高温条件下水泥净浆和水泥砂浆收缩性能的试验研究

赵鸣一 李福海 蒋昊宇 狄秉臻

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092; 2.西南交通大学土木工程学院,成都 614202;3.浙江大学建筑工程学院,杭州 310058)

1 研究背景

近年来,随着隧道施工技术的不断进步,隧道建设逐渐向长大深埋方向发展。深埋隧道由于其埋深大,穿越的不同地质单元多,因而除了具有一般浅埋隧道的工程地质问题外,还有一系列特殊的比浅埋隧道更为严重的地质灾害问题,其中较为突出的就是高温地热问题。

通常,当地温超过30 ℃时,便称为热害(高地温),隧道工程中若发生高地温问题,一方面将恶化作业环境,降低劳动生产率,并严重威胁到施工人员的生命安全;另一方面将影响到施工材料的选取和工程材料的耐久性。而且由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂,锚杆灌浆料收缩开裂,界面剪应力产生突变,严重影响隧道的稳定性。

日本的安房公路隧道施工过程中有蒸汽喷出,温度达75 ℃[1];高黎贡山铁路特长隧道勘察预测洞线部位温度超过70 ℃[2];云南黑白水3级水电站引水隧洞热水涌出,温度达62 ℃[3];禄劝铅厂水电站引水隧洞极端温度达76 ℃[4]。这些工程实例显示,在极端条件下,水泥灌浆料可能会遭遇到70 ℃左右的高温。纵观之前学者的研究,袁广林[5]从水泥灌浆料在高温下强度退化的角度进行了研究;冯世贤[6]研究了高温下水泥灌浆料黏结强度的变化;张艺鸽[7]研究了高温和高压均可提高H级油井水泥早龄期的抗压强度;余琼[8]通过数值模拟计算了常温下带肋钢筋与灌浆料间的粘结滑移性能。但均未进行收缩方面的相关实验。可见,工程学界对高温地热条件下的水泥灌浆料收缩方面的的研究鲜见,可参照的实验资料较少,因此对高温下水泥收缩性质的研究是具有必要性与重要性的[8]。

2 试验原理和设备

2.1 试验思路

纵观国内外的工程经验,采用控制温度及温度梯度、掺入减缩剂和加入一定掺量的掺和料都是十分常用的抗收缩手段[9],而又经济性和易行性上来考虑,在水泥灌浆料中掺入掺和料是极具性价比的方案。所以我们考虑采用掺入掺和料的方式来处理高温下水泥灌浆料的收缩问题。但由于大多数地下工程构筑物都有较高的时效性要求,而在高温条件下,有机掺和料可能会面临老化问题,所以本实验只由无机掺和料入手,对不同种类的无机掺和料进行研究[10]。

2.2 原材料

本试验中水泥采用四川都江堰拉法基水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P·O 42.5R,密度为2.921 g/cm3;拌合水使用机制蒸馏水;水泥砂浆试件中采用ISO标准砂;使用的掺和料包括:遂宁热电厂生产的I级粉煤灰,密度为2.059 g/cm3;成都恒瑞源环保材料有限公司生产的SF-92型硅灰;河北霸州市东升钢纤维厂生产的直径为0.25 mm,长度为13 mm的短钢纤维;四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产的直径为9～18 μm的玄武岩纤维;中国内蒙古超牌偏高岭土有限公司生产的KAOPOZZTM高活性偏高岭土;成都混凝土新建材有限责任公司生产的S95级矿粉,密度为4.25 g/cm3的重晶石粉。

2.3 配合比

为保证对照实验效果,本实验共计设置了三组对照实验,其中第一组试验(编号为1-1至1-4)中的纯水泥试件水灰比分别定为0.350、0.380、0.415及0.450共计制作四组试件,每组三个。水泥砂浆试件(编号为1-5至1-8)砂率固定为0.5,水胶比分别为0.300、0.350、0.380及0.415。与纯水泥试件相同,制作四组试件,每组三个。主要目的是探究纯水泥试件和水泥砂浆试件在70 ℃下的收缩情况,通过对照实验观察水胶比对纯水泥试件和水泥砂浆试件收缩的影响。

试件2-1至2-8均为纯水泥试件,水胶比固定为0.38,分别掺入2%玄武岩纤维,10%重晶石粉,30%矿粉,30%粉煤灰,15%硅灰,2%短钢纤维,10%偏高岭土粉,并设置一组不掺添加料的对照组,共计八组试件。

试件3-1至3-6均为纯水泥试件,水胶比仍固定为0.38,分别掺以不同种类和掺量的添加料,主要目的是为了探究在实验二中抗收缩性较好的三种掺合料的掺量与抗收缩能力的关系。其具体添加料类型和掺量见表1。

2.4 试验方案

本实验首先按照表1中的配比成型试件1-1至1-8。使用25 mm×25 mm×275 mm的钢铸模具制作试件,并在试件纵向两侧预埋铜质探头,以方便测量并提高测量精度。试件结构见图1。

表1各组试验配合比

Table 1Mix proportion in each test

图1 试件结构(单位:mm)Fig.1 Specimen structure (Unit:mm)

