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第 1 6 卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 建筑材料学报 j oURNAL 0F B UI LDI NG MATERI AI S Vo 1 . 1 6. No . 6 De c ., 2 O1 3 文 章 编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 6 1 0 4 4 0 5 热孔计 法表征不 同龄期下混凝土孔结构 的研 究 蒋正武 , 邓子龙 , 袁政成 , 李文婷 , 张 楠 1 . 同济大 学 先 进 土木工 程材 料教育 部重 点实验 室 , 上 海 2 0 1 8 0 4 ; 2 . 中国建筑 股份 有 限公 司 技术 中心 , 北 京 1 0 1 3 0 0 摘 要 采 用热孔 计 法测试 了 3 , 2 8 , 9 0 d龄 期 下普 通 混凝 土 和 高 强混 凝 土 孔 结构 特征 及 其 变化 , 并 与压汞 法 、 氮吸 附法进行 了比较 , 进 一 步 分析 了混 凝 土微 孔 结 构及 孔 隙率 与 其 宏观 力 学 性 能 的 关 系. 结果表明 与压汞法相比, 热孔计法能较好地表征混凝土中直径小于 1 0 0 n m 的孔结构变化情 况. 高强混凝土养护 2 8 d后 , 孔径大于 2 0 n m 的孔隙率变化较小, 而在普通混凝土 中这类孔仍然持 续减 少. 相较于孔隙率的变化 , 孔径分布的变化能更好地解释混凝土宏观性能的差异. 对普通与高 强 混凝土 来说 , 直径 小 于 2 0 n m 的孔 对其 宏观 力 学性 能的 影响 不大. 关键 词 热孔 计 法 ;混凝 土 ; 孔 隙率 ; 孔 径 分布 中 图分类 号 TU5 2 8 . 0 1 文献标 志码 A d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 7 9 6 2 9 . 2 0 1 3 . 0 6 . 0 2 1 S t u d y o n Po r e S t r u c t u r e Ch a r a c t e r i z a t i o n o f Co nc r e t e a t Di f f e r e nt Ag e s b y Th e r mo p o r o m e t r y J I ANG Zh e n g WU ,DENG Zi l o n g , YUAN Z h e n g c h e n g , L We n t i n g , ZHANG Na n 1 . Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n,To n g j i Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ,Ch i n a ;2 . Te c h n i c a l Ce n t e r ,Ch i n a S t a t e Co n s t r u c t i o n En g i n e e r i n g Co .,L 坩.,B e i j i n g 1 0 1 3 0 0,Ch i n a Ab s t r a c t Po r e s t r u c t ur e s a nd t h e i r c ha n ge s o f o r di na r y s t r e ng t h c o nc r e t e a nd hi gh s t r e ng t h c o nc r e t e a t d i f f e r e nt c u r i ng a g e s of 3,2 8,9 0 d we r e s t ud i e d us i n g t h e r mop or o me t r y,a nd t he r e s ul t s we r e c o mpa r e d wi t h t h os e f r o m M I P a nd NAD.The r e l a t i on s h i p a mon g mi c r o p o r e s a nd p or o s i t y of c on c r e t e a nd i t s ma e r o s c o p i c pr o pe r t i e s wa s a l s o s t u di e d.The r e s u l t s i nd i c a t e t ha t c o mpa r e d t o M I P,t he r mo po r o me t r y c a n c ha r a c t e r i g e t he f e a t u r e s o f po r e s wi t h t he d i a me t e r s mal l e r t h a n 1 0 0 nm i n c o n c r e t e a c c ur a t e l