超高性能混凝土中水化硅酸钙类型演变研究

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超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)因其优越的力学性能和耐久性能,越来越多地应用于各种工程实例中。对于UHPC,普通的养护方式难以显著地激发掺合料的活性,但干热养护、组合养护和蒸压养护等却可以做到。当养护温度达到200℃后,通过微观测试技术,可以在UHPC内部检测出硬硅钙石。2018年本课题组提出了一种组合养护制度,即热水-干热组合养护,指的是90℃热水养护2d+250℃干热养护3d。在这种养护制度下,UHPC的力学性能、抗高温爆裂性能和微观结构都得到了较大的改善;并在组合养护结束后通过扫描电子显微镜观测,发现了针状的硬硅钙石。基于课题组已有的研究成果,从养护制度、矿物掺合料和额外掺入氢氧化钙三方面出发,研究了各因素对超高性能混凝土中硬硅钙石生成的影响。本论文首先从养护制度入手,验证了养护制度对UHPC中硬硅钙石生成的影响;其次以热水-干热组合养护为前提,研究了矿物掺合料对UHPC力学性能和微观结构的影响;最后在矿物掺合料组合为10%(质量掺量,下同)硅灰+10%粉煤灰+10%矿粉+20%石英粉的基础上,额外掺入粉状氢氧化钙,探索氢氧化钙对UHPC力学性能和微观结构的影响。所得的主要结论如下:(1)干热养护温度达200℃后,UHPC内部就出现了硬硅钙石,但是含量较低。在组合养护时,适当地提高养护温度(干热养护温度由200℃提高至250℃)可以提高硬硅钙石的生成量(由0.7%升高至1.0%),但托勃莫来石的含量反而降低了(由1.2%下降至0.9%),这种现象未见于以往同类的研究报道中。硬硅钙石多存在于圆形气孔中,且通常呈现为与托勃莫来石等晶相交织在一起。同时根据微观试验发现,随温度升高托勃莫来石会逐渐向硬硅钙石转化,在圆形气孔中这个过程是由气孔边缘向中心发展。(2)矿物掺合料的最佳组合方式及掺量为:10%硅灰+10%粉煤灰+10%矿粉+20%石英粉。适当增加石英粉的掺量(由15%增至20%)促进生成了更多的硬硅钙石,但是存在一个托勃莫来石向硬硅钙石转化的平衡点,过掺石英粉(≥30%的石英粉)会抑制该转化过程,这是本研究的独特发现。当胶凝材料中除水泥和石英粉外,还存在硅灰等活性矿物掺合料时,经组合养护后UHPC内部会生成托勃莫来石和硬硅钙石,否则会生成钙硅石。(3)额外氢氧化钙的掺入,使得UHPC的力学性能和微观结构都得到了改善,这种额外掺入氢氧化钙的方式——不同于在一般的水泥基体系中氢氧化钙来源为水泥的水化,人为添加粉末状分析纯氢氧化钙(含量≥95%)——在以往的文献中未见报道。当氢氧化钙掺至5%时,UHPC的7d抗压强度最高达到了191.3MPa。随着氢氧化钙掺量的增加,托勃莫来石、硬硅钙石等晶相呈现出递增的趋势;但抑制了水泥的水化进程。在5%氢氧化钙掺量的基础上,发现增加干热养护时长不会对硬硅钙石的生成量产生较大的影响,且干热养护1d后氢氧化钙几乎全部参与反应。(4)除标准养护和热水养护外,干热养护和组合养护下的UHPC在长龄期的抗压强度上都表现出强度倒缩现象。本学位论文推测,这是由于干热养护后,UHPC内部水化产物分布不均,阻碍了后续水化;但UHPC在干热养护或组合养护后,水化进程基本结束。这或许可以解释UHPC在长龄期的抗压强度上表现出轻微的强度倒缩现象,且仍比热水养护条件下的90d抗压强度高30MPa。额外掺入7%的氢氧化钙后强度倒缩更为严重,UHPC的7d抗压强度为186.5MPa,90d抗压强度为167.6MPa,抗压强度倒缩了10.1%。本学位论文推测额外掺入的氢氧化钙抑制了水泥后期的进一步水化,具体的强度倒缩机理有待进一步研究确定。
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