人工砂混凝土微觀結構的試驗研究

郭 煜，魏 亮，王宇鵬，劉 坤

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

1 工程概況

出于對自然資源的保護，人工砂替代天然砂充當細骨料在建筑工程中已成趨勢。人工砂中石粉構成了人工砂的微細級配，是其重要的組成部分，人工砂中適量的石粉可改善細集料級配，并能起到潤滑、填充細集料空隙等作用，從而能改善混凝土性能[1]。同時石粉含量影響混凝土的水化產物、微觀形貌特征及孔結構特性。本文開展了不同石粉含量混凝土微觀結構的研究，以期確定石粉含量對混凝土水化產物、微觀形貌特征及孔結構特性的影響。

2 試驗研究

為保證試驗結果的可比性，試驗中各試樣水膠比均為0.37。按表1所列配合比制備S6、S15、S18、S30四種配比的混凝土試件，尺寸為150mm的立方體。養護至28d齡期時，用利器將試件劈開，在其中心部位取粒徑10mm以下的顆粒若干，仔細地剔除含有較多集料的顆粒，用無水酒精浸泡試樣2d，以防止試樣繼續水化。此后，將各水化樣在60℃溫度下烘至恒重，并挑選約3~5mm的顆粒用作SEM（掃描電鏡）及壓汞測試試樣，用電磁制樣粉碎機將其他較小顆粒磨粉至全部樣品通過0.08mm篩。為防止該粉體待測樣吸濕和碳化，待測樣制備好后應立即放入密封容器中保存，供XRD、綜合熱分析、IR測試分析用。

表1 微觀測試混凝土配合比

3 結果及分析

3.1 X射線衍射試驗結果及分析

不同的晶體物質的晶體結構參數各異，其X射線衍射峰對應的角度不同[2]，因此可以通過X射線衍射峰的位置區分不同的晶體物質，X射線衍射峰的強度與物相的相對含量之間存在正相關關系。X射線衍射檢測能夠分析混凝土水化產物中的晶體成分及相對含量。圖1給出了石粉含量分別為6%、15%、18%、30%的混凝土在齡期為28d的水化樣XRD圖。從圖1中可以看出，由石粉含量為6%增大到30%時，混凝土水化樣的C3S特征衍射峰強度逐漸降低，而鈣礬石（AFt）和Ca（OH）2特征峰的強度逐漸增大，這是因為石粉微粒可以加速水化產物晶體的析出，一定程度上提高了體系的水化反應速率，加速C3S的消耗，使體系中AFt和Ca（OH）2的相對含量增大。

圖1 不同石粉含量混凝土X射線衍射圖譜

3.2 紅外光譜試驗結果及分析

不同物質對紅外射線的吸收波長不同，紅外光譜分析利用了吸收譜帶的寬度和峰值處波數來確定混凝土的物相成分以及相對含量。圖2給出了石粉含量分別為6%、15%、18%、30%的混凝土在齡期為28d的水化樣IR圖。圖2中能夠觀測到波數為1433cm-1、2521cm-1、3447cm-1和3643cm-1的吸收帶譜[3]，其中波數3447cm-1、3643cm-1對應鈣礬石（AFt）、C-S-H等水化產物的吸收譜帶，波數1433cm-1對應CaCO3的吸收帶譜。當石粉含量從6%增大到30%時，試樣的鈣礬石（AFt）、C-S-H吸收譜帶的透過率增大，與X射線衍射的結論相同，石粉含量增大使體系中的水化產物相對數量增多。

