孔取而代之的是凝胶孔隙,降低水泥浆的总孔隙度。然而,随着添加wpf太少,wpf的吸收性和可发布的水分有限,导致自凝效应是无效的。如果有太多的wpf或干拌均匀分散,并吸收大量的水,以一种间接方式降低水灰比,wpf不能均匀分布在水泥浆;wpf中的水分不能长途运输,导致削弱自凝水泥浆的效率和相对较低的Ca(哦)₂生产。此外,wpf体积收缩释放水后会导致大量的wpf和胶凝材料之间的空间。这些空间形成一些弱点在混合水泥硬化浆体的应力状态,已对混合水泥硬化浆体的强度和antishrinkage产生负面影响。

基于上述分析,在低水灰比下,wpf的最佳剂量和添加方式可以提高自凝水泥浆的效率。在这篇文章中,添加0.2% wpf水泥浆和湿混合方法是最优的。

4所示。结论

本研究讨论了wpf的事实加强了自凝水泥浆的行为。下面列出了一些重要的结论。

在低水灰比和湿混合方式,wpf可以减少和改善水泥浆的韧性。水灰比越低,水泥浆的韧性越好。当水灰比0.25和wpf的剂量水泥质量的0.2%,抗弯强度和水泥贴治愈28 d增加55.6%,减少了30%,分别。

水泥浆的wpf可能促进水化过程,减少累积孔隙体积,提高自凝水泥浆的效率。当水灰比低,wpf剂量水泥质量的0.2%,Ca(哦)₂衍射强度的水泥粘贴治愈7 d明显高于其他样品,增加到11.06%。

wpf可以提高自凝水泥浆的效率。当水灰比0.25和wpf的用量是0.2%的质量水泥、水泥膏治愈的挠曲强度效率7 d和28 d分别增加了19%和56%,分别。水泥浆的收缩效率治愈1 d和3 d提高67%和74%,分别。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认提供的金融支持中国国家基础研究计划(973计划:2011 cb013805),中国国家自然科学基金(51278360,51278360),国家重点项目的科学和技术支持方案(没有。2014 bal03b02,没有。2012 baj20b02),专门研究中国高等教育的博士项目基金(没有。20130072110047),江西省科技项目(GJJ150775),中央大学和基础研究基金。

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