水泥石热变形性能试验

第36卷第1期2006年1月

东南大学学报

(自然科学版)

J OURNAL O F SOUTHEAST UN I V ERS I TY (Natural S ci en ce Ed iti on)

V o l 136No 11

Jan.2006

水泥石热变形性能试验

丁士卫 钱春香 陈德鹏

(东南大学材料科学与工程系,南京210096)

摘要:研究了水泥石线性热膨胀系数的测试方法及温度、湿含量和龄期对其的影响,并进行了一定的理论分析,以期为长形混凝土结构设计提供一定的依据.研究结果发现:所使用的测试水泥

石线性热膨胀系数的方法是可行的,所测试的水泥石的线性热膨胀系数在12@10-6

~20@10

-6

e 范围内,水泥石线性热膨胀系数随龄期增长而增大,随温度升高而增大;所讨论的影响水

泥石线性热膨胀系数的3个因素中,龄期影响最大,温度次之,湿含量影响最小.关键词:水泥石;线性热膨胀系数;测试方法

中图分类号:TU 528 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2006)01-0113-05

Experi m ental research on t her mal defor m ation of hardene d ce m ent paste

D ing Shi w ei

Q ian Chunx iang

Chen D epeng

(D epart m en t o fM ateri als S ci ence and En gi n eeri ng ,S out h eastUn iversity ,N an ji ng 210096,C h i na)

Abst ract :The te st m e t h od o f the co effic i e nt o f li n ear ther m al expan si o n o f hardened ce m en t paste and the effect o f te m perature ,m o isture content and curi n g age on t h e co efficien t o f li n ear t h er m al expansion o f har dened ce m ent paste w ere investi g ated ,w h ich w ould prov ide basis for the str ucture design o f l a rge -sca le concre te .Te sti n g results show tha t the m e t h od used to te st the coeffic ient o f li n ear ther m a l expansion o f hardened ce m ent paste is feasible .The coefficient o f li n ear t h er m al

expansion o f har dened ce m ent pa ste is about 12@10-6-20@10-6

e .And t h e coeffi c ient o

f li n ear ther m al expansi o n increases w hen curin

g ag e i n creases o r te m perature rises .Am ong the three factors curi n g age is m o st si g n ifican,t te m pera ture l e ss and m o isture content the lea s.t K ey w ords :hardened ce m ent paste ;coefficient o f linear ther m a l expansion ;testm ethod 收稿日期:2005-08-24.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2001CB 610705).

作者简介:丁士卫(1981)),男,硕士生;钱春香(联系人),女,博

士,教授,博士生导师,cxq i an @seu https://www.360docs.net/doc/2812927965.html, .

热胀冷缩是材料的基本性能,当温度升高时,材料内能增加,材料内分子运动加速,分子与分子之间距离增大、键长增加,宏观表现为材料体积增加.常用热膨胀系数来表征材料热变形性能,而热膨胀系数又包括体积热膨胀系数和线性热膨胀系数.在一定的温度间隔内,材料线性热膨胀系数定义为试样长度变化与温度间隔及试样初始长度之比

[1,2]

.

材料热变形性能属于热性质的范畴,由于对材料热稳定要求的增加,人们开始研究材料的热膨胀系数及其机理.国外的研究始于18世纪末,但大多

集中在金属材料,因为当时精密仪器的制造对金属材料的热稳定性提出了要求.随着土木工程建设的发展,许多长形混凝土结构设计受到混凝土材料变形的困扰,热变形便是其中之一

[3]

.于是欧美发达

国家从19世纪中期开始研究水泥基材料的热变形性能,主要集中于热膨胀系数.要测量水泥基材料的线性热膨胀系数,关键要解决精确测量微小应变的问题.当前国内外使用的测量方法主要有直接测

长法、光测法、表面应变计法、内置光纤传感器法、浮力法等.

1)直接测长法

[4]

直接测长法是最常用最简

便的方法,即直接测出试件在不同温度下的长度,然后根据线性热膨胀系数的计算公式计算出结果.具体的试验仪器有很多种,但原理都相同,即用电加热控制试验温度,用已知材料做成的导杆把试验样品的热变形导出,然后用千分表测量热变形.该

方法简单易行,但千分表的使用限制了测试的精度.直接测长法多用来测量硬化水泥浆体等体积较小的样品.

