养护温度对石灰岩机制砂砂浆早期收缩变形的影响研究

2022-03-06邸云菲李孝雄满晓磊

邵阳学院学报（自然科学版） 2022年1期

邸云菲，李孝雄，满晓磊

(1.滁州学院土木与建筑工程学院，安徽滁州，239000；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京，210098)

胶凝材料早期收缩变形是砂浆形成裂缝的重要因素，而裂缝的存在会引起砂浆自身性能下降。细骨料在砂浆中起到支撑作用，它的存在可以抵抗胶凝材料的早期收缩。已有大量报道。机制砂与天然砂在砂粒形态、颗粒级配以及砂中石粉含量等多方面存在较大差异，现有天然砂砂浆早期收缩变形的研究结论并不适用于机制砂砂浆。若机制砂砂浆收缩率控制不当，可以引起结构构件的收缩变形过大而产生裂缝，不仅对建筑物的耐久性和安全性产生影响[1-2]，对机制砂的应用也会产生不利影响。

机制砂混凝土收缩变形性能方面的研究已取得了一定成果。杨卓强等[3]探究了石粉含量对机制砂混凝土体积收缩变形的影响。结果表明，机制砂混凝土体积收缩变形随石粉掺量的增加出现先增大后降低的现象。毛永琳等[4]研究表明，石粉的掺入减少了水泥浆体的28 d干燥收缩量，在外掺情形下，水泥浆体1 d干燥收缩量出现明显增大。范德科等[5]对比测试了天然砂和机制砂混凝土的收缩，在14 d龄期以前，机制砂混凝土收缩更明显，14 d龄期后，二者收缩趋于一致。ZHANG等[6]研究发现当水胶比固定时，石灰岩粉与粉煤灰在大体积混凝体积稳定性的性能上发挥的作用几乎相同。郭育霞等[7]研究表明，石灰岩石粉在内掺情况下，混凝土的干缩随着石粉掺量的增加而增大。李悦等[8]研究发现，石灰岩石粉的掺入可以降低混凝土的收缩，掺量越高，减缩效果越明显。肖佳等[9]研究发现，浆体硬化过程中自收缩随石粉掺量增大出现先增加后减小的趋势。王雨利等[10]的试验结果表明，机制砂砂浆的干缩率均大于河砂砂浆，随着石粉含量的增大，机制砂砂浆收缩率先减小后增大。杨鲁等[11]研究了高石粉含量下机制砂混凝土收缩变形性能，并与河砂混凝土进行了对比，结果表明，同等情况下机制砂混凝土的收缩变形性能较优。

综上可以发现，有关机制砂混凝土收缩变形性能考虑的影响因素大多集中在石粉含量上，石粉对水泥基材料收缩变形影响结论并不一致。此外，水泥基材料的早期收缩变形还与其外部养护温度密不可分。以养护温度及石粉含量为影响因素，对石灰岩机制砂砂浆的早期收缩变形性能进行研究，旨在为机制砂混凝土的收缩变形及耐久性研究打下基础。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

水泥采用的是江南-小野田水泥有限公司生产的PII·52.5型普通硅酸盐水泥，化学成分见表1，比表面积为380 m2/kg。机制砂是山东展飞建筑材料有限公司生产的石灰岩机制砂，采用水筛法将机制砂与石粉分离，石灰岩机制砂通过骨料筛分实验确定石灰岩机制砂的颗粒级配及细度模数，石灰岩机制砂的颗粒级配曲线见图1，细度模数经计算为3.401 3，由此确定本次试验使用的石灰岩机制砂为粗砂。石粉经过水洗、沉淀、晾晒后，过0.074 mm的方孔筛得到。

图1 石灰岩机制砂颗粒级配曲线Fig.1 Particle grading curve of limestone manufactured sand

表1 水泥化学成分表

1.2 试验方法

采用固定水胶比为0.4，胶砂比为1∶1.25，为考虑养护温度及石粉掺量对机制砂砂浆试件收缩变形的影响，共设计了5组试验，其中，养护温度分别为20，40及60 ℃，石灰岩石粉掺量分别为6%，12%及18%，具体试验配合比设计见表2。

表2 试验配合比设计

根据试验配合比设计，称取所需原材料，采用水泥砂浆搅拌机进行搅拌，搅拌完成的砂浆倒入规格为40 mm×40 mm×160 mm的三联模具中，并分别放入20，40及60 ℃养护箱中进行养护，1 d龄期后对试样进行脱模，采用电子秤与比长仪对试样的质量和长度进行测量并记录，作为初始质量和初始长度。测量结束后放入养护箱中继续进行养护，待养护至3，5，7，10，14，21和28 d天龄期时取出试样，测量和记录试样的质量与长度。