y.The d i f f e r e n c e s o f ma c r os c o p i c m e c ha ni c a l pr o pe r t i e s o f c o nc r e t e s c a n be e xp l a i ne d us i n g t h e c h a ng e s of t he i r p or e s i z e di s t r i bu t i o n.Af t e r c u r i ng a ge o f 2 8 d,t he a mou nt o f p or e wi t h t h e di a me t e r l a r g e r t h a n 2 0 n m i n hi g h s t r e ng t h c on c r e t e c ha ng e s l i t t l e,b ut i t de c r e a s e s gr a du a l l y i n o r d i n a r y s t r e ng t h c o nc r e t e . And p o r e s wi t h di a me t e r s m a l l e r t h a n 2 O nm i n c o nc r e t e h a ve l i t t l e i nf l u e n c e o n t he ma c r o s c op i c me c ha ni c a l pr o pe r t y o f c o nc r e t e . Ke y wo r ds t he r mo po r o m e t r y;c o n c r e t e;p or os i t y;p or e s i z e di s t r i b ut i on 混凝 土 中孔结构 特征 及其 变化是 影 响混凝 土 力 学性 能 与耐久 性 的 重要 因素 . 研 究 混凝 土有 效 的 孔 结构评价方法对进一步提升其耐久性具有重要 的科 学意 义. 目前 , 已有 多种测 定孔结 构 的方法 应用 于水 泥基 材料 . 其 中氮吸 附 NAD 主要 依靠 微 孑 L 的气 体 吸 附来 对微 孔及 中孔 的 比表 面积 和孔径 分布进 行 表 征 , 且 不会 受到 孔 的 连 通性 影 响 引, 但 无 法 判 定 孔 形状 和半定 量 分 析 微孔 孔 径 分 布 。 ; 压 汞 法 MI P 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 1 1 ;修订 日期 2 0 1 2 - 1 0 0 8 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 项 目 2 0 1 I C B 0 1 3 8 0 5 ; 国家 自然科学基 金资助项 目 5 1 2 7 8 3 6 0 , 5 1 0 7 8 2 6 9 ; “ 十二五’ ’ 国 家科技 支撑计划项 目 2 0 1 1 B AE 1 4 B 0 6 ; 中央高校基本科研业务费专项资金 资助 项 目; 高性能土 木工程材料 国家重点实验 室开放基金 资助项 目 2 01 1 CEM0 0 8 第一作者 蒋正武 1 9 7 4 一 , 男 , 安徽潜山人 , 同济大学教授 , 博士生导师, 博士. E ma i l j z h wt o n g j i . e d u . c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 蒋 正武 , 等 热孔计法表征不 同龄 期下混凝土孔结构 的研究 是 利 用汞 从样 品表 面 进 入 孔 中 , 通 过 汞 的追 踪 压 力 和侵入体积得到所测对象 的孔信息_ 4 ] , 当孔 与表面 连通 , 汞可 渗 到 最 小 孔 中. 然 而 , NAD, MI P和 扫 描 电镜 S E M 都要求样 品干燥 , 这会导致相对小的孔 有 明显 变 化 ; 核磁 共 振 冷 冻 法 可避 免 如 NAD 和 MI P的 高 压 或 干 燥 所 造 成 的 材 料 变 形 [ 7 ] , 但 水 中 的 H 会 与 孔 壁 上 顺 磁 体 F e 抖 相 互 作 用 , 使 NMR 在 研究 普 通水 泥基 材料 方 面受 到影 响 ] . 因此 , 开 发 新 的方 法 表 征 混 凝 土 等 水 泥 基 材 料 内部 孔 结 构 特 征 , 尤 其 是 微 孔 结 构 对 研 究 其 耐 久 性 具 有 重 要 的意 义. 热 孔计 法 T P M 作 为 一种 新 兴 的 孔 分析 技 术 , 因可避 免 样 品 真 空 处 理 所 带 来 的微 观 结 构 变 化[ 1 明 和适 当冻 融次 数 内可 忽 略 冻融 破 坏 影 响等 优 势 , 现 已用 于二 氧化 硅 , 二 氧 化 钛 , 弹 性 体等 的孔 研 究 1 . 但 是 , 这 种 技术 尚未 有 系统研 究 , 尤其 在水 泥 基材 料 中的应 用研 究 甚 少[ 1 。 . 