UHPC中胶凝材料的后续水化及对其稳定性的影响

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超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,简称UHPC)通过降低水胶比,优化颗粒级配、使用大量活性材料,其抗压强度超过120 MPa,并具有优异的耐久性。UHPC中水泥含量超过800 kg/m~3,硅灰含量超过150 kg/m~3。然而,由于水分、空间和物质传输等的限制,UHPC在反应28 d后仍含有大量未反应胶凝材料。在潮湿环境,尤其是高温高压的潮湿环境中,环境水会渗入UHPC内部,加速胶凝材料的后续水化,影响UHPC的微观结构和性能。目前对于后续水化的研究不够全面,低水胶比水泥基材料是否存在长期稳定性问题存在争议。水泥水化导致固相膨胀,部分研究者认为发生在密实基体中的固相膨胀会造成内应力积聚,当应力超过基体的许用拉应力后,基体开裂,并导致混凝土的强度和耐久性劣化。然而,另有研究表明,后续养护过程中低水胶比材料的力学性能和耐久性随龄期增长而逐渐增强。论文系统研究了水胶比、养护方式以及胶凝材料种类和掺量对UHPC长期性能和微观结构的影响,对UHPC的后续水化过程进行了研究,分析了辅助胶凝材料(Supplemental cementitious materials,简称SCM)的作用,阐明了胶凝材料的后续水化机理。本论文的主要结论包括:(1)水浴养护90 d时,低水胶比水泥净浆中出现较为明显的体积膨胀和强度倒缩,然而UHPC未出现强度倒缩、抗渗性劣化等不利现象。因此认为虽然水泥浆体会因后续水化而出现膨胀,但这并不会导致UHPC性能出现劣化。(2)水胶比影响UHPC强度、体积和渗透性的发展。水胶比为0.16时,后续养护180 d后强度增长率最高、体积收缩最大。蒸汽养护UHPC的早期微观结构较为密实,具有较低的渗透率,因此其后续水化作用较弱,强度和体积发展较为稳定。(3)胶凝材料体系影响了UHPC的长期性能。后续水化180 d后,水泥-矿渣组具有最高的抗压强度和体积膨胀率,但其渗透率相对较高。水泥-硅灰组的性能发展受到硅灰掺量的影响。含15%硅灰时,UHPC的抗渗性极为优异,但抗压强度增加不明显,体积收缩;含30%硅灰时,UHPC的初始抗压强度较低、渗透率较高,但后续养护后,其体积收缩率和强度增加率较高。后续水化对水泥-硅灰-矿渣体系的影响较小。(4)纯水泥体系和水泥-矿渣体系均在后续养护过程中产生了较多的单硫型水化硫铝酸钙、类水滑石相和水榴石。水泥-硅灰体系和水泥-硅灰-矿渣体系的钙矾石含量相对较高,但水浴养护后各试样中钙矾石分解。矿渣中相对较高的Mg、Al含量促进了类水滑石相和水榴石的生成,而类水滑石相吸附了孔溶液中的SO42-,影响了钙矾石的生成。(5)后续养护前28 d的水化速率较快,物相变化明显。而28 d后,后续水化速率降低,这一现象在含30%硅灰的UHPC中最为显著。硅灰会限制UHPC的后续水化,矿渣促进了浆体的长期水化,而混掺水泥、硅灰和矿渣的UHPC后续水化不明显。(6)后续水化产物在气孔中的生成过程受胶凝材料体系和气孔尺寸的影响。大量CH填充了纯水泥浆体和水泥-矿渣浆体中的原生气孔,水泥-硅灰体系和水泥-硅灰-矿渣体系气孔中后续水化产物较少。(7)后续养护后,试样的气体渗透率与渗透孔隙率间有较为明显的线性关系,但抗压强度与渗透孔隙率的相关性较弱。
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