英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

自密实混凝土在硬化过程中的微观结构和力学性能研究

S.Aparicio，S.Martinez-Ramirez，J.V.Fuente，M.G.Hernandez

摘要：

硬化过程中微观结构和力学性能的研究旨在观测其对自密实混凝土最终性能的影响。本文通过模拟两种不同的养护环境，一种在夏天的沿海环境（20℃和70%的相对湿度），另一种是在西班牙的中部地区（常年40℃）。实验中通过微拉曼光谱仪、核磁共振、抗压强度测试和超声波探测技术等测试不同的微观结构和力学性能的参量来研究水化过程。养护7天后，样本的水化程度中部地区的比沿海地区高，但是在28天之后，两种环境下的水化程度很接近。在经历更长时间的硬化后，前期更高水化强度的样品在7天之后表现出抗压强度下降或者稳定。这个表明，由于更多的Al进入到C-S-H凝胶中，实际研究的样品中C-S-H凝胶的链比其他的样品要长。这个也表明，对于高温环境，在经过7天的硬化后，所有的微观结构和力学性能参量都很稳定，即高温使样品的水化过程加速。

关键词: 自密实混凝土、硬化过程、超声波、抗压强度、核磁共振、拉曼光谱

1.引言

由于自密实混凝土的大量使用，养护条件对自密实混凝土基体材料的微观结构和力学性能的影响成为一个热议的话题。不同环境条件下的影响，尤其是外界温度的影响在，自密实混凝土的硬化过程已经被几位作者研究过[1-3]。然而，研究最初的养护条件是怎么影响自密实混凝土的最终性能以及微观结构和力学性能之间的关系也是很重要的。

在微观结构技术中，一般用核磁共振和拉曼光谱技术来表征水泥基材料，因为这两种技术能够显示出关于样品中C-S-H凝胶的聚合以及所处的水化阶段。核磁共振技术已经被用于研究养护温度对水化产物的影响[4-8]。这些微观结构的研究主要是在水泥粘剂和砂浆，而不是混凝土。这些研究证实高温能够改变C-S-H胶凝结构的性质，虽然硬化过程同时受到环境温度和湿度的影响，但是湿度对微观结构的影响研究的很少。Flatt et al.[9]研究为什么当相对湿度在低于80%后，硅酸三钙会停止水化。养护过程中的相对湿度对自密实混凝土的微观结构和石灰石填充料的影响以前就被研究过[10]。拉曼光谱可以提供关于所订购的性能很差的材料，如水泥水化的C-S-H凝胶信息。

温度对抗压强度的影响被以下作者研究过[3],[11-12]，与相对湿度没有关联，这表明低温能长期产生较高的抗压强度，但是不是在早期（和高温情况相反）。养护温度和相对湿度

对波特兰水泥砂浆强度发展的影响也被Un和Baradan[13]研究过。在这种情况下，只有压力和挠曲实验测试，记录砂浆样品在6种不同的养护条件下2,7,14,21和28天的情况。

本文通过比较不同的微观结构和力学性能，来研究温度和湿度对自密实混凝土最终性能的影响，因为没有研究涉及的具体的微观结构，其机械性能有在文献中被发现。通过模拟在西班牙沿海和中部地区的夏季情况两种硬化条件。在这些养护条件下，第一天改变环境的温度和湿度。自密实混凝土试样在第一个48小时期间的温度、相对湿度、和超声波信号用无线传感器网络和嵌入式传感器进行检测。7天和28天之后的微观结构和机械性能通过微拉曼光谱、²⁷Al和²⁹Si核磁共振、抗压强度和超声速实验来研究。

表1材料混合物的比例误差0.1g 表2自密实混凝土工作性能测试

2.实验说明

对实验所用的材料和设备进行说明

2.1材料和养护条件

自密实混凝土的制备和生产时在AIDICO实验室，材料和比例在表1中；拌合物的标准按照这个规格制作[14]。将拌合物放置在100times;200毫米，高150毫米立方体圆柱形模具中。随后，这些样品放置于两种不同的养护条件中，样品被放置在两个受控的环境，它们在24h之后脱模。总共制作16个样品，均处于不同的养护条件。