尽 管热 孔 计 法 目前 的孑 L 径 测试 范 围较 小 , 但 其 既可定 性分 析微 孔尺 寸 、 形 状 和 连通性 , 又可定量分析微孔孔隙率和孔径分布[ 1 ] . 笔 者 的前期 研 究_ 】 ] 表 明 , 热孔 计 法 在微 孔 范 围 内 的表 征 分辨率 要 优于 氮吸 附. 基 于这 两个 方 面考虑 , 本 文 将 采用前 期 研究[ 1 。 所建 立 的 热孑 L 计 法测 试 标 准 , 来 讨论 混凝 土 微孔 结构 随龄期 的变化规 律 . 1 原材料 与试验 方法 1 . 1 原 材料 及 配合 比 试验 中所 用 水 泥 为 P05 2 . 5级 乌 蒙 山水 泥 , 粉煤灰 F A 为 Ⅱ级粉煤灰 , 其 化学组 成见表 1 ; 碎 石 为 5 ~ 1 0 mm 和 1 O ~ 2 0 mm 两 种 粒 径 高 品 质 碎 石 ; 砂 为石 灰 岩质 机制 砂 , 其 石 粉含 量 为 l 1 . 5 % 质 量分 数 ; 混凝 土外 加剂 选 用 固含量 为 2 4 . 7 % 质 量 分数 的马贝聚羧酸减水剂 , 减水率为 2 8 质量分 数 . 2种强度等级混凝土的配合比见表 2 . 表 1 水 泥和 粉煤灰 的化 学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s b y ma s s o f c e me n t a n d F A % 1 . 2试 验 方 法 采用热孔计法测试了 3 , 2 8 , 9 0 d龄期下普通混 凝土 P C 和高强混凝 土 HC 孔结构 特征及 其变 化 , 并 与压 汞法 、 氮 吸 附法 的测 试 结 果 进 行 了 比较 , 进一步分析了混凝土微孔结构及孔隙率与其宏观力 学 性 能 的关系 . 将 硬化 水 泥基 材 料制 成 薄 片 状 , 取 约 3 0 mg置 于 7 O℃下 干燥 6 h , 随后放 入 去离 子水 中真 空饱 和 . 将制好 的饱和样 品放人坩埚 , 在其表面滴加煤油 , 密 封坩埚 , 采用 D S C Q1 0 0示差扫描量热仪进行试验 , 速率 为 1℃/ mi n , 温度 为 一4 0 ~0℃. 2结果与讨论 2 . 1 抗压 强 度 、 弹 性模 量 与龄期 关 系 2 种 混凝 土 的抗压 强 度 和 弹性 模 量 试 验结 果 见 表 3 . 随龄期增加 , 不同强度等级混凝土的抗压强度 和弹性 模 量逐 渐 增 大. 相 比 HC, P C后 期 抗 压 强 度 和弹性 模 量增 加更 为 明显 , 这 主要 是 因为 粉煤 灰 的 掺入 改善 了混凝 土 后期 的力 学性 能. 表 3 P C与 HC的抗压强度和弹性模量 Ta b l e 3 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s t a t i c mo du l u s o f e l a s t i c i t y o f HC a n d PC Cu r i n g a g e / d C o mp r e s s i v e s t r e n g t h / MP a E l a s t i c mo d u l u s 1 0 一 / MP a 2 . 2孔 隙率 与龄期 关 系 图 1为 2种 强 度 等 级 混 凝 土 在 3 , 2 8 , 9 0 d时 1 0 0 n m 以下孔 径 中孔 溶 液 体积 的变 化 趋 势. 从 图 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 6 卷 可见 , 随着龄期 的增 长 , 2种样 品单位 质 量 的结 冰 量 逐渐 降低. 即随着 龄期 的增 长 , 混凝 土 中的微 孔孔 隙 率不 断减小 . 而且 , P C从 2 8 d到 9 0 d龄期 的冰体 积 变化量 远 大于从 3 d到 2 8 d龄 期 的冰体 积变 化 量 , 这可 以用 粉 煤 灰 后 期 的火 山灰 二 次 反 应 机 理 来 解 释. 在 同一龄 期 下 , 强度 等 级越 高 , 单 位样 品 质量 的 微E L E L 隙率 越小 . 但是 , 图 1 并 不能很 好解 释强 度 和 弹性 模 量 的增 长 , 因 为 HC 的抗 压 强 度从 2 8 d到 9 0 d 并 没有太 大变 化 , 而所 对应 的冰 体 积 量 却 发 生 了显著变化 . 曼 重 呈 图 i 普通 与高强混凝土 中不 同龄期下孔隙率的变化 Fi g .1 Ph a s e t r an s i t i o n t r e nd o f di f f e r e nt s t r e ngt h gr a de s c o nc r e t e a t d i f f e r e n t c ur i n g a ge s 2 . 3孔 径分 布与 龄期关 系 2 . 3 . 1 孔径 范 围 图 2为压 汞 法 测 得 的 2 8 d龄 期 2种 混 凝 土 的 孑 L 径 分 布. 