改性水泥基材料的微观孔结构研究文献综述

 2022-10-11 02:10

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  1. 文献综述(或调研报告):

改性水泥基材料的微观孔结构研究

杨艺

1、孔结构测试方法:

水泥混凝土的孔结构极为复杂,孔隙形状不规则且孔径大小变化大,微观孔隙的测试技术仍是当今的研究热点。目前采用的测试微观孔隙结构的方法常为:压力法、显微镜法、压汞法、气体吸附法、X射线小角衍射、核磁共振技术及CT成像技术[1]

1.1 压力法:

压力法适用于新拌混凝土的含气量测定,通过对混凝土施压,使其中的空气排出,将混凝土的体积变化是为新拌混凝土的总含气量,然而这种方法只能测出混凝土中的总含气量,无法得出孔隙的其他参数。

1.2 显微镜法:

显微镜法测孔隙参数有三种方法,(1)测量混凝土截面中的孔径以求其参数;(2)横贯线法,假设孔隙大小相同且均匀分布,采用ASTM C-457型显微镜测量横向按规律排列的空间线与气孔相交的弦得到孔隙间距,通过所测得的数据可计算出含气量,比表面积,孔隙间距等;(3)查点法,同样假设孔隙大小相同且分布均匀,采用ASTM C-457型显微镜,把一系列有规律的点沿横向分布的线添加在孔隙中,通过计算其出现的频率得到气孔间距,也可得到孔隙参数。

1.3 压汞法:

由于贡无法浸入大部分固体材料,因而选用贡在压力作用下,使其压入水泥混凝土的孔隙中,根据外力作用的功与贡液体增加的能可得出压力与孔径的关系,再通过压入的贡的体积可得到孔径分布。但由于需要将贡压入混凝土的孔隙,因此只能测出开口连通孔隙的参数,且孔径分布与真实值存在一定的差距,在高压作用下可能会产生破裂。

1.4 气体吸附法:

气体吸附法常用于测量比表面积,比表面积为气体吸附的所以开孔和与其连通的气孔的表面积。其具体操作为将烘干脱气后的混凝土试件置于液氮温度下,通过调整压力,测出升压和降压时试件中液氮的吸附量,并以此作图,确定孔的形状,孔径分布,比表面积等。该方法比较适合测试小孔,测量大孔时误差较大。

1.5 X射线小角衍射:

X射线小角衍射的原理是通过晶体中原子的散射波相互干涉,形成一定的衍射花样。该方法可测出所有孔隙的孔径及其分布,但测试费用昂贵,无法广泛使用。

1.6 核磁共振技术:

核磁共振技术中的固体核磁共振技术用于测量水泥混凝土中孔隙的参数,其中又有两种方法,其一是核磁共振弛豫时间法,通过测试试件中饱和液体的弛豫时间得出液体的分布,从而得到孔隙分布。另一种为核磁共振冷冻法,将混凝土孔隙中的液体冷冻,再逐渐升温,通过温度与融化液体量得到孔隙参数,其限制在于只能用于孔径小于100nm的孔隙。

1.7 CT成像技术:

CT成像技术需要将水泥混凝土切片,再进行扫描,将像素点、CT数与密度建立关系,获取图像,得到试件内部的结构关系。该方法可直接鲜明地看到混凝土的孔隙,在多个领域得以应用。

2.改性水泥基材料的分类

为了改善水泥混凝土的性能,提高混凝土的强度,耐久性,往往在拌合时加入其他材料使其改性。改性水泥基材料通常可分为矿物掺和料改性水泥基材料、外加剂改性水泥基材料、聚合物改性水泥基材料和复合改性水泥基材料[2]

3. 改性水泥基材料在孔结构上的研究进展

3.1 矿物掺和料改性水泥基材料

矿物掺合料目前已经成为水泥混凝土的重要组成部分,其对于孔隙结构的主要作用在于填充孔隙以及与水化产物氢氧化钙反应生成凝胶填补孔隙,提高混凝土的致密程度。

粉煤灰,高炉矿渣及火山灰是使用极为广泛的改性材料,它们对于水泥混凝土的孔结构的改善有显著作用。刘伟[3]等人经过对水泥混凝土分别掺加粉煤灰、硅灰及二者混合物进行试验发现粉煤灰等量替代水泥将有效降低混凝土孔隙率,但继续增加粉煤灰掺量,会稍稍提高大孔孔隙率;硅灰相较于粉煤灰对孔隙的改善效果更为明显,且增加掺量,未出现大孔孔隙率提高情况;而掺加二者混合物时,将使得混凝土的孔隙率继续降低,同时加入粉煤灰与硅灰的效果优于单独加入其一。Mahsa Kamali [4]等人采用电阻率法对比两种玻璃粉及粉煤灰,发现掺入玻璃粉的试件的电阻率提高程度大于粉煤灰,并通过电子显微镜观察分析表面,掺入玻璃粉的水泥混凝土的孔隙得以细化,相比于粉煤灰改善效果较好。

