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分析硬化水泥石的失水过程与干缩变形

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摘  要:本文研究了在干燥环境下硬化水泥石的失水过程和由此引起的干缩变形过程,同时也研究了已经干燥的硬化水泥石在水中的吸水过程和由此引起的膨胀过程。通过研究发现,在干燥环境下,硬化水泥石的干缩变形过程与失水过程并不是同步的,干缩变形过程滞后于失水过程。干燥试件在水中,其湿胀过程与吸水过程也不是同步的,湿胀变形过程也滞后于吸水过程。本研究还发现,硬化水泥石经过干燥过程后再重新放入水中,吸水量可以超过干燥过程的失水量,但吸水膨胀率总是小于失水干缩率。

 

0.        引言

 

水泥混凝土和水泥砂浆都是一种多元的复合材料,都具有宏观上的均匀性和细观上的不均匀性两重性。所谓细观上的不均匀性,除了组成上的不均匀性以外,更重要的是表现为性能上的不均匀性。在这一方面,干缩变形性能的不均匀性表现地尤为突出。正是由于这种不均匀性,导致了硬化混凝土或硬化砂浆中各组分之间的相互作用,产生内压力。这种内应力的存在,削弱了硬化混凝土或硬化砂浆的许多性能,严重时甚至导致硬化混凝土或硬化砂浆的开裂。因此,无论是混凝土还是砂浆,干缩变形都是一个十分重要的性能,它对混凝土和砂浆的许多性能都将产生较显著的影响。

 

对于普通的水泥混凝土或砂浆来说,集料的含水能力是较弱的。在干燥的环境下,仅能失去极少的水,一般不产生明显的干缩变形。硬化混凝土或硬化砂浆的干缩变形主要地来自于硬化水泥石。因此,本文着眼于水泥石的失水过程和由此而产生的干缩变形,研究它们的基本规律,以及养护时间的影响。考虑到天气的变化,混凝土或砂浆通常处于干湿交替的环境中。因此,本文还进一步研究了干燥后的水泥石在潮湿情况下的吸水和膨胀过程,以求对硬化水泥石在干湿交替环境中的行为规律有一个更全面的认识。

 

1.试验详情

试验采用42.5普通硅酸盐水泥,水灰比为0.4。

试件成型后1天脱模,放入水中养护。分别在1天、3天、7天和14天取出,用湿布擦干表面水分,称取初始重量,测量初始长度。然后放在20℃的自然环境中干燥,1天、3天、7天、10天、14天、21天、28天和35天测量重量变化和长度变化,以观察硬化水泥石的失水过程,以及由此引起的干缩变形。干燥35天后重新放入水中,1天、3天、7天、14天、32天长度重量变化和长度变化,研究硬化水泥石重新受潮后的吸水过程及由此引起的干缩变形恢复情况。

 

2. 试验结果

2.1干燥过程试验结果

图1给出在干燥环境下,硬化水泥石的失水过程和干燥收缩过程。从试验结果可以看出,在干燥的初期,有一个较快的失水过程。大约7天~14天后,失水过程基本结束。从总的趋势来看,干缩变形过程也是相似的。在大约10天以前,干缩变形较快,10天以后,干缩变形减缓。从两者的比较来看,干缩变形过程似乎比失水过程滞后一些。在干燥环境下,硬化水泥石1天时间大约可以失去一半左右的水分,3天大约可以失去70%~80%的水分;而1天的干缩变形是很小的,3天的干缩变形也仅为总干缩变形的一半。

 

另一个值得注意的是预养护时间对硬化水泥石的失水过程和干燥过程也有着不同的影响。这种差别表现在两个方面:一是失水量随预养护时间的延长而减少,而预养护时间对干缩变形影响不大。二是预养护时间影响失水曲线的形式,而对干缩变形曲线的形式没有太大影响。从预养护1天的曲线来看,失水率达到最大值后,出现下降的趋势。也就是说,大约干燥7天以后,继续放在自然环境中,硬化水泥石不但不继续失水,反而开始回吸。在水中预养护3天的试件也出现类似现象。但在水中预养护7天和14天的试件则不同。干燥10天到14天后,试件重量基本保持不变。干缩变形则随干燥时间的延长而增长,10天之前增长较快,10天过后变缓。

