冷却方式和温度对玻化微珠保温混凝土微观形貌的影响研究

柴丽娟,李 珠,刘元珍,王文婧

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

冷却方式和温度对玻化微珠保温混凝土微观形貌的影响研究

柴丽娟,李 珠,刘元珍,王文婧

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

试验分析了5种温度梯度下玻化微珠保温混凝土的外观形貌和质量损失,利用扫描电镜(SEM)观察5种温度等级和两种不同冷却方式下保温混凝土的微观结构,定性分析微观物相对质量损失和裂缝开展的影响。试验结果表明:在100～500 ℃下,保温混凝土中保温骨料玻化微珠性能稳定;经历温度低于300 ℃时,保温混凝土孔内水分蒸发,质量损失率为4.36%,但基本不出现裂缝；经历温度为300～500 ℃时,保温混凝土中C-S-H凝胶结构和Ca(OH)2晶体由于失去水分而分解,质量损失率为6.22%,裂缝越来越多;浇水冷却方式下,保温混凝土内部发生水化反应生成C-S-H凝胶和Ca(OH)2晶体,将孔隙填的更加密实,故其裂缝开展小于自然冷却下的裂缝开展。

微观结构;扫描电镜;玻化微珠;水泥浆体;界面过渡区

近年来,国内外火灾形势越来越严峻。2006年,美国发生火灾164万多起,建筑火灾占了1/3,2 705人死亡,1 200余人受伤,财产损失13亿美元。2009年央视大楼发生火灾,财产损失100多亿;2010年上海大楼发生火灾直接损失5个亿[1-3]。建筑火灾为世人敲醒了警钟,人们对建筑材料的要求越来越高。玻化微珠保温混凝土作为一种无机保温材料,防火性能可以达到A级不燃,而且集承重、保温、节能一体化。

但当发生火灾时,玻化微珠保温混凝土跟普通混凝土一样都存在由于裂缝导致力学性能退化的问题,课题组参照普通混凝土高温试验方法,进行了保温混凝土的高温基本力学性能试验。试验发现,随着温度的升高,保温混凝土的抗压强度和抗拉强度会下降,在不同温度范围内,下降的幅度有所不同。宏观结构是由微观结构决定的,因此有必要进行保温混凝土的高温后微观结构研究[4]。

本试验主要进行高温下5种温度梯度和两种冷却方式下玻化微珠保温混凝土的微观结构研究,观察保温混凝土高温后的表面特征,并研究质量损失率与温度的关系,然后用电子扫描显微镜观察保温混凝土高温前后的微观结构。

1 试件制备

1.1 试验材料

1) 玻化微珠选自河南信阳某工厂,其主要性能指标如表1所示。

2) 水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥,细度是0.65,比表面积是340 m2/kg,化学成分见表2。

表1 玻化微珠物理性能

3) 砂子采用中砂,堆积密度是1 400 kg/m3,平均细度模数是2.9。

4) 石子选用粒径为5～20 mm的碎石,堆积密度是1 480 kg/m3,含泥量(质量分数)是0.7%,压碎指标是9.5%。

表2 水泥化学成分

5) 本试验所用的硅灰平均粒径是180 nm,比表面积是14 000 m2/kg,其化学成分见表3。

表3 硅灰化学成分

6) 减水剂选用课题组自制的高效减水剂。

7) 水选用自来水。

试验配合比设计如表4。

表4 配合比设计

1.2 试块设计及试验方法

[4-5],设计5个温度等级为20,100,300,400,500 ℃;两种冷却方式为自然冷却和浇水冷却。为了观察玻化微珠的形态,制作常温下的普通混凝土,与玻化微珠保温混凝土做对比。制作混凝土试块的尺寸是100 mm×100 mm×100 mm。两种混凝土试块数量均是3块。

试块制作在太原理工大学建材实验室完成,待试块成型拆模后,在养护室养护28 d,放在干燥通风的环境中,静置待混凝土恒重后,称量两种混凝土的质量,进行保温混凝土的高温试验。高温试验所用设备是SRJX型箱式电阻炉,升温方法是温度每升高100 ℃恒温20 min,待温度达到预定温度后恒温2 h。高温试验后观察试块的表面特征,并将试块分成两组,一组自然冷却,另一组在试块表面均匀浇水10 min。待试块冷却至室温后,称量试块质量。

微观试验所用试样尺寸是20 mm×20 mm×5 mm,试样镀膜所用设备是SBC-12小型离子溅射仪,观察微观结构所用设备是HITACHITM-1000型电子显微镜[6-7]。