Young[5]等人在水泥混凝土中加入粒状高炉矿渣,试验结果发现在65%的替换率下的混凝土最为致密。Natalia[6]等人也对粒状高炉矿渣进行研究,同时采用动态水蒸气吸附法和压汞法,发现采用40%替换率的试件在90天龄期时的孔隙率显著降低且大孔向小孔转化。

赵井辉[7]对花岗岩石粉进行研究,结果表明花岗岩石粉仅对小孔孔隙有填充作用,在掺量为20%时,其孔隙率最小。赵井辉[8]还对煤矸石粉和石屑石粉分别进行试验,当煤矸石粉和石屑石粉掺量为20%时,试件的比表面积最大,平均孔径最小,大孔孔隙率降低,小孔孔隙率提高。付志恒[9]发现偏高岭土的掺入,可以使混凝土大孔径孔隙细化,孔隙率和平均孔径减小,当偏高岭土为17.8%时,混凝土的总孔隙率达到最低值0.0481mL/g; 当偏高岭土掺量为17.2%时,混凝土的平均孔径值达到最低值13.1nm; 当偏高岭土掺量为13.7%时,混凝土的无害孔比例达到最大值 46.8%。

近年来,人们对于矿物掺合料的研究有了更深的发现,诸如纤维,纳米材料等的使用也越来越多。玄武岩纤维能够有效提高混凝土的强度,但有关其对孔结构上的研究较少,林家富[10]认为由于玄武岩纤维的加入使得混凝土内部的界面缺陷区域增加,当掺入的纤维增加时孔隙率上升,然而孙冠东[11]认为玄武岩纤维的存在会使得混凝土的孔隙率和初始裂缝减少,同时阻碍裂缝的发展。邓雯琴[12]试验发现玄武岩纤维混凝土相较于普通混凝土孔径分布有明显改善其中普通混凝土的无害孔占61.1%,而玄武岩纤维混凝土的无害孔占90.8%。

锂渣是生产单水氢氧化锂残余的废渣,含大量二氧化钙和氧化铝,在填充孔隙的同时与氢氧化钙发生二次水化反应,锂渣混凝土与普通混凝土对比,孔隙率大大降低[13]。纳米材料的研究一直是热点之一,许耀群[14]认为纳米SiO2,纳米CaCO3,碳纳米管及氧化石墨烯对水泥混凝土的孔结构有填充改善作用。Meral Oltulu[15]等人,对纳米SiO2,纳米Al2O3,纳米Fe2O3进行研究,通过压汞法和气体分析法分析纳米Al2O3,纳米SiO2与纳米Al2O3,以及纳米SiO2,纳米Al2O3和纳米Fe2O3三种组合在不同掺量下对孔结构的影响,在纳米Al2O3掺量为1.25%时的孔径分布最佳。也有研究[16,17]表明氧化石墨烯不仅可以提高水泥混凝土的力学性能,也可以改善其微观结构,使平均孔径减小,更为致密。

3.2 外加剂改性水泥基材料

外加剂使用于改善孔结构的多为减水剂,引气剂、消泡剂等。使用减水剂的原因在于,掺加减水剂混凝土可排出多余水分,减小水泥粒子之间的距离,减小平均孔径和孔隙之间的连通性[18,19];引气剂的作用是由于气泡的存在使得混凝土总的体积含水量减少,降低孔隙率同时减小平均孔径[18,20];而消泡剂可使得水泥浆体内的空气排出,但随着消泡剂掺量的增加,孔隙率先降低后升高,消泡剂的最佳掺量为0.3%[21]。除此之外,徐峰[22]认为膨胀剂也能降低孔隙率,原因在于膨胀剂在凝结硬化过程中会产生晶体,使混凝土微膨胀,从而与混凝土的收缩互补。

3.3 聚合物改性水泥基材料

聚合物一般分为,水溶性聚合物、聚合物乳液、可再分散聚合物粉料和液态聚合物四类。聚合物及其生成的膜可填充或封闭水泥混凝土中的孔隙降低其孔隙率,同时使集料与水泥之间的过渡区结构紧密,连系加强。

