水化产物转化对蒸压制品强度的影响
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2013年第3期 第39卷总第173期 ・13・ 2o13年6月 DOI:10.3969/j.issn.1672—4011.2013.03.007
水化产物转化对蒸压制品强度的影响
张红兵 ,朱淳钊 (1.荆州市建筑节能与装饰装修管理办公室,湖北荆州434020; 2.长江大学城市建设学院,湖北荆州434023) 摘要:通过x射线衍射、红外光谱手段分析了粉煤 灰石灰蒸压系统中水化产物的变化与实验强度的关系。结 果显示,在1.2 MPa饱和蒸汽压下处理不同时间,水石榴 石的0.505 nm衍射峰减弱,CSH的0.183 nm衍射峰有所 增强。在不同饱和蒸汽压下处理6 h,水石榴石的0.505 nlTl 衍射峰在0.6 MPa前出现增强,随着饱和蒸汽压的增大开 始逐渐减弱,c—s—H的0.183 nm衍射峰逐渐增强。随着 水石榴石不断减少和水化硅酸钙的增加,蒸压试样强度的 提高。 关键词:蒸压条件;水榴石;水化硅酸钙;强度 中图分类号:TQ170.1 文献标志码:B 文章编号:1672—40l1(2013)03—0013—03 0前言 水榴石是蒸压制品中一种常见的水化产物,可以在很 宽的温度范围内获得。T ̄lor认为,水榴石的存在导致制品 强度低“ 。在水榴石形成量不大的前提下,对提高蒸压 制品的密实度有利,可以获得较高的制品强度。若水榴石 的大量形成,由于水榴石的胶结能力极差,其制品强度下 降。在蒸压硅酸盐制品中,水榴石并不是在所有条件下都 能够稳定存在,随着硅溶出量增多,高碱性环境被破坏, 水榴石开始转化为新的物相——含A1 J}勺水化硅酸钙 q]。 S.Klimesch等人提出了水榴石向托贝莫莱石转化的证 据 :随着水热反应的进行,水榴石量明显减少,而Al 代托贝莫莱石的增加 J。 的MAS NMR数据显示八面 体 (水榴石)调整到四面体的化合物中(AJ代1.1nm托贝 莫莱石)和八面体的配位 (水榴石) 。文献[9—10]认 为,水榴石在水热反应中优先转化为C—S—H,而不是Al 代托贝莫莱石。本文用一种不常见的粉煤灰作为蒸压材料, 讨论水榴石转化为水化硅酸钙后对蒸压制品强度的影响。 1实验方法与原材料 1.1原材料 粉煤灰。该粉煤灰的主要矿物为刚玉(Corundum,d)、 莫来石、赤铁矿和少量玻璃相出现,没有发现普通粉煤灰 中常见的石英衍射峰,见图1所示。 熟石灰。石灰中有效CaO为49.48wt%,主要为氢氧化 钙及少量碳酸钙。
作者简介:张红兵(1967一),男,湖北江陵人,高级工程师,现从事建 筑节能、墙体材料方面的管理与研究。 1.2实验方法 将成型好的每组试件放入蒸压釜中,按照一定的蒸压 制度进行蒸压处理。不同蒸压时间的蒸压制度升温一恒温 一降温时间(小时,h):2一X一2,X为最高温度下恒温养护 时间(h)。不同饱和蒸汽压的蒸压制度为:2h~6h一2h。 扫描电镜分析采用Ph ̄ps XL30ESEM型扫描电镜仪, 样品进行抽真空和喷金处理。采用D/ma】【一HIA型全自动x 射线衍射仪。试块样品磨细至全部通过0.08 mm方孔筛。
10 20 圈1 2实验结果与分析 将粉煤灰(比表面积为380 kg,/m )和其磨细粉煤灰(比 表面积为430 kg/m2)分别与石灰按一定比例混和(石灰粉煤 灰质量比1:5)后在不同蒸压条件下蒸压处理后进行x射线 衍射分析,结果如2所示。
16h 10h 宴h 6h 4h 2h lh 10 20 30 40 5O 60 70 1O 2O 30 4o 5O 60 7O 2 0 2 e a.粉煤灰 b.磨细粉煤灰 图2不同蒸压时间粉煤灰试样的x射线衍射图 图2中0.505nm水石榴石衍射峰和0.183 am C—s—H 凝胶衍射峰的CPS之和如图3所示。图4为不同蒸压时间 粉煤灰试样的活性CaO消耗情况。可以明显发现,无论粉 煤灰(FA)是否磨细(GFA),其蒸压试样中水榴石在1.2 MPa 饱和蒸气压下处理1 h后已经大量形成。经过2 h处理后, 水石榴石0.505 nnl衍射峰开始减弱,而0.183 nln C—s—H 凝胶衍射峰随着蒸压时间的延长而增加。 材 之岫 ● 口 ^