2 高温后的表面特征及质量变化

2.1 玻化微珠保温混凝土的表面特征

1) 颜色变化:玻化微珠保温混凝土随着温度的升高,颜色随之变化,300 ℃以内颜色变化不大,为青灰色;400 ℃时呈灰褐色;500 ℃时,试块为鹅黄色。

2) 裂缝变化:300 ℃以内,混凝土试块浇筑面有细微裂纹,在400～500 ℃以内,试块各个面都出现了裂纹,而且温度越高,裂缝越长越宽。

2.2 玻化微珠保温混凝土的质量变化

随着温度的升高,玻化微珠保温混凝土的质量有所减少,具体质量变化见表5。

表5 不同温度等级下保温混凝土的质量变化

由表5可知,在100 ℃时,玻化微珠保温混凝土的质量损失率是0.73%;在300 ℃时,质量损失率是4.36%;在400 ℃时,质量损失率是5.04%;在500 ℃时,质量损失率是6.22%。由此可知,随着温度的升高,保温混凝土的质量损失率逐渐增大。

3 微观试验结果及分析

试验通过电镜扫描观察不同温度梯度和不同冷却方式下玻化微珠保温混凝土的微观形貌,并定性分析微观物相对质量损失和裂缝开展的影响。玻化微珠保温混凝土的微观物相包括玻化微珠、水泥浆体、骨料以及水泥浆体与骨料之间的过渡区[8-9]。由于通过扫描电镜没有明显观察出骨料和水泥浆体与骨料之间的过渡区,试验仅分析了玻化微珠和水泥浆体的微观物相。

3.1 温度对玻化微珠保温混凝土微观形貌的影响

3.1.1 不同温度梯度下的微观形貌

选取自然冷却下20,100,300,400,500 ℃的试块,做微观研究。图1中选取了几个典型图片,从图中可以看出,在300 ℃以内玻化微珠保温混凝土几乎不出现裂缝,在400 ℃时开始出现裂缝,500 ℃时裂缝比较明显,说明在400 ℃以上时,随着温度的升高玻化微珠保温混凝土的裂缝越来越明显,也越来越多。

图1 不同温度等级下保温混凝土的微观结构Fig.1 Thermal insulation concrete microstructure at different temperatures

3.1.2 不同温度梯度下的微观物相分析

3.1.2.1 玻化微珠

1) 图2图3中,对比玻化微珠保温混凝土和普通混凝土在常温下的微观结构,除了保温混凝土中加了玻化微珠,两种混凝土所用材料一样,图2中保温混凝土切片存在蜂窝状小孔,而图3中没有,由此可以断定该孔就是玻化微珠。

图2 玻化微珠保温混凝土20℃(×50)Fig．2 Thermalinsulationconcrete20℃(×50)图3 普通混凝土20℃(×50)Fig．3 Normalconcrete20℃(×50)

2) 选取常温下和400 ℃的微观图片如图4所示,从图中可以看出,玻化微珠是空腔结构,在高温下玻化微珠没有明显变化,这是因为玻化微珠是火山岩中的松脂岩经过1 280～1 360 ℃高温膨化而成的,表面玻化封闭,所以在高温试验后,玻化微珠性能比较稳定。

图4 不同温度等级下玻化微珠的微观结构Fig.4 Glazed hollow bead microstructure at different temperatures

3.1.2.2 水泥浆体

图5，图6为常温下观察到的玻化微珠保温混凝土水泥浆体微观结构。从图中可看出,C-S-H凝胶结构非常密实,大多数颗粒为纤维状,由纤维束构成一种无定形多孔交错连接的网状结构。Ca(OH)2晶体呈六方板状形貌,由于受到空间不足、内部杂质或者水化强度等影响,可能会出现无规则的板状晶体,因此Ca(OH)2晶体可能也会呈现不规则的形状。

常温下,C-S-H凝胶和Ca(OH)2晶体的变化并不明显,随着温度的升高,凝胶结构因为受热而失去结晶水,变得更加密实。在300 ℃时,混凝土因为水分蒸发而质量损失,混凝土表面几乎无裂纹;400 ℃时,保温混凝土内部发生变化,凝胶结构水分大部分蒸发,结构变得松散,有少部分Ca(OH)2晶体分解,但总体看上去几乎没有变化;500 ℃混凝土内部变化比较明显,凝胶颗粒的网状结构破损,Ca(OH)2晶体大部分分解。因此,500 ℃高温后保温混凝土的质量减少,裂缝明显增多,抗压强度下降。

图5 C⁃S⁃H凝胶(×2000)Fig．5 C⁃S⁃H(×2000)图6 Ca(OH)2晶体(×2000)Fig．6 Ca(OH)2(×2000)

3.2 冷却方式对玻化微珠保温混凝土微观形貌的影响

选取300 ℃和400 ℃下的试样,做自然冷却和浇水冷却下的保温混凝土的微观研究。选取400 ℃下的试样,观察结果见图7,8。通过对比可以看出,浇水冷却下保温混凝土的裂缝比自然冷却下的小,说明浇水冷却使保温混凝土内部发生变化,使得裂缝减小。