圖2 不同石粉含量混凝土紅外光譜

3.3 綜合熱分析試驗結果及分析

在混凝土的綜合熱分析中，利用體系中各種物質分解溫度區間的不同分析DSC曲線可以確定混凝土的物相成分[4]，再通過對應溫度區間的質量變化曲線（TG曲線）可以得到相應物質的相對含量。圖3顯示了不同石粉含量混凝土在28d齡期的熱分析曲線，其中DSC曲線中450℃左右對應的是水化產物Ca（OH）2脫去結構水的吸熱峰；810℃左右伴隨明顯質量減少的吸熱峰是因為CaCO3在800℃的吸熱分解。各峰值溫度下Ca（OH）2和CaCO3的失重量見表2。由表2的分析結果可知，水化產物Ca（OH）2的失重量總體上隨石粉含量的增加而增加，說明石粉含量的增大加速了混凝土體系的水化反應[5]，石粉具有一定的活性，能夠促進并參與體系的水化反應，使體系中水化產物數量增多[6]。

圖3 不同石粉含量混凝土綜合熱分析曲線

表2 不同石粉含量混凝土綜合熱分析結果

3.4 SEM（掃描電鏡）試驗結果及分析

圖4顯示了不同石粉含量混凝土在28d齡期的水化樣的SEM圖，圖4中能觀察到大量的膠凝類物質，在石粉含量15%，齡期28d的SEM圖中，能夠觀察到針棒狀的水化產物鈣礬石（AFt）；石粉含量28%，齡期28d的SEM圖中，外表光滑的粉煤灰顆粒被水化凝膠產物緊密包裹[7]。可以看出，石粉含量較高時，其內部結構更為致密。這說明了隨石粉含量的增多，使得硬化體微觀結構的密實程度增加。由于石粉的加入，一方面部分石粉微粒具備活性，可以促進混凝土的水化反應，使得硬化體中的凝膠類產物數量增多；另一方面，石粉顆粒在混凝土中能夠發揮微細集料的填充效應，有效的改善混凝土多孔結構[8]，使得整個硬化體的微觀機構致密程度增加。

圖4 不同石粉含量混凝土水化樣的微觀形貌

3.5 壓汞試驗結果及分析

從表3能夠觀察到，人工砂水工混凝土的孔隙率、平均孔徑、總孔面積以及總孔體積因石粉含量的增大，出現減小的規律。石粉含量30%的人工砂混凝土的孔隙率和平均孔徑分別為石粉含量6%人工砂混凝土的0.78和0.85倍。人工砂混凝土的總孔體積及總孔面積隨石粉的變化趨勢與孔隙率和平均孔徑隨石粉變化趨勢類似，石粉含量30%的人工砂混凝土的總孔體積和總孔面積分別為石粉含量6%人工砂混凝土的0.74和0.63倍。由此可知，增大石粉含量能夠提高混凝土的密實程度，細化內部孔結構，使得混凝土的孔隙率、平均孔徑、總孔面積以及總孔體積均有所減小。

表3 不同石粉含量混凝土孔結構參數

混凝土中的孔按對混凝土性能影響分為四個等級：無害孔（＜20nm）、少害孔（20~100nm）、有害孔（100~200nm）和多害孔（＞200nm）[9]。表4的數據得出以下孔徑分布規律：隨石粉含量的增大，混凝土內部＜20nm孔的占比有所增加，＞100nm的孔占比逐漸減小。這說明一定量的石粉能夠增加混凝土無害孔和少害孔的占比，減小有害孔和多害孔的占比。

表4 不同石粉含量混凝土試樣的孔徑分布

4 結語

（1）XRD、IR和綜合熱分析的分析結果：石粉能夠參與并促進混凝土的水化反應，誘使C3S等熟料迅速消耗，使體系中鈣礬石（AFt）和Ca（OH）2等水化產物的相對含量增多。

（2）SEM的分析結果：石粉微粒可以誘導水化產物在石粉外表析出晶體，使得水化產物的質量分數增大。隨石粉含量的增大，未參與水化反應的石粉微粒在混凝土中起微細集料的填充效應，水化樣內部結構的致密程度提高。

（3）壓汞測試分析結果：混凝土的孔隙率、平均孔徑、總孔面積及總孔體積隨石粉含量的增大而減小。