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粉 ・l4・ 2013年6月 I・J芝材 Sichuan Building Materials 2013年第3期 第39卷总第173期
图3不同蒸压时间下水化产物的变化情况
0 2 4 6 8 l0 l2 14 l6 C/S 图4不同蒸压时间粉煤灰试样的活性CaO消耗情况 图4可知,蒸压处理2 h后,有效氧化钙基本消耗殆 尽,蒸压系统处于低碱度状态,水石榴石在这一条件下不 稳定,开始出现分解(如图5),并进入C—S—H结构内形成 Al代C—S—H。这是图3中0.505 nm衍射峰减弱、0.183 am衍射峰有所增强的原因。图6为蒸压试样在1.2MPa饱 和蒸气压下不同处理时间的强度值。图6表明,蒸压试样 的强度与水石榴石转化为Al代C—S—H并没有直接关系。 也就是说,随着水石榴石转化为Al代C—S—H,蒸压试样 的强度并没有提高,反而有所下降。
图5水石榴石的转化 图6不同蒸压时问的试样强度 直处于缓慢增长状态。这一结果表明,水石榴石及时在较 低饱和蒸汽压下也会出现分解,并形成Al代C—S—H。 图9为不同饱和蒸汽压下蒸压6h粉煤灰试样的强度。 随着饱和蒸汽压的提高,蒸压试样的强度明显提高。比较 C—S—H的提高,强度提高的幅度更为明显。 100o 800 嘈 600 l 400 } 0o 0 {500 400 i 300 i l 200 loo 0.6 0.8 1.0 I.2 autoclaving time/h b 图8 不同饱和蒸汽压水化产物的变化情况
sal t dsl P 图9 不同饱和蒸汽压下蒸压试样的强度 基于以上分析可知:①在1.2 MPa饱和蒸汽压下,由 于蒸压系统中ca 不足,蒸压处理2 h,试样中水石榴石开 始出现分解,形成AI代C—s—H。蒸压试样的强度变化与 水石榴石0.505 am衍射峰和CSH的0.183 nm衍射峰变化 规律并不相同。水石榴石转化为Al代C—S—H后对蒸压试 样强度的提高有一定贡献,但随着水化产物转化进一步进 行,强度贡献减弱;②在0.6 MPa饱和蒸汽压下处理6h, 蒸压系统表现为低碱度,试样中水石榴石开始出现分解, 形成Al代C—S—H。蒸压试样的强度变化与水石榴石 0.505 nm衍射峰和CSH的0.183 nm衍射峰变化规律并不 相同。水石榴石的不断减少和水化硅酸钙的增加,导致蒸 压试样强度的提高。 图7为蒸压粉煤灰试样在不同饱和蒸汽压下蒸压处理 3 结 论 6h的XRD。图7中0.505 am水石榴石衍射峰和0.183 nmC —S—H凝胶衍射峰的CPS之和如图7所示。
l 2MPa 1.0MP 0.8MP 0.6MPa 0 4MPa Ca
lO 20 3O 40 5O 6o 70 1O 20 30 40 50 60 7O 2 6 2 0 a.粉煤灰 b.磨细粉煤灰 图7 不同饱和蒸汽压粉煤灰试样的x射线衍射图 图8(a)显示,在饱和蒸汽压0.6 MPa恒温蒸压6h,蒸 压试样中水石榴石0.505衍射峰开始下降,这与有效CaO 的大量消耗有关。图8(b)中的C—S—HO.183 am衍射峰一 在1.2MPa饱和蒸汽压下处理不同时间,水石榴石的 0.505 am衍射峰减弱,CSH的0.183 nm衍射峰增强。 在不同饱和蒸汽压下处理6h,水石榴石的0.505 nm衍 射峰在0.6 MPa前出现增强,随着饱和蒸汽压的最大开始 逐渐减弱,C—S—H的0.183 nm衍射峰逐渐增强。 随着水石榴石不断减少和水化硅酸钙的增加,蒸压试 样强度提高。 [ID:000062] 参考文献 [1]H.F.W.TAYLOR.Cement Chemistry.Academic Press,1990:142 —367. [2]H.F.W.Taylor.Crystal chemistry of Portland cement hydration.6 一th International Congress on the Chemistry of Cement,Research Institute VNIIESM of the Ministry of Building Materials Industry of the former USSR,Moscow.1974:43. (下转第16页) 鬈 咖 啪 咖 枷 瑚 0 日 —E= 0 0Jo c0I1日甚E; ∞ .J