 

2.2     吸水过程试验结果

试件干燥35天后,重新放入水中,观察其吸水和膨胀情况。图2给出硬化水泥石的吸水率和相应的膨胀率。从图中可以看出,硬化水泥石干燥后的吸水曲线可以分为两个阶段。第一阶段为瞬间吸水,即第一天的吸水。这一阶段的吸水量大约为总吸水量的85%~90%。而这一阶段的膨胀率仅为吸水总膨胀率的1/3到一半。第二阶段则是后续的缓慢吸水过程。这一阶段一直可以延续到5周左右,但吸水量仅为总吸水量的10%~15%,而膨胀率却可以超过总吸水膨胀率的一半。

另一个值得注意的现象是吸水率可以超过干燥失水率,而吸水所产生的膨胀却总是小于干燥过程所产生的收缩。表1给出硬化水泥石失水率与吸收率以及长度变化的比较。在干燥环境下,硬化水泥石的失水率大约为10%左右,而重新放入水中,它的吸收率却可达到14%。但是,硬化水泥石的干缩变形可达0.32%左右,而吸水所能产生的膨胀仅为0.2%左右。也就是说,在干燥环境下失去的水分是可以全部恢复的,甚至超出,而所产生的干缩变形是不能全部恢复的。

 

 

3. 分析与讨论

在硬化水泥石中,水有多种存在形式,包括:自由水、吸附水、凝胶水、结晶水、结构水。不同形式的水在水泥石中有不同的作用力,自由水作用最弱,其次分别是吸附水、凝胶水和结晶水,结构水作用最强。这就决定了不同形式的水具有不同的性质。从干燥收缩行为来考虑,这种差别表现在两个方面:其一是在干燥环境下,不同的水失去的难易程度不同。显然,作用越强的水越难失去。自由水与硬化水泥石几乎没有作用,因此,很容易失去;吸附水与硬化水泥石之间仅存在着物理作用,这种作用也是较弱的,在通常的情况下,这种水也容易失去;在硬化水泥石中,凝胶水结合得较牢,一般只有在较低的相对湿度下才能失去;结晶水和结构水是以化学作用力结合的,这种作用是较强的,通常可以认为是固体的一部分。因此,这种水很难失去。只有在较高的温度下,才能打破这种化学作用力,使这部分水失去。由此可见,在通常的环境下,失去的仅仅是自由水和吸附水,以及一部分凝胶水。其二是不同形式水的失去,所引起的干缩变形不同。不同形式的水是以不同形式的作用力结合的。因此,不同形式水的失去必将引起不同的干缩变形。一般的说,结合越强的水越难失去,一旦失去,也将会产生较大的干缩变形。

 

硬化水泥石开始干燥时,主要是自由水的脱出。这一部分水分失去很快,数量也较大,但仅产生较小的收缩变形。随后,吸附水脱出。伴随着吸附水的脱出,产生一定的收缩变形。在干燥过程的早期,主要是这两部分的水失去。因此,失水量是较大的,但干缩变形并不大。进一步的干燥,水泥石中的凝胶水开始脱出,尽管这一部分水失去得不多,但却引起了较大的干缩变形。从图1中可以看出,干燥7天以后,失水量不再增加,但干缩变形仍然在增大。这表明凝胶水开始向毛细孔中转移。图3给出水泥石收缩与脱水时的湿度及温度的关系。可以看出,曲线起初较平缓,然后逐步变陡。这也表明在干燥的初始阶段,失水多而干缩变形小。随后,失水逐步减少而干缩变形逐步增大。

 

值得注意的是对于不同养护龄期的试件,尽管它们的含水量是相同的,但水的分布却是不同的。随着养护龄期的延长,水泥的水化程度提高,水泥石中的水由自由水向凝胶水、结晶水和结构水转移。养护龄期越长,硬化水泥石中的自由水越少,凝胶水、结晶水和结构水,而这些水是难以失去的。因此,随着养护龄期的延长,水泥石在干燥环境下的失水量减少。但是,由于水泥石中凝胶水含量增加,因而在干燥过程中,也将失去较多的凝胶水。因此,对于较长龄期养护的试件,尽管失水量减少,干缩变形并没有明显地减少。从另一个方面看,凝胶水比自由水和吸附水难失去,因此,长龄期养护试件的干缩变形要比短龄期养护的试件发展慢一些。也就是说,长龄期养护,可以使干缩变形过程减慢。