2)光测法[57]光测法的温控仪器一般与直接测长法相同,区别在于测长工具不使用千分表,而运用光的反射或干涉原理放大材料的热变形,以得到更加精确的测量结果.该方法在应用过程中分为光杠杆法、劈尖干涉法、激光散斑干涉法等.光杠杆法是把材料的热变形转换为反射光角度的变化;劈尖干涉法和激光散斑干涉法则是把材料的热变形转换为光干涉条纹的变化.光测法测量精度比直接测长法高,测量仪器的要求也较高.由于加热设备的限制,一般也只用来测量体积较小的样品.

3)表面应变计法[8,9]表面应变计法就是在样品表面贴应变计,用应变仪来测量样品的热变形.温控装置可以是温控烘箱、温室或其他可控温的设备.这种方法对操作和试验环境要求较高,测量结果也较精确.该方法只能测量硬化试件,且要求试件表面较光滑.

4)内置光纤传感器法[10,11]G lisi c等通过在混凝土试件中埋置特制SOFO光纤传感器来测量混凝土的体积变化.用SOFO光纤传感器可以测量混凝土的微小应变,该方法不仅可以测量硬化混凝土,还可以测量未硬化混凝土的体积随时间的变化情况.试验操作简单,测量结果精确.但是对仪器设备的要求较高,一般条件下很难满足.

5)浮力法Loukili等[12]通过测量试件在水中的浮力变化来推算试件的体积变化,用特殊的薄膜密封试件,当试件质量一定时,如果试件体积发生变化,必然反映到浮力变化上.所以,只要精确测量试件的浮力变化,便可推算出试件的应变.但实际应用中要完全密封试件有一定的难度.

我国近年来进行大量基础设施建设,其中桥梁、隧道的建设随着公路里程的延长而增加.在这种长形结构中,混凝土材料除了具有必需的强度、耐久性之外,抗变形性能越来越受到人们的关注.混凝土结构的抗变形性能包括干缩、热变形、自收缩和荷载作用变形等,其中针对混凝土材料热变形性能的研究比较少,因此开展研究尤其具有现实意义.本文旨在研究水泥基材料线形热膨胀系数测定方法及影响因素,为热性能改性和超长混凝土结构设计提供依据.

1热变形测试方法

在考虑试验条件及精度要求的前提下,本文采用直接测长法测量水泥石的线性热膨胀系数A.样品尺寸为<7mm@60mm,成型模具见图1,测试装置如图2所示.

图1模具示意图

图2测试装置示意图

111试验制度

111.1样品制备

按配合比成型样品,1d后拆摸,随即放入标准养护室养护,到待测龄期取出样品进行试验. 11112加热制度

从室温开始加热,控制升温速率为每40~60s 升高1e.为了确定加热温度场的稳定性,特测试了样品顶端和底端的温度,得到升温曲线如图3所示.可见在试验过程中,温度场是比较均匀的.

图3试验升温曲线

112测试方法稳定性验证

为验证测试方法的稳定性,进行稳定性试验.

114东南大学学报(自然科学版)第36卷

成型水泥石样品:水泥采用小野田P .O 5215级普通硅酸盐水泥,水灰比(质量比)为016,测试龄期为2d,测试前样品在90e 烘箱内烘干1h ,共进行了6个样品的试验,试验结果如图4和表1所示.从试验结果可以得到:①各温度点测得的线性热膨胀系数的标准差均小于1@10-6

e ,表明该试验方法测得的结果具有可接受的稳定性.②各样品在试验温度范围内测得的总平均线性热膨胀系数为(12105?0187)@10-6

e ,该结果在国外研究普遍确认的6@10-6

~20@10-6

e 范围之内[11]

.所以使用上述选定的方法测试水泥石在20~80e 内的线性热膨胀系数是可行的

.

图4 稳定性结果分析表1 稳定性试验结果

T /e A /(10-6

e

-1

)1234

56平均值/(10-6e -1)标准差/

(10-6e -1)35

10197111781212410176111061011811117016745101981215812124111561110610118111430181551117812158121241211711187111181119701446511178131391212412197131001117912153016275121591313913192121971315012159131160149平均值

11162

1217412158

12108

12110

11118

12105

0153

2 3个因素对水泥石线性热膨胀系数的影响

211 温度和龄期对水泥石线性热膨胀系数的影响21111 试验设计

试验采用全因素方法设计,水泥为小野田P .O 5215级普通硅酸盐水泥,水泥浆体水灰比为016,成型1d 后拆摸放入标准养护室养护,到测试龄期时取出,试验前先放入90e 烘箱内烘干1h,各条件下样品测试4个.

试验时升温速率控制在每40~60s 升高1e ,从室温开始加热,当温度升至20,30,,,80e 各整十数温度点时记录样品长度.21112 试验结果及分析

试验结果如图5所示.可见,水泥石线性热膨

胀系数随温度升高而增大,随龄期增加而增大.