由图 2可见 , 孔 径分 布主 要集 中在直 径 小 于 1 0 0 n m 的孔 径范 围内 , 而直 径 为 1 0 0 n m 以上 的 孔 体积 非常 小. 图 2 2 8 d龄期 2 种混凝土用压汞法所测得的孔径分布 Fi g. 2 Po r e s i z e di s t r i bu t i on c ur ve s of PC an d HC wi t h c ur i ng a ge o f 28 d by M I P 2 . 3 . 2 不 同测试 方法 的 比较 不 同测孑 L 方 法测 定 的 2 8 d龄期 2种 混 凝 土 的 孔 径分 布见 图 3 . 从 图 3 a , b 可见 , 3种 方法 所 测 得 的孔 径 分 布有所 不 同 , 但总 体上看 , 氮 吸附 与热孔计 法 的测 试 结 果更 为 接 近. 值 得 注 意 的 是 , 用 压 汞 法 所 测 得 的 P C在 直径 小于 1 0 0 n m 孔 径范 围 内的孔径分 布 比例 小于 HC的孔径分 布 的 比例 ; 而氮 吸附结果 则相 反 , 随着 强度 的增 加 , 孔 径 分 布 的 比例 减小 . 相 比之 下 , 氮吸 附结果 更符 合 常理 . 造成 此 差 异 的原 因可 能是 由于 汞只能 进入较 大孔 内 , 不 能 完全 进 入 5 0 n m 以 下 的微 孔 内部 , 导 致所 获得 的孔 信息 不理想 . 从 图 3 a , b 还 可 以看 出, 热 孔 计 法所 测 得 的 孔径 分布 与氮 吸 附测 得 的结 果 很接 近 , 这 也 从 不 同 龄期 下 P C与 HC孔径 分 布 的演 变 趋 势 见 图 4 看 出. 由于氮 吸附更 适合测 微孔 结构 , 因此可 以认 为 热 孔计 法 在 测 微 孔 结 构 时 具 有 有 效 性 . 相 比 压 汞 法 图 3 c , 热孔计法的测试结果更能表征水泥基材 料 中直径小 于 1 0 0 n m 孔径 范 围的孑 L 结 构变化 情况 . 2 . 3 . 3孔径 分 布随龄期 的变 化 由图 4可见 , 不 同强度等 级 的混 凝土 , 随着 龄 期 的增 加 , 用 热孔 计 法所 测 得 的孔 径 分 布变 化 规 律 基 本相 似. 对 于 同一 龄期 的 2种 混凝 土 , HC在 各 孔 径 处的孔体积均小于 P C, 尤其是在直径大于 2 O n m的 孔径 范 围内 , 强度 越高 , 孔体积 越小 . 对于 HC, 与 2 8 d龄 期 的孔 径 分 布相 比 , 3 d龄 期在 直径 大于 2 0 n m 的孔 径 比例更 大 , 随着 进 一 步 的水 化 , 这 种 孔 大 多被 水 化 产 物 填 充 , 变 成 更 细 的 孔. 因此 , 在 2 8 d龄期 时 , 直 径大 于 2 O n m 的孔 明显 减少 , 直径 小 于 2 0 n m 的孔 则 明显增多 . 当龄 期到 达 9 0 d时 , 直径 小 于 2 0 n m 的孔 径分 布 明显 低 于 2 8 d 龄期 的 比例 . 对于 P C, 其 3 d和 2 8 d龄期 之 间的孔径 分布 变 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 4 8 建筑材料学报 第 1 6卷 参 考文 献 [1 ] [2] [3 ] [4] [5] [6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 1 0 ] I ANDRY M R.The r mo p o r o me t r y b y d i f f e r e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i me t r y Ex p e r i me n t a l c o n s i d e r a t i o n s a n d a p p l i c a t i o n s [ J ] . Th e r moc h i mi c a Ae t a , 2 0 0 5, 4 3 3 1 2 2 7 - 5 0 . 林晓芬 , 张军弘, 尹艳 山, 等. 氮吸附法和压汞法测量生物质焦 孔隙结构的比较[ J ] . 碳 素, 2 0 0 9 3 3 4 4 1 . LI N Xi a o f e n, ZHANG J u n h o n g, YI N Ya n s h a n, e t a 1 . S t u d y o n p o r o s i t y o f b i o ma s s c h a r s by n i t r o g e n a d s or p t i o n me t h o d a n d me r c u r y p o r o s i me t e r [ J ] . C a r b o n , 2 0 0 9 3 3 4 4 1 . i n C h i ne s e . SI NG K. Th e u s e o f n i t r o g e n a d s o r p t i o n f o r t h e c h a r a c t e r i s a t