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】 ・16・ 2013年6月 2013年第3期 第39卷总第173期 混凝土基本相当,但极限拉应变接近普通混凝土或传统 FRC的500倍,表现出极大的韧性性质。ECC超高的拉应 变能力对应于试件上的多条细密裂缝,在从开裂至峰值荷 载整个过程中,拉应力一应变曲线呈现明显的应变硬化特 征,随着荷载的增长,在拥有最大初始缺陷尺寸截而上的 基体首先开始出现裂缝,此时ECC中的纤维能够提供足够 的桥联应力,基体中的裂缝以“自相似”模式(即分形理论 模式)扩展,在裂缝扩展过程中,裂缝尖端的应力场和变形 场保持不变,直至裂缝贯通整个截面。当第一条裂缝出现 后,对应试件的承载能力经历瞬间下降后马上恢复,裂缝 宽度很快稳定在一个很细的水平上(和第一条裂缝的宽度大 体相同),如此重复多次,试件上最终呈现大体均匀分布的 多条细密裂缝,每条裂缝的宽度大体接近,即使是在极限 荷载时(应变为5%),裂缝宽度保持在60 m左右,当应变 小于1%时,裂缝宽度更小。这种细密的微裂缝宽度是由材 料自身性质决定的,它与这种复合材料是否配钢筋以及配 筋率大小无关。 2.2抗剪性能与能量吸收 1998年Kanda等对ECC进行抗剪性能测试,结果发现 剪跨比为1时,在不配任何抗剪钢筋的情况下,ECC梁的 抗剪承载力比混凝土梁高出42.67,对应变形能力高出 2.25倍,破坏模式具有明显的延性特征。2003年Vasillaq 等发现ECC板在剪切作用下从未裂到开裂是个渐进的过 程,不会出现刚度的突然下降,而在常规混凝土会产生非 常典型的脆性破坏特征。Gregor等对钢筋混凝土(R/C)和 钢筋一ECC(R/ECC)梁构件进行的抗剪周期循环试验表明, R/ECC剪切破坏时出现大量的细微斜裂缝,类似于延性破 坏,抗剪韧性大大优于R/C。 在抗震结构中,塑性铰区的能量吸收是耗散地震能的 主要途径,但是在周围脆性混凝土的包裹下,只有极小部 分的钢筋能经历屈服阶段。然而,即使取消抗剪箍筋,当 延性比达到10%时,ECC悬臂梁构件试验中仍未出现保护 层剥落或爆裂现象,其滞回环形状饱满,具有较强的能量 吸收能力,这对于抗震结构设计具有重要意义。Fukuyama 在2003年介绍了由ECC短柱和扩大头组成的响应控制装 置。它可以减少建筑结构的地震位移和减小构件损坏。 ECC短柱可以实现高韧性、高刚度和高强度;扩大头可以 调整响应控制装置的影响范围,同时保证控制装置和框架 的连接。由于同为水泥基材料,它们比钢框架和阻尼器更 适合混凝土结构的地震响应控制。 2.3自愈合和环保性 人们很早就知道有的混凝土具有裂缝自愈合的能力, 一些服役年限很长的混凝土暴露在外部环境下,其裂缝会 缩小甚至消失。一般认为,混凝土自愈合的内因是其内部 还有部分未发生水化作用的水泥基体,外因则与其暴露的 外界环境条件有关,包括干湿的循环,温度条件,水的渗 透和混凝土中氯化物的含量等;另外,裂缝的宽度不能大 于150,最好是50。美国Michgan的En—Hua Yang博士在 对ECC构件的耐久性研究中发现其较强的自愈合能力。自 愈合能力提高了ECC在变化环境下的耐久性。 ECC具有良好的环保性能。粉煤灰是煤燃烧后的产物, 它对空气的污染严重,全世界每年会产生超过6亿t的粉煤 灰,它们的处理是一个令人头疼的问题,在近年的研究发 现,和火山灰、硅粉一样,他可以替代一部分水泥,从而 减少建筑材料中水泥的用量。一般而言,粉煤灰至少可以 替代1O~25%的水泥,火山灰本身并不能直接和水发生化 学作用,但在石灰石的作用下,水化反应可以发生,并放 出极少的热量。En—Hua Yang博士做了掺有粉煤灰的ECC 材性试验,发现随着粉煤灰掺量的增加,ECC的抗压强度 总体呈减少的趋势,但是只要粉煤灰/水泥不大于2.8时, ECC仍保持了较高的抗压状态。粉煤灰的掺量对ECC拉应 变的影响较小,不同掺量的ECC都表现出了应变硬化的现 象。 3结束语 随着结构技术的革新和结构需要的增加,传统的工程 材料已无法满足日新月异的工程建设的需要,而ECC材料 的出现及应用必将为未来建筑的发展注入新的生机与活力。 