浇水冷却后玻化微珠保温混凝土内部补充了水分,水与氧化钙结合生成氢氧化钙,二氧化硅和氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶结构,填充了孔隙,故浇水冷却后保温混凝土的裂缝比自然冷却下的裂缝少。

图7 自然冷却下保温混凝土的微观结构Fig.7 Thermal insulation concrete microstructure after natural cooling

图8 浇水冷却下保温混凝土的微观结构Fig.8 Thermal insulation concrete microstructure after water cooling

4 结束语

1) 玻化微珠保温混凝土中的玻化微珠呈蜂窝状,是空腔结构,在100～500 ℃范围内性能稳定。

2) 在不同温度等级下,随着温度的升高,保温混凝土裂缝逐渐增多,质量损失率逐渐增加。在300 ℃以内,由于保温混凝土孔内水分蒸发,保温混凝土几乎不出现裂缝,300 ℃时,质量损失率是4.36%;在400～500 ℃时,保温混凝土中的C-S-H凝胶结构和Ca(OH)2晶体失水分解,结构体系遭到破坏,因此保温混凝土中的裂缝随温度升高越来越多,在500 ℃时,质量损失率是6.22%。

3) 在相同的温度等级下,浇水冷却由于补充了水分,使保温混凝土内部产生新的化学反应,生成C-S-H凝胶结构和Ca(OH)2晶体,使结构更加密实,故与自然冷却方式相比,浇水冷却方式下保温混凝土产生的裂缝较少。

参考文献：

[1] 江卫涛,刘元珍,马 钢,等.玻化微珠保温混凝土的抗折强度试验研究[J].太原理工大学学报,2014(6):791-794.

[2] 刘 泳,李 珠,王文婧.玻化微珠整体式保温隔热建筑分析[J].太原理工大学学报,2014(1):56-61.

[3] 郭秀华,李 珠,赵 晖,等.寒区隧道中玻化微珠保温砂浆隔热结构体系研究[J].太原理工大学学报,2013(2):203-206+212.

[4] 樊亚男.玻化微珠保温混凝土高温后的基本力学性能试验研究[D].太原：太原理工大学,2012.

[5] Chan YN,Luo X,Sun W.Compressive strength and pore structure of high-performance concrete after exposure to high temperature up to 8 000 ℃.Cement and Concrete Research,2000,30(2):247-251.

[6] 孙 亮,李 珠,武 潮,等.纳米玻化微珠保温承重混凝土微观解析[J].混凝土,2014(5):49-51+56.

[7] 李福海,叶跃忠,赵人达.再生集料混凝土微观结构分析[J].混凝土,2008(5):30-33.

[8] 柳 献,袁 勇,叶 光,et al.高性能混凝土高温爆裂的机理探讨[J].土木工程学报,2008(6):61-68.

[9] 李友群,李丽娟,苏健波.玻化微珠对高强混凝土高温性能影响研究[J].混凝土,2009(4):51-53.

(编辑：贾丽红)

Effect of Cooling Mode and Temperature on Micro-structure of Glazed Hollow Bead Thermal Insulation Concrete

CHAI Lijuan,LI Zhu,LIU Yuanzhen,WANG Wenjing

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The morphology and mass loss at five temperature gradients of glazed hollow bead thermal insulation concrete were analyzed, its micro-structure was characterized by scanning electron microscopy(SEM) for five temperature ratings and two cooling modes.The effect of microscopic objects on mass loss and crack development was analyzed. The results indicate that: at 100～500 ℃, the performance of glazed hollow bead is stable; after exposed to less than 300 ℃, because of water evaporation of thermal insulation concrete,the mass loss rate is 4.36% and almost no cracks occur on concrete; when exposed to 300～500 ℃, C-S-H structures and Ca(OH)2crystals decompose owing to release of moisture, the mass loss rate is 6.22%, and more cracks occur on concrete with the increase in temperature;with water cooling,thermal insulation concrete occurs new chemical reactions generating C-S-H structures and Ca(OH)2crystals, filling the pores, so the cracks are less than with natural cooling.

micro-structure;scanning electron microscopy;glazed hollow bead;cement paste;interface transition zone

1007-9432(2015)04-0419-05

2015-01-08

国家自然科学基金资助项目:玻化微珠保温砂浆劣化机理及对结构耐久性的影响研究(51308371)；山西省自然科学基金项目(2014011033-1)

柴丽娟(1991-)，女，山西运城人，硕士生，主要研究混凝土结构研究，(Tel)15135158326，(E-mail)572068470@qq.com

李珠(1959-),教授,博士生导师,(E-mail)lizhu9999@vip.sina.com

TU528.01

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.011