i o n o f p o r o u s ma t e r i a l s [ J ] . C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A P h y s i c o c h e mi c a l a n d En g i n e e r i n g As p e c t s , 2 0 0 1, 1 8 7 1 8 8 3 - 9 . DI AM OND S . M e r c u r y p o r o s im e t r y -- An i n a p pr o pr i a t e me t h o d f o r me a s ur e me n t o f p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n s i n c e m e n t b a s e d ma t e r i a l s [ J ] . C e m Co n c r R e s , 2 0 0 0 , 3 0 1 0 1 5 1 7 - 1 5 2 5 . CHATTERJ I S . A d i s c u s s i o n o f t h e p a p e r“ Me r c u r y po r o s i m e t r y a n i n a p p r o p r i a t e me t ho d f o r me a s u r e m e n t o f p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n s i n c e me n t b a s e d ma t e r ia l s ”b y S Di a mo n d [ J ] . Ce m Co n c r Ra s, 2 0 01 , 31 11 1 6 5 7 1 6 5 8 . S CHERER G W , S M I TH D M , S TEI N D. De f o r m a t i o n o f a e r o g e l s d u r i n g c h a r a c t e r i z a t i o n[ J ] . J o u r n a l o f N o n - c r y s t a l l i n e S o l i d s, 1 9 9 5 , 1 8 6 3 0 9 3 1 5 . PETROV O V, FUR6 I .NM R c r y o p o r o me t r y Pr i n c i p l e s , a p p l ic a t i o n s a n d p o t e n t i a l [ J ] .P r o g r e s s in Nu c l e a r Ma g n e t i c Re s o n a n c e S p e c t r o s c o p y, 2 0 09, 5 4 2 9 7 1 2 2 . K0RB J P.NMR a n d n u c l e a r s p i n r e l a x a t ion o f c e me n t a n d c o n c r e t e ma t e r i a l s [ J ] . Cu r r e n t Op i n i o n in C o l l o i d 8 L I n t e r f a c e S c i e n c e , 2 0 0 9, 1 4 3 1 9 2 - 2 0 2 . VAL0RI A , R0DI N V 。 M c DONALD P J . On t h e i n t e r p r e t a t i o n o f 1 H 2 - d i me n s i o n a l NMR r e l a x a t i o n e x c ha n ge s pe c t i- a i n c e me n t s I s t h e r e e x c ha n ge b e t we e n p o r e s wi t h t wo c h a r a c t e r i s t i c s i z e s o r F e 抖c o n c e n t r a t i 0 n s [ J ] . C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h, 2 0 1 0, 4 0 9 1 3 7 5 1 3 7 7 . HAY J N, LAI TY P R. Obs e r v a t i o ns o f wa t e r mi g r a t i o n d u r i n g t h e r mo p o r o me t r y s t u d i e s o f c e l l u l o s e f i l ms [ J ] . P o l y me r , 2 0 0 0, 4 1 1 6 6 1 7 卜 6 1 8 O . r ]FATHI MA N. N, KUM AR M P, RAO J R, e t a 