为方便成模、防止偶然误差及作为安全储备考虑,每组水灰比均制作了三个相同的试件。制作方法为,将钢铸模具拆开清洗擦干后并均匀地涂上机油,之后再次组合成磨具待用;使用精确的电子天平(精度为0.1 g)称量水泥与砂,使用量筒量取蒸馏水,按相应配比混合后在小型机械水泥搅拌器中按照慢速搅拌30 s-快速搅拌60 s-慢速搅拌30 s的程序,使水泥浆充分混合均匀。同时将所有试件的制作时间控制在两小时内。将各试件分别标记,编号后在室温下养护成型。24小时后,拆除模具,立刻使用检验合格的专用千分尺量取初长值,记为第1天,记录后放入已预热的70 ℃的恒温烘箱中。接下来的7天,每天使用千分尺量取试件长度并记录,在记录过程中,控制试件暴露在室温空气中的时间小于10 s。第8天至第14天,每隔48小时对试件进行长度测量。

完成上述试验后,以同样的成型、养护和测量方法完成表1中的试件2-1至2-8,每个试件均制作三个。分别在试件成型后第1天至第7天每隔24小时观测测量一次,第8天至第14天每隔48小时测量一次,第14天至第28天每隔7天观测一次。

完成上述试验后,取出其中收缩率小于纯水泥试件的几组,以同样的成型、养护和测量方法完成表1中的试件3-1至3-6,并按时测量其长度并记录。

3 实验结果

将试件3-1至3-8的测量数据进行平均后,按照下述公式处理:

(1)

图2 不同水灰比的纯水泥试件收缩率Fig.2 Shrinkage ratio of cement specimens with different W/B

由数据分析不难看出,在高温条件下,纯水泥和水泥砂浆的收缩特性与常温下相似,具体表现为:早期(3 d内)收缩较大,之后收缩逐渐变缓。收缩情况并不与水胶比成线性关系,在纯水泥试件中,当水胶比为0.30和0.38时,虽然前期收缩和其他水胶比的试件差距不大,但14 d内的总收缩明显小于其他三组试件,此处可以说明在70 ℃的高温情况下,较小的水胶比可以降低纯水泥试件在14 d内的收缩。水泥砂浆试件在70 ℃的高温条件下的收缩总体小于纯水泥试件,但砂浆试件的收缩主要集中在前5天。此外,较小的水胶比会同样会减小水泥砂浆的收缩。

按照同样的方法整理试件2-1至2-8的数据后,绘出了70 ℃下水泥砂浆掺入不同掺合料的收缩分析图,如图4所示。天数(d) 2%玄武岩纤维组、10%重晶石粉组、30%粉煤灰组、2%短钢纤维组均在28天内在70 ℃高温下对水泥的收缩有不同程度的抑制作用,其中30%的粉煤灰组抑制效果最好,2%的玄武岩纤维、10%的重晶石粉和2%的短钢纤维组均有不同程度的抑制效果。其他组的收缩均大于对照组。

图4 不同掺合料的水泥砂浆试件的收缩率Fig.4 Shrinkage ratio of cement slurry with different mineral mixture

按照同样的方法整理试件3-1至3-6的数据后,绘出70℃下水泥砂浆掺入不同掺量的掺合料的收缩率与时间关系图,分别如图5-图7所示。

图5 掺入不同含量的玄武岩纤维的水泥试件收缩率Fig.5 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of basalt fiber

从图5中不难发现,在2%的掺量范围内,玄武岩纤维的掺量越高,其抗收缩的效果越好,且当掺量达到2%时,抗收缩效果较掺量为1%提高了接近1倍。

图6 掺入不同含量的重晶石粉的水泥试件收缩率收缩曲线Fig.6 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of barytes in powder

图7 掺入不同含量的粉煤灰的水泥试件收缩率Fig.7 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of short fiber steel

由图6、图7可见,在本实验研究的范围内,提高水泥砂浆中重晶石粉和粉煤灰的掺量,有利于抵抗其收缩的效果。

4 讨论与分析

对以上的结果,研究普遍认为当环境温度较高时,水泥中的水分蒸发较常温条件下快。同时有文献[11]显示,存在于胶体和晶体表面的自由水,当空气相对湿度低于98%时,即可蒸发。而存在于毛细孔中的毛细孔水,当相对湿度低于98%时也可开始蒸发;存在于胶体中的胶孔水及存在于凝胶之间的层间水,当空气相对湿度低于40%时,便开始蒸发。在本实验中人工制造的高温条件下,其相对湿度较低。高温及低湿度这两个条件的共同作用下,试件中的水分快速蒸发,在试件内部的空隙中形成了负压,导致水泥试件被进一步压缩,产生了收缩。此外,快速的水分蒸发导致了水泥试件中毛细孔的数量增多或体积增大,更多的毛细孔和更大的空隙体积导致水泥在硬化时水分会趋于空隙流动,水的表面张力导致水泥的自收缩现象进一步加剧。对于水泥砂浆的抗收缩性好于纯水泥的现象,本研究认为沙子填充了一部分水泥中的空隙,导致了毛细孔自收缩现象的减弱,同时沙子有一定的黏聚性,水的表面张力会使得一部分水分黏附在沙子上,提升了保水性能,从而减弱了收缩[12]。同时,由于干燥引起的 C-S-H 凝胶颗粒的重排,产生了密度的永久性变化,进而产生了收缩[13]。