本实验设置了两种不同的养护条件，条件1和条件分别模拟西班牙沿海和中部地区的夏季情况。条件1代表沿海地区的夏季天气情况，在那里湿度小于70%。这样的环境通过在潮湿的具有有可控和恒定的温度分别为20℃和70%的相对湿度的室内模拟。养护条件2对应于马德里，伊比利亚半岛中部地区的夏季环境，在那里夏天的热震荡温度可以达到20℃。为了这个目的，使用了窑中的前7天的每24h的周期仅控制温度值，则周期包括一个斜坡上升至20℃，4小时后至40℃，维持在一个40℃4小时，并在16小时之内缓慢的降低至20℃，见图1，养护条件2中的相对湿度根据窑中的温度维持在30%和60%之间。7天后，条件2养护下的样品在室温下放置而条件1养护下的试样保持在它们各自的潮湿房间中。

2.1.1 自密实混凝土工作性能测试

可塑性和粘度是自密实混凝土的重要特性，可以通过新拌混凝土塌落直径和流经J-环（日本环）和漏斗流动时间的测试，按照标准[15-17]评估，本规范接受坍落直径从550mm到850mm的自密实混凝土，流经V型漏斗的时间小于25秒，和对于J形环测试在内外的高度小于10mm。工作性能的测试结果在见表2，由此表可以看出，使用不同的测试所得到的值与上述的规格一致。

2.2实验室设备

这次的实验工作研究材料的微观结构和机械性能在硬化过程中对自密实混凝土最终性能的影响。此外，在养护温度的早期，相对湿度和超声波探测用于第一个48h期间的每种养护条件的每个样品的检测。机械性能参数通过超声波速度和抗压强度获得，而微观结构参数以微拉曼光谱和²⁷Al、²⁹Si核磁共振技术得到。这两项研究都是在养护7天和28天之后进行测试。

2.2.1早期温度、相对湿度和超声波测速监测

早期温度和相对湿度所用由我们研究小组开发出的包括嵌入温度仪、混凝土相对湿度传感器和两个无线传感器网络的系统来监测。测量温度和相对湿度的传感器是根据印刷电路与集成（SHT10来自盛思锐公司）的封装传感器构成的特殊设备。在两组养护条件中，使用了两组温度和湿度的传感器，一组用于监测环境条件，另一组在新拌混凝土填充模具后立即放在混凝土50mm的深处。两个不同的无线传感器网络被用来监测在养护条件1和2的样品。监控系统的完整描素可以在阿帕里西奥等人论文中找到[18]。

实验中用一台专业的设备监测每个样品的超声波信号，超声波脉冲信号用两台54KHz的传感器发送和接受来获得扫描信号。所接受的信号被转移到用于处理的个人电脑上面。

超声波速度（V）是使用超声波脉冲的行进时间在试样（吨）、厚度（d=150mm或200mm）和参考行进时间（to）决定的。

V=d/（t-t0） （1）

行进时间t，从扫描信号获得的使用过零算法包括根据给定的阀值来确定所述时域信号的第一过零点，例如，计算10%相当于归一化幅度。参考续航时间t0，用来校正参考丙烯酸样本超声波采集系统。校准过程是在监测每个样品之前进行的。速度的监测误差要小于1.5%，在第一个48h期间，超声波信号的监测大概在2分钟的频率。

图1养护条件2窑内温度循环 图2养护条件1和2中获得的温度结果

图3养护条件1和2中获得的湿度结果

表3抗压强度和超声波测速结果（平均和标准误差）

2.2.2 机械性能测试

抗压强度使用由Ibertest供给的压缩机MEH2000测定的。这些测试完全满足西班牙法规[19]的要求。超声波速度的手动测量与用于上述监控相同的系统进行，这两个测都是在7天和28天后进行的。

2.2.3 显微结构研究

这些研究在7天和28天后的小片（约2times;2times;3cm）硬化后的混凝土中获得，这些小片通过破裂后从样品的核心获得，水化反应是由72小时期间由浸没在样品中的丙酮停止。微观结构测试之前，小片要在真空干燥的室温下干燥6小时。

2.2.3.1微拉曼光谱

拉曼光谱记录用装有633纳米的激光、莱卡显微镜（雷尼绍的RM2000）,以及一个热电冷却CCD照相机，用50times;的物镜得到所示的光谱。激光输出为100mw，曝光时间10s。两个应用软件，银河行业GRAMS/32^TM和Origin8.0分别用于数据的收集和分析。实验中记录十次扫描，提高了信噪比。其中，振动模式被找到的区域，即4000-100-1，是在光谱区域进行扫描。校准用的是520.5厘米-1行的硅晶片完成的。