图5 水泥石线性热膨胀系数随温度和龄期的变化

212 温度、湿含量和龄期对水泥石线性热膨胀系

数影响的相关度分析21211 试验设计

试验样品的制备如上所述,为了研究湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响,测试各龄期未烘干样品的线性热膨胀系数.测试方法同前述.同时进行了不同龄期标准养护的水泥石内部湿含量的试验及压汞孔结构分析试验.212.2 试验结果

湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响如图6所示,从结果可见在各个测试龄期,含有水分的水泥石的线性热膨胀系数比干燥的大.不同龄期标准养护的水泥石内部湿含量的试验和压汞孔结构分析试验结果如图7所示,从图可见,随着龄期的增长,水泥石内部总孔隙率和连通孔隙率减小,但封闭孔隙率却增大;同时标准养护条件下水泥石的湿含量随着龄期的增长而降低.21213 结果分析

用SA S 软件对试验所得的30组数据进行典型相关分析,考察的变量包括温度T 、湿含量H 、龄期A 和线性热膨胀系数A .考虑到龄期对水泥石线性热膨胀系数的影响实质上为孔隙率X 对A 的影响,所以实际分析过程中使用孔隙率X 代替对应的龄期A.定义变量V =f(A ),W =f(X,H,T ).首先分析V 和W 的相关性得到:变量V 和W 的相关系数019336,修正值为019309,标准误差为010238,相关系数平方为018716,所以变量V 和变量W 是肯定相关的.其次分析A 与V 的相关性以及X,H ,T 和W 的相关性.得A 与V 的相关系数为110000;X,H,T 与W 的相关系数分别为-018572,012397,015902.

从以上的分析结果可知,孔隙率、湿含量和温度对水泥石线性热膨胀系数的影响大小为孔隙率>温度>湿含量.其中影响因子负值代表A 随X

115

第1期丁士卫,等:水泥石热变形性能试验

图6

湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响

图7 标准养护的水泥石湿含量及孔隙率随龄期的变化

的减小而增大.

通过以上的试验结果和分析可以得到:①内部含有水分的水泥石相对于干燥的来说线性热膨胀系数较大.②综合考虑孔隙率、温度和湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响,结果发现孔隙率对水泥石线性热膨胀系数的影响最大,温度次之,湿含量影响最小.

3 机理分析

水泥石线性热膨胀系数大小主要由水泥石内

部固体物质和水决定.

1)固体物质的影响 对于干燥的水泥石样品,线性热膨胀系数主要由固体物质含量及成分决定.随着龄期的增长,未水化的水泥颗粒减少,水化产物增多,总的固体物质的体积分数增加.由于水化产物中的主要物质水化硅酸钙凝胶的线性热膨胀系数比水泥颗粒的大,所以宏观表现为水泥石的线性热膨胀系数随龄期增长而增大.

2)水的影响 对于含有一定水分的水泥石样品,线性热膨胀系数则由固体物质和水共同决定.除了固体物质对材料热膨胀有贡献之外,随着温度的升高,水泥石内部的水受热膨胀,同时水分蒸发,水蒸气从内部向外部迁移,一旦水蒸气产生的速度比迁移速度大,就会在水泥石内毛细孔中产生膨胀压力,引起热膨胀系数增大.所以宏观表现为含有水分的水泥石比干燥的线性热膨胀系数要大.

综合考虑水泥石产生热膨胀的各种因素,得到如图8所示的影响机理图.

图8 水泥石线性热膨胀系数影响机理图

4 结 论

1)将金属材料线性热膨胀系数测定方法引用于水泥石的测定是可行的;

2)随着龄期的增长,水泥石孔隙率减小,水泥

石的线性热膨胀系数增大;

3)在试验温度20~80e 内,随着温度的升高,水泥石的线性热膨胀系数增大;

4)含有一定水分的水泥石的线性热膨胀系数比干燥的大;

5)综合考虑孔隙率、温度和湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响,结果发现孔隙率对水泥石线性热膨胀系数的影响最大,温度次之,湿含量影响最小;

6)在使用P .O5215水泥,水灰比为016,龄期为2~42d 范围时,干燥水泥石的热膨胀系数在12~20@10-6

e 范围内.

116东南大学学报(自然科学版) 第36卷

由于试验量的限制,目前还不能给出水泥石线性热膨胀系数的全因素分析结果.下一步要重点研究固体物质含量及种类对水泥石线性热膨胀系数的影响,同时需要量化湿含量对水泥石线性热膨胀系数的影响大小.最终建立水泥石线性热膨胀系数计算模型.

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