2 试验结果与分析

2.1 机制砂砂浆失水率变化规律

考虑石粉含量及养护温度对机制砂砂浆失水率的影响，绘制的机制砂砂浆失水率随时间变化规律曲线分别见图2与图3。从图2和图3中可以看出：机制砂砂浆的失水率随着龄期的增加而增大，且前期失水率增加速度快，后期失水率增加速度变缓直至平稳。机制砂砂浆失水率随着石粉含量的增加先增大后减小，在相同龄期下，石粉掺量为12%的砂浆失水率最大，石粉掺量为6%的砂浆失水率最小。除了试件与外界环境接触导致水分不断蒸发减少，还有一部分的水分因有化学反应而减少，在相同养护条件下，造成这一现象的原因是石灰岩石粉的存在可以加速水泥的水化反应，导致了更多的水分参与到水泥水化反应中，故随着石灰岩石粉含量的增加，机制砂砂浆的失水率增大，当石灰岩石粉掺量超过12%时，过多的石粉替代了水泥，导致水泥用量的减少，从而参与水化反应消耗的水分变少，失水率减小。

图2 石粉含量与机制砂砂浆失水率的关系Fig.2 Relationship between stone powder content and water loss rate

由图3可以看出：20，40与60 ℃养护温度下的机制砂砂浆失水率随着龄期的增加都在不断地增大，60 ℃养护下砂浆的失水率最大，20 ℃养护下砂浆的失水率最小，3种养护温度下28 d砂浆的失水率趋于相等。原因在于养护温度的升高加快了胶凝材料的水化反应，不仅加快了水分的蒸发，还加快了水分与胶凝材料的水化反应，从而导致砂浆水分损失速度快，在前期60 ℃养护的机制砂砂浆的失水率要大于40 ℃养护的机制砂砂浆的失水率。而在相同水胶比下，不论是20，40还是60 ℃的养护的砂浆试件，其总体含水量是相同的，水泥水化反应最终消耗水的用量也是相同的，故在28 d龄期时，20，40与60 ℃养护的机制砂砂浆试件的失水率趋于相等。

图3 养护温度与机制砂砂浆失水率的关系Fig.3 Relationship between curing temperature and water loss rate

2.2 机制砂砂浆收缩率变化规律

考虑石粉含量及养护温度对机制砂砂浆收缩率的影响，绘制的机制砂砂浆收缩率随时间变化规律曲线分别见图4与图5。由图4可以看出：机制砂砂浆的收缩率随着龄期的增加而增大直至平稳，机制砂砂浆的收缩主要集中在前11 d。11 d龄期以前机制砂砂浆完成了大部分收缩变化，机制砂砂浆收缩率随着石粉含量的增加先增大后减小，在石粉含量为12%时砂浆收缩率最大，石粉含量为6%时机制砂砂浆的收缩率最小。造成这一现象的原因是石灰岩石粉加速了水泥的水化反应，随着石粉含量的增加，更多的水泥参与水化反应从而导致胶凝材料体系收缩越明显，当石粉掺量超过12%时，过多石粉的替代减小了胶凝材料中的水泥用量，且石灰岩石粉中许多微细粒子具有填充作用，细化了砂浆的孔结构并增加了毛细孔的曲折程度，对砂浆的收缩起到了一定的抑制作用[12]，因而收缩率有减小的趋势。

图4 石粉含量与机制砂砂浆收缩率的关系Fig.4 Relationship between stone powder content and shrinkage

图5 养护温度与机制砂砂浆收缩率的关系Fig.5 Relationship between curing temperature and shrinkage

从图5中可以看出：在20，40与60 ℃养护温度下的机制砂砂浆收缩率都在不断地增大，60 ℃养护的机制砂砂浆试块前11 d收缩率增加速度最快，20 ℃养护下机制砂砂浆收缩率最小，到达28 d龄期时，3种养护温度下机制砂砂浆的收缩率趋于相等。造成这一现象的原因是养护温度的升高增强了胶凝材料的水化反应，使得胶凝材料的体积收缩更明显，当在28 d龄期时20，40及60 ℃ 3种温度养护下的机制砂砂浆收缩率趋于相等。

2.3 机制砂砂浆失水率与收缩率变化关系

图6和图7分别为不同石粉掺量及养护温度下砂浆前28 d失水率与收缩率之间的关系图。从图6和图7可以看出：机制砂砂浆失水率越大其收缩率就越大。失水率越大，表明用于胶凝材料水化消耗水分以及砂浆对外蒸发水分的总和越多，砂浆自干燥引起的收缩及与外界环境交换水分引起的干燥收缩就越大，总体收缩率也就越大。

图6 不同石粉含量下失水率与收缩率之间的关系Fig.6 Relationship between water loss rate and shrinkage rate with different stone powder content

图7 不同养护温度下失水率与收缩率之间的关系Fig.7 Relationship between water loss rate and shrinkage with different curing temperatures

通过对二者进行回归分析发现机制砂砂浆失水率与收缩率基本呈线性关系，线性拟合相关系数高，结果见图6和图7。当石粉掺量为12%时，线性拟合直线的斜率最大，表明收缩率随失水率变化速度最快。当砂浆在60 ℃养护时，线性拟合直线的斜率为0.068 3，收缩率随失水率变化速率最快。20 ℃养护时，线性拟合直线的斜率为0.064 7，砂浆收缩率随失水率变化速率最慢，表明提高养护温度不仅可以加快水化反应速率，还可以加快砂浆内部水分对外蒸发。