在农业、工业、军事等领域,ECC材料的使用必将越来越 普遍。因此,发展ECC材料技术任重道远。[ID:000061] 参考文献: [1]丁一,陈小兵,李荣.ECC材料的研究进展与应用[J].建 筑结构,2007,37(7). [2]俞家欢.工程水泥基复合材料的性能与应用[M].北京:中国建 筑工业出版社,2010. [3] 武爱红.浅谈商品混凝土生产的质量管理[J].科技情报开发 与经济,2005,(15). [4] 李恒龚.商品混凝土质量影响因素和控制措施[J].黑龙江科 技信息,2008,(27). (上接第14页) [3]L.Massidda。U.Sanna.Steam curing hydration of compacts of blast furnac ̄slag activated by lime,cement and gypsum.Silic.Ind. 1983.3:55—6o. [4] Maenami Hiroki,Watanabe Osamu。Ishida Hideki。Mitsuda Takeshi. Hydrothermal solidification of kaolinite.quartz.1ime mixtures.Jounud of the American Ceramic Society.2000,83(7):1739—1744. [5]D.S.Klimeseh,A.Ray.Effects of qllartz content on the nature of Alsubstituted 1 1 angstrom tobermorite in hydro thermally treated CaO—A12O3一SiO2一H20 systems.Adv.Cem.IRes.1999,11 (4):179—187. [6]D.S.Klimeseh,A.Ray.DTA—TGA evaluations of the CaO—Al2 03一SiO2一H20 system treated hydro thermally.Thermochim.Ac— ta.1999,334(12):115—122. [7]Danielle S.Klimescha,Abhi Ray.DTA—TGA of unstirred auto— claved metakaolin—lime—quartz slurries:The formation of hydro— garnet.Thermochimica Aeta.1998,316:149—154. [8] Satoru Fujita,Kenzi Suzuki。Yasuo Shibasaki,Toshiaki Mori.Syn- thesis ofhydrogamet from molten slag and its hydrogen chloride fix- ation performance at hish temperature.Mater Cycles Waste Manag. 2002.4:70 76. [9]Klimeseh,D.S,Lee,G,Ray,A,Wilson M.A.Metakaolin additions in autoclaved cement—quartz pastes:A凹Si and”AI MAS NMR investigation.Advances in Cement Research.1998,10(3):93— 99. 『l0]R.Siauciunas,A.Bahusnikas.Influence of SiO,modification on hydrogamets formation during hydrothermal synthesis.Cement and Concrete Research.2003,33:1789—1793. 【11]Sasaki Kaori,Masuda Tsuguya,Ishida Hideki,Mitsuda Takeshi. Structural degradation of tobermorite during vibratory mffiing.Jour- hal ofthe American Ceramic Society,1996,79(6):1569—1574. . 材 乏 ●=si . 口