另一方面,随着水泥水化的进行,虽然固相体积不断增大,导致水泥颗粒间紧密接触,使水泥石强度增加,但是固相和液体的总体积却在不断减少,由此导致了化学收缩。水泥石由于化学收缩作用,内部孔隙水处于不饱和状态,出现自干燥现象,并由于毛细管张力作用导致水泥石外观体积收缩[14]。

就结论上分析,钢纤维可以有效抑制水泥灌浆料的收缩,其原因有以下几点:第一,水泥开始收缩时,其强度并未达到能够抵御收缩的要求,而其中掺杂了钢纤维后,钢纤维可有效承担其中一部分收缩应力;第二,当水泥砂浆开裂后,在开裂尖端部位可能产生应力集中,而如果这些裂缝与钢纤维相交时,钢纤维可以抵消掉一部分应力集中,并可将单向的收缩应力分散为三维的受力状态,降低应力集中程度,阻止了开裂,一定程度上也阻止了收缩的发生。[15]

从文献上了解到[16],在水泥灌浆料中掺入玄武岩纤维后,由于水泥试件表层存在纤维,减少了水泥与空气的接触面积,导致其失水减缓;表面的纤维对水分的迁移有阻止作用,水分在试件表面的迁移变得更加困难,毛细管失水收缩形成的毛细管张力会减弱,都导致了收缩的减缓。另外,水泥灌浆料中的玄武岩纤维分散在整个试件中,一方面纤维材料通过摩擦力、吸附粘结力等和机械耦合力可以承受一定的拉应力,一定程度上提高了水泥浆体的开裂抗拉强度;另一方面,裂缝开裂,裂缝与纤维相交时,拉伸的纤维可能会消耗部分水泥浆体开裂的能量,从而降低了收缩。这几方面综合的影响有效地降低了水泥灌浆料的收缩。

有研究显示[17],掺入重晶石粉的混凝土的收缩会随着重晶石粉的掺量增加而减小,但将其掺入水泥砂浆的研究鲜见。本实验显示,在8%～12%的掺量范围内,掺入12%的重晶石粉能够较好地减弱水泥砂浆的收缩。但其他掺量是否会得到更好的抗收缩效果,还需要进一步研究。

对于粉煤灰掺和料,相关研究[18]已经非常深入。粉煤灰能够有效降低水泥石的早期收缩,但这种影响程度与粉煤灰的用量及特性有关。粉煤灰慢水化特性能够间接增加早期水泥石的有效水灰比,从而降低水泥石的早期自干燥速率,后期粉煤灰的继续水化使水泥石内部自干燥程度提高,但是此时水泥石已有较高的弹性模量,因此能够有效减小水泥石收缩。

图5-图7呈现了与常温下的水泥收缩相似的规律,对于粉煤灰掺合料,收缩率与其掺量成负相关的原因很容易推测,即更少的水泥带来了更好的抗收缩表现。另一方面,增加一些纤维材料的掺量也可以阻止水泥试件的收缩。玄武岩纤维、短钢纤维等有一定的抗拉效果。分别掺入30%矿粉、15%硅灰以及10%偏高岭土粉在高温条件下对水泥砂浆试件的收缩有促进作用。

5 结 论

(1) 在70 ℃下,水泥砂浆和纯水泥的收缩规律与常温相类似,水泥收缩主要集中在前3～5 d,此后收缩逐渐变缓并趋于稳定,较小的水灰比可以使得水泥砂浆的收缩减小。此外,水泥砂浆在高温下的收缩远小于纯水泥试件。

(2) 在70 ℃下,掺入合理掺量的粉煤灰、玄武岩纤维、重晶石粉和短钢纤维可以有效抑制水泥灌浆料的早期收缩。在本实验中,掺入2%的玄武岩纤维、12%的重晶石粉和30%的粉煤灰具有明显的抗收缩效果。而掺入15%的硅灰、10%的偏高岭土粉以及30%的矿粉有加剧水泥灌浆料早期收缩的趋势。

(3) 玄武岩纤维、粉煤灰和重晶石粉的掺量直接影响水泥砂浆在高温下的抗收缩性能,在实验范围内,都存在“掺量越高,抗收缩效果越显著”的关系。其中,掺入2%的玄武岩纤维可以有效改善水泥砂浆高温条件下的早期收缩;重晶石粉掺量为12%时,在70 ℃条件下的抗收缩效果最好;而粉煤灰掺量为35%与30%时的抗收缩能力差距不大,可以认为在70 ℃条件下,当粉煤灰掺量大于30%时,继续增加粉煤灰掺量对水泥砂浆的抗收缩效果提升不明显。

致谢感谢同济大学梁发云教授作为硕士研究生导师对本文第一作者的学术指导与帮助。