图4.养护条件1和2的超声波速度 图5.硬化7天后养护条件1和2的拉曼光谱.独立谱已经标注清楚

2.2.3.2 ²⁷Al和²⁹Si核磁共振

布鲁克MSL-400和比尔卡里，MA分光计用于获得固体样品²⁹Si和²⁷Al的核磁共振光谱，The²⁹Si 核磁共振实验采用nu;R= 5千赫，相应于pi;3拉德3微秒的脉冲宽度。脉冲长度，gamma;B2/2pi;=50 kHz时，20秒的弛豫延迟，通常3000扫描1H脱钩。

²⁹Si化学位移记录针对四甲基硅烷（TMS），²⁷Al移位针对三氯化铝的情况谱进行了分析，并使用峰形与dmfit频谱分析软件[20]装配。

图6.样品水化反应28天后，4000-3000cm^-1范围内的拉曼光谱

3.结果与讨论

3.1 监控的温度、相对湿度和声速的结果

两种养护条件在第一个48小时的温度和相对湿度的监测结果分别在表1和2中展示，养护条件1的温度特性显示了典型的波特兰水泥的量热曲线的五个不同阶段，根据[21]中的介绍。在第一个24小时，温度行为呈现休眠阶段，其中混凝土依然保持着可塑性，加速阶段特征在于水化反应和最后阶段时的温度低于起始温度。休眠阶段的开始和加速阶段的结束确定初凝和终凝时间。

试样内部的相对湿度高于或等于室内，它和不同的养护条件的室内相对湿度相连接。期间，在养护条件1的第一个48小时，试样内的相对湿度的值稳定在接近95%，在条件2养护期间，样品内部的水分在5小时之后下降，主要是由于窑内的温度改变影响了相对湿度。

在养护条件1中，在第一个10小时期间达到的最高温度和设定结束的时间一致时，试样内部的湿度几乎同时下降。

在养护的第一个48小时，超声波速度作为测量硬化过程时间的工具展示在图4中。由此可以看出，该速度曲线养护条件1始终比养护条件2高，但是在第一个小时这种差异更大，这是由于养护温度导致反应加速的结果。

图7.²⁷Al核磁共振光谱下养护条件1和2自密实混凝土水化情况

表4 混凝土在27Al核磁共振光谱下的反卷积数据

3.2力学性能研究

3.2.1抗压强度和超声波速度的测试结果

7天和28天后抗压强度的平均值和标准偏差在表3中展示，7天和28天的抗压强度特性是不一样的，不同的硬化条件以不同的方式影响着自密实混凝土的强度特性。不同的养护条件下，7天后的抗压强度值都很接近，但是在28天之后，养护条件1中出现最大值。普通硅酸盐水泥砂浆与这种结构类似[12]。在28天，抗压强度在高温(养护条件2)额试样值恒定，而强度在70%的相对湿度环境中（养护条件1）持续增加。其他作者表明，在更久之后的凝期，高温条件下，试样的抗压强度会下降。众所周知，碳化过程最合适的相对湿度是在50%-70%的范围内。在70%相对湿度的养护条件下（CC1），后期抗压强度进一步激发。在早期硬化中，波特兰水泥的水化反应随温度的增加而增加，但是后期会下降。

7天和28后手动测试的超声波速度的结果列于表3中，速度在养护过程中总的来说在增加，但是养护的时间不同，增长的情况也有所不同，参见下图[24]。速度去咸宁可以用三个阶段来描述，第一阶段的速度比在水中的超声波脉冲速度小，第二阶段的特征在于超声波脉冲速度急剧增加，而在第三阶段曲线缓慢增加并逐渐平稳。在本实验中，7天和28天之间的速度值的减小比标准偏差要小。因此，可以认为，该速度被稳定化，在阶段3中可以有体现。

图8 29Si核磁共振光谱下自密实混凝土不同养护条件下水化情况

图9 在养护条件1和2下，通过27Al核磁共振技术得到的微观结构与抗压强度的关系

表5 混凝土29Si核磁共振光谱下反卷积数据

图10 在不同养护

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[151407]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word