黄月文[23]等人制备了苯丙共聚物乳液,试验发现共聚物乳液对水泥砂浆和水泥净浆的减水率达32%和42%。说明苯丙共聚物乳液的掺入可减少水泥砂浆及水泥净浆的用水量,从而降低孔隙率。熊剑平[24]等研究了SD622S羧基丁苯乳液对水泥净浆的改性,试验结果表明当聚会比为0.15时,孔隙率降至8.1%,约为普通混凝土的53%,总孔隙率、平均孔径与中值孔径随着聚合物掺量的增加而减小。Yanrong Zhang[19]等研究了聚羧酸盐高效减水剂,聚丙烯酸酯乳液和沥青乳液三种聚合物对水泥浆体孔结构的影响,结果表明,三种聚合物均有降低孔隙率,提高抗渗性的作用。郭耀华等人[25]研究了高吸水性树脂混凝土的孔结构特征,发现混凝土的比孔容积、孔隙率、最可几孔径随着高吸水性树脂掺量的增加而增加,增加的主要为孔径小于1mu;m的孔隙。

纤维素醚具有较好的保水作用,同时也会延迟水泥的水化产物的产生,对孔结构产生影响。张国防[26]经试验发现掺加1%的纤维素醚(羟乙基甲基纤维素)的水泥净浆与纯水泥净浆对比,C-S-H凝胶产生较迟且尺寸较小,为细绒状,钙矾石尺寸较短粗,总孔隙体积和平均孔径明显增大且大孔显著增多。Mateusz Wyrzykowski[27]等人利用压汞法分析掺加纤维素醚的水泥砂浆的孔结构,对比掺加0.3%甲基纤维素醚、0.8%羟乙基纤维素醚和未掺加纤维素醚的水泥砂浆的试验结果,可发现明显的孔隙率增大,其主要原因在于纤维素醚会向砂浆中引入大量气体。

废旧橡胶的回收利用对于环境保护具有重要意义,并且橡胶经过处理掺入混凝土中,可以提高抗冻性,耐火性,抵抗收缩开裂能力以及抗冲击能力等[28]。李红燕在水泥混凝土中掺入橡胶粉及3-4mm橡胶颗粒,并加入减水剂和引气剂,试验结果表明,掺加橡胶的试件的密实度更高,主要原因是橡胶粉填充了孔隙。王海龙[29]等人先用司盘40对废旧橡胶进行改性,研究改性橡胶对轻骨料混凝土的影响,以改性橡胶混凝土和未改性橡胶混凝土为对比,试验结果得出改性橡胶轻骨料混凝土的孔隙度降低了11%。莫启华[30]等人研究在不同胶粉掺量下,水泥水化及水泥净浆的孔结构的变化,发现随着胶粉掺量的增加,平均孔径,中值孔径不断增大,比表面积减小,比孔容变化不明显,胶粉的加入使得水泥净浆孔隙率增加,大于1000nm的大孔增多。

掺加纤维是一种提高水泥混凝土力学性能和使用性能的方式,孟彬[31]研究了多微孔型的改性聚丙烯纤维对水泥混凝土孔结构的影响,由于在新拌混凝土中掺加改性聚丙烯纤维将降低混凝土的泌水,水泥混凝土硬化后又可抑制裂纹的发展,因此掺加改性聚丙烯纤维可以改善混凝土的孔结构,使使大孔向小孔转化,降低孔隙率。邓雯琴[12]不仅研究了聚丙烯纤维,还研究了耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维,采用压汞法测孔,试验结果分析,三种掺加纤维的混凝土孔结构都得到改善,大孔细化,小孔增多,其中耐碱玻璃纤维改善效果最好,无害孔径分布率达92.8%。

3.4 复合改性水泥基材料

复合改性水泥基材料为同时使用多种改性材料以使混凝土的性能能够得到更大的改善,例如同时掺入减水剂与硅粉,聚合物与粉煤灰、纤维等。叶华[32]等人自制淀粉接枝丙烯酸 /高岭土复合吸水材料与水泥基材料拌合,用扫描电镜SEM观察其微观结构,发现0.22%掺量的水泥基材料相较于普通水泥基材料,大孔数量显著减少,结构致密。Mar Toledano-Prados[33]等人选用了聚羧酸高效减水剂和粉煤灰,同样使得水泥混凝土结构更为致密。冯春[34]等人采用丁苯橡胶,,聚丙烯纤维为混凝土改性制备多孔混凝土,虽然孔隙率和渗透性有所降低,但仍满足要求且强度提高。

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资料编号:[195590]

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