硬脂酸盐对碱矿渣水泥砂浆收缩变形作用机理与预测模型

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碱矿渣水泥凭借其优异的力学性能、抗化学腐蚀性能以及低碳环保特性,受到众多研究学者的关注,然而由于碱矿渣硬化浆体体积稳定性远差于传统硅酸盐水泥,其实际工程应用受到限制。针对该问题,本文采用混磨方式将硬脂酸盐掺入碱矿渣砂浆中,从增加基体接触角来降低毛细管压力的角度,研究不同种类及掺量的硬脂酸盐改善碱矿渣砂浆自收缩与干燥收缩的有效性,并结合收缩驱动力、抗变形能力两方面分析其影响机理。最后研究现有收缩预测模型对憎水碱矿渣砂浆收缩预测的准确性,加深对碱矿渣收缩机理的理解。自收缩的主要驱动力为毛细管压力,其受内部相对湿度、孔结构、接触角等参数的影响。本文采用Kelvin-Laplace方程计算了砂浆内部的毛细管压力,结果表明,硬脂酸盐能够通过增大基体表面的接触角来降低毛细管压力,因而改善了碱矿渣砂浆的自收缩。但是,由于硬脂酸盐在碱矿渣砂浆内部引入一定量封闭气泡且粗化了浆体孔结构,因此具有更低的动弹性模量(抗变形能力),使得最终自收缩降低幅度有限。采用饱和盐溶液在密封容器内调制了23%、59%、85%三种环境湿度,研究了硬脂酸盐改性碱矿渣砂浆在不同湿度下的干燥收缩变形规律。在23%RH和59%RH时,硬脂酸盐通常会延缓水化和粗化浆体孔结构来增大水分损失与干燥收缩;在85%RH下,由于碱矿渣砂浆因内部相对湿度低于环境湿度,存在吸湿现象,干燥收缩改善8%~16%。此外,碱矿渣砂浆干燥收缩与质量损失之间在前期存在良好的线性关系,后期质量损失增加,干燥收缩变化幅度较小。分析收缩与相关参数之间联系,结果表明,自收缩与内部相对湿度、内部电阻率比的倒数之间存在良好的线性关系;干燥收缩与最终毛细孔隙率、内部电阻率比的倒数存在良好的线性关系。以上线性关系可为收缩的长期预测、监测提供参考。在包含弹性变形与徐变变形两部分的自收缩理论计算模型的基础上,增加接触角参数。结果表明,模型可用于预测硬脂酸盐改性碱矿渣砂浆的自收缩,证实了毛细管压力是自收缩的主要驱动力,且通过增大基体接触角可降低毛细管压力。但自收缩模型预测结果受泊松比取值、接触角与自收缩零点测试值等影响,其中水泥基材料接触角测试流程有待进一步思考优化。采用了GL2000、CEB-FIP干燥收缩半经验预测模型对砂浆干燥收缩进行了预测,发现模型严重低估碱矿渣砂浆90 d内的干燥收缩,通过修正湿度范围应用更广的GL2000模型中的碱矿渣水泥种类系数为4.05,可较好地预测本试验所得干燥收缩测试结果。
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