1 . A DS C i n v e s t i g a t i o n o n t he c h a n g e s i n p o r e s t r u c t u r e o f s k i n d u r i n g l e a t h e r p r o c e s s i n g [ J ] . T h e r mo c h i mi c a Ac t a ,2 0 1 0 ,5 0 1 9 8 一 l 0 2 . [ 1 2 ] S UN Z H, S CHE R E R G W. P o r e s i z e a n d s h a p e i n mo r t a r b y t h e r mo p o r o me t r y [ J ] . C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h , 2 0 1 0 , 4 0 5 7 4 O 一 7 51 . r 1 3 ]BRUN M , LALLEM AND A,QUI NSON J F, e t a 1 .A ne w m e t h o d f o r t h e s i m u l t a n e o u s de t e r mi n a t i o n o f t h e s i z e a n d t he s h a p e o f p o r e s Th e t h e r mo p o r o me t r y [ J ] . Th e r mo c h i mi c a Ac t a , 1 9 7 7, 2 1 1 59 - 8 8 . r 1 4 ] I S HI KI R1 YAMA K, T0D0KI M , M0T0MURA K. P o r e s iz e d i s t r i b u t i o n PSD me a s u r e me n t s o f s i l i c a g e l s by me a n s o f d i f f e r e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i me t r y [ J ] . J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e r f a c e S c i e n c e , 1 9 9 5, 1 7 1 1 9 2 1 0 2 . [ 1 5 ] 蒋正武 , 邓子龙 , 张楠. 热孔 计法表征水泥 基材料孔结 构[ J ] . 硅酸盐学报 , 2 O 1 2 , 4 0 8 1 0 8 1 1 0 8 7 . J I ANG Zh e n g wu, DENG Zi l o n g, ZHANG Na n . Po r e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l b y t h e r m o p o r o me t r y J ] . J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y , 2 0 1 2 , 4 0 8 1 O 8 1 1 O 8 7 . i n Ch i n e s e . [ 1 6 ] 蒋正武 , 张楠 , 杨正宏. 热孔计 法表征水泥基 材料孔结构 的热 力学计算模型[ 刀. 硅酸盐学报 , 2 0 1 2 , 4 0 2 1 9 4 1 9 9 . J I ANG Zh e n g wu, ZHANG Na n, YANG Zh e n g h o n g .Th e r m o d y na mi c c a l c u l a t i o n a l mo d e l f o r p o r e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l b y t h e r mo p o r o me t r y[ J ] . J o u r n a l o f t he Chine s e Ce r a mi c S o c i e t y, 2 0 1 2, 4 0 2 l 9 4 1 9 9 . i n Ch i ne s e 口7 ] 何俊辉. 道路水泥混凝 土微 观结构 与性能研 究[ D] . 西安 长 安 大 学 , 2 0 0 9 . HE J u n h u i .S t u d y on mi c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f r o a d c e me n t c o n c r e t e [ D] . X i ’ a n C h a n g ’ a n Un i v e r s i t y , 2 0 0 9 . i n Ch i n e s e . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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