淺析活性粉末材料對混凝土性能的影響

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摘要：隨著近年來對材料特性認識的不斷深入和設計經驗的積累，活性粉末混凝土配合比設計、養護制度以及力學性能等相關研究已經相對完善，耐久性研究工作正在開展。與其他材料相同，混凝土材料也具有由其組成及結構決定的某種特性。活性粉末混凝土是由多種不同的原材料經過配合比設計、成型、養護等工序配制而成的，它的各項宏觀性能與材料的微觀結構和構成等特性也是緊密相關的。因此，研究和掌握活性粉末混凝土內部微結構發展變化的規律，對活性粉末混凝土各項性能進行機理分析，能夠為活性粉末混凝土的工程應用提供理論基礎。

關鍵詞：活性粉末；混凝土；研究方向

前言

混凝土材料的微觀結構主要指骨料相、水泥石的微結構以及混凝土內的孔隙結構，而由于骨料在混凝土內基本無變化，因此，對混凝土材料微觀結構的研究主要集中在水泥石的微結構以及混凝土內的孔隙結構，對水泥石微結構的研究可分為微觀形貌、晶體結構、物相組成等方面。目前，國內外學者對普通混凝土的微觀結構進行了比較深入的研究。

1.活性粉末混凝土微觀研究主要方法

材料的宏觀特性是由其微觀性質決定的，混凝土材料的微觀研究為其宏觀性能的機理分析提供了理論依據。目前活性粉末混凝土的微觀研究方法主要有：（1）采用壓汞法（MIP）、氣體吸附法（BET）以及核磁共振法（NMR）測定孔結構；（2）利用掃描電子顯微鏡（SEM）、環境掃描電鏡（ESEM）觀察其微觀形貌；（3）使用X射線能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）、熱重分（TGA）等測試手段對活性粉末混凝土進行成分分析。

2.活性粉末混凝土孔結構分析

混凝土的孔結構嚴重影響著混凝土的抗壓強度、抗拉強度等力學性能以及抗凍性、抗滲性等耐久性能萬。現有研究認為：混凝土中的孔隙可分為對耐久性有利孔和不利孔，其中對耐久性最有利的孔隙是半徑為0.1nm

表1 不同水泥用量的大摻量礦物活性粉末混凝土孔結構

水泥用量/（kg/m3）200300400

平均孔徑/nm9.311.613.3

孔隙率/%5.234.985.11

Marcel Cheyrezy等研究了養護條件對活性粉末混凝土孔徑在3.75～100nm之間累計隙率的影響，其中累計孔隙率以試件體積的百分比形式表示。結果表明，活性粉末混凝土的累計孔隙率低于9%，而熱養護顯著地降低了活性粉末混凝土的孔隙率。熱壓養護溫度在150～200℃時活性粉末混凝土的孔隙度最小。

Nguyen Van Tuan等研究了摻量為20%的谷殼灰（RHA）或硅粉（SF）活性粉末混凝土1d、7d、28d以及91d齡期的孔徑分布和孔隙率，并以不摻兩種活性物質的活性粉末混凝土作為對照組（REF）。實驗結果表明，兩種活性摻合料都能顯著地改善活性粉末混凝土的孔結構，只是SF對孔徑分布和孔隙率的改善作用更強一些。這主要是因為：（1）兩種化學組成相似的極細顆粒所產生的填充效應以及火山灰效應使得這兩種活性粉末混凝土具有比REF組更小的孔徑以及更低的孔隙率；（2）由于平均粒徑為0.1～0.15μm的SF比平均粒徑為5.6μm的RHA小得多，因而SF的填充效應和火山灰效應比RHA要好。氣體吸附法在活性粉末混凝土孔結構研究中的應用較少，國內幾乎沒有利用此法研究活性粉末混凝土孔結構的文獻。也有少量學者運用核磁共振法研究活性粉末混凝土的孔結構。活性粉末混凝土的多孔性主要是由一定閾值以內的孔組成的。