 

对于短龄期养护的试件,开始干燥时,水泥的水化程度是较低的。因此,在水泥石中存在着较多的自由水,这些水分很容易失去。由于在干燥的水泥石存在着较多的未水化水泥熟料颗粒,这些颗粒要水化,但水泥石的孔隙中已没有水分来供它水化,这些颗粒水化反应所需要的水不得不由外界环境提供,而且一旦反应,这些水分就成为水泥石的一部分。因此,当硬化水泥石在较早的龄期被干燥时,大量失水以后还会有一个吸水过程。这个吸水过程是由水泥的继续水化引起的,不会产生膨胀。也就是说,不会补偿早期的收缩。

 

将干燥的试件重新放入水中,它将吸水,并伴随着膨胀。这一过程也与干燥过程相似,初期吸水很快,后期则吸水很少。变形过程也是一样,早期膨胀较大,然后逐步变缓,14天后膨胀基本结束。同样,膨胀过程也滞后于吸水过程。吸水过程1天就基本完成了,以后虽然还在缓慢地吸水,但数量是极少的。但是,膨胀过程一直可以延续到14天。在干燥脱水过程中,失水过程与干缩变形过程的不一致性归因于水的形式,吸水过程与膨胀过程的不一致性也与水的形式有关。当干燥的水泥石浸入水中时,由于毛细管的吸水作用,水进入水泥石。这时,进入水泥石的水基本上是以自由水的形式存在。尽管在表面张力的作用下,可以产生膨胀,但这种膨胀并不是很大的。随着时间的推移,毛细孔中的水逐步向凝胶内迁移,成为凝胶水。当毛细水转变为凝胶水时,使水泥石中的凝胶体产生膨胀。尽管水泥石中水的数量没有变化,但水泥石的体积却有所增大。因此,产生了膨胀。

 

前面也曾提到,在试样进行干燥的时候,水泥的水化反应远没有完成。无论是在干燥的过程中,还是在后续的浸水过程中,水化反应仍然在进行,并形成了大量的水化产物,特别是C-S-H凝胶。但是,在干燥环境下,所形成的凝胶通常是干凝胶,它具有较强的吸水性。正是由于水化产物的增多,使得硬化水泥石在水中的吸水量超过它干燥时的失水量,而且越早干燥,这种差别越大。但是,无论是形成干凝胶,还是饱水的凝胶,水泥的水化过程通常伴随着体积收缩。因此,尽管浸水后可以产生湿胀,但不可能超过干燥阶段所产生的干缩变形的。

 

4. 结论

本文研究了在不同的养护龄期时,硬化水泥石失水和干缩变形的全过程,并延伸到干燥水泥石的吸水和膨胀过程。通过研究,可以得出以下认识:

(1) 硬化水泥石的干缩变形过程滞后于失水过程,其原因归因于在不同的阶段失去的水的形式不同。

(2) 养护龄期对养护水泥石的失水过程有着显著的影响,养护龄期越长,硬化水泥石的失水量越少。当养护龄期较短时,即便在较干燥的环境下,早期大量失水后,将会有一个吸水过程,使得水泥石的重量增加。当养护龄期较长时,则不出现这种重量回弹的现象。但养护龄期对硬化水泥石的干缩变形过程没有显著的影响。当养护龄期较长时,干缩变形速度略有减慢。最终的干缩变形率基本上不受养护龄期的影响。

(3) 干燥的水泥石浸入水中后,将会吸水,并产生膨胀。吸水率可以超过干燥时的脱水率,但吸水膨胀率则不会超过干缩变形率。

(4)随着养护龄期的增加,吸水量减少,吸水量与失水量的差值也减小。但是,养护龄期对干硬化水泥石的吸水膨胀率基本上没有影响。