上述研究均表明活性粉末混凝土的孔隙率極低，這主要是因為活性粉末混凝土中摻入了大量的活性摻合料，而高溫蒸壓養護則能促進活性摻合料的火山灰反應，進一步改善活性粉末混凝土的孔結構。另一方面，活性粉末混凝土材料比普通混凝土材料更加致密，而現有活性粉末混凝土孔結構的測試方法都具有一定的局限性。為此，有關活性粉末混凝土孔結構的測試方法還有待進一步研究。

3.活性粉末混凝土的微觀形貌分析

研究活性粉末混凝土微觀結構變化最直觀的方法就是觀察其微觀形貌。觀察活性粉末混凝土微觀形貌最常用的測試手段是SEM和ESEM。SEM是直接利用樣品表面材料的性能進行微觀成像，其放大倍數可達20萬倍，測試時需要對樣品進行干燥、導電等一系列處理并在真空下進行觀察；使用ESEM進行微觀形貌觀察時，樣品無需特別制備，在低真空狀態下就可以對樣品進行觀察。利用SEM對摻入鋼纖維、PP（聚丙烯）纖維的活性粉末混凝土在經歷不同高溫后的力學特性進行了初步分析（圖1）。結果表明：（1）當溫度低于200℃時，基體結構較為密實，當溫度在200～800℃之間時，基體密實度隨著溫度的升高而降低；（2）鋼纖維與基體的粘結處裂紋隨溫度的升高而逐漸增大；（3）溫度低于165℃時，PP纖維在基體內呈亂向分布狀態，并與基體粘結緊密，界面區完整密實；當溫度達到165℃以上時 PP纖維熔化使基體內形成大量孔道。

鞠楊等在“單根纖維效應”的理論基礎上研究了活性粉末混凝土的纖維粘結破壞機理，采用8字型的200MPa級活性粉末混凝土試件，并利用SEM觀察了不同鋼纖維摻量下8字型試件中單根鋼纖維被拔出時的細觀表面形貌。分析結果表明，鋼纖維從活性粉末混凝土基體中拔出時表面粘結的碎屑數量和分布隨活性粉末混凝土基體中鋼纖維摻量的變化情況與宏觀試驗結果十分吻合。

通過對短切碳纖維活性粉末混凝土的受壓力學性能研究，并利用ESEM觀察活性粉末混凝土破壞時碳纖維的3種破壞形態（剪斷、拔出、拔斷）。其中拔出和拔斷都發揮了碳纖維的高抗拉強度，證明了碳纖維的摻入對活性粉末混凝土能夠起到增強作用。對不同養護制度下（表2）的活性粉末混凝土抗壓強度結果進行分析，并分別利用SEM，ESEM觀察不同養護制度下活性粉末混凝土的微觀形貌。結果表明：（1）標準養護下，活性粉末混凝土抗壓強度最低，28d齡期時微觀圖中仍然可以觀察到硅灰顆粒的存在；（2）熱水養護方式對活性粉末混凝土的早期強度影響較大，對28d強度幾乎無影響，且微觀圖像中觀察到的C-S-H凝膠呈彼此獨立的紡錘狀；（3）高溫養護和蒸汽養護對活性粉末混凝土任何齡期強度發展的促進作用均要優于熱水養護，但高溫養護的后期強度下降明顯，而蒸汽養護則呈緩慢增長態勢，從微觀圖像中可以觀察到這兩種養護方式下的C-S-H凝膠分別為相互交錯的網狀和片狀。

表2 試件的養護制度和強度

名稱養護制度

標準養護——

熱水養護標準養護 48h+90℃熱水養護96h+標準養護

標準養護 72h+90℃熱水養護72h+標準養護

標準養護 96h+90℃熱水養護48h+標準養護

90℃熱水養護48h+標準養護

高溫養護標準養護 96h+90℃熱水養護48h+200℃干熱養護12h

蒸汽養護標準養護 96h+200℃蒸汽養護16h+常溫養護

4.目前研究存在的問題及進一步的研究方向