高石粉含量的水工混凝土水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)研究

李樹國

(盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124000)

1 研究方法

1.1 原材料性能

1)水泥。對于大體積水工構(gòu)筑物，混凝土配制時應盡可能使用低水化熱、質(zhì)量好的水泥，有效防止早期水化熱聚集可能引起的開裂問題[1-2]。本試驗選用渾河P·MH 42.5級中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測各項性能指標均符合標準要求，水泥物理力學性能，見表1。

表1 水泥物理力學性能

2)粉煤灰。以高質(zhì)量粉煤灰等量替代水泥不僅可以保證后期強度，還有利于減緩水化反應速度，有效改善混凝土抗裂性[3]。本試驗采用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰作為礦物摻合料，經(jīng)檢測各性能指標符合Ⅰ級標準要求，粉煤灰性能指標，見表2。

表2 粉煤灰性能指標

3)粗、細集料。試驗選用粒徑5～20mm和20～40mm兩種級配碎石，石粉含量忽略不計，含泥量<1.0%，泥塊含量<0.5%，針片狀含量<8%，經(jīng)檢測各項性能指標均符合標準要求，粗骨料基本性能，見表3。

表3 粗骨料基本性能

細集料選用灰?guī)r人工砂，原配中石粉含量約17%，通過人工添加或者水洗的方式配制14%、17%、20%、22%、24%、27%、30%石粉含量的人工砂，人工砂物理性能，見表4。

表4 人工砂物理性能

4)外加劑。采用粉煤灰等量替代水泥時，摻入適量減水劑可以有效減少泌水離析以及膠凝材料用量，改善混凝土流動性及和易性[4-6]。因此，本試驗選用蘇博特GYQ-Ⅲ型高效引氣劑和XK-540P型聚羧酸減水劑，這兩種外加劑技術(shù)成熟且質(zhì)量穩(wěn)定，已被廣泛應用于水利工程領(lǐng)域，經(jīng)檢測兩種外加劑性能均符合標準要求，摻外加劑性能指標，見表5。

表5 摻外加劑性能指標

1.2 配合比設(shè)計

試驗過程中保持外加劑摻量和混凝土砂率不變，設(shè)計0.36、0.45兩種水膠比和14%～30%七種石粉含量的灰?guī)r人工砂，試驗配合比，見表6。按表6中的配合比制備300mm×150mm×150mm混凝土試樣。干縮試驗時，先將金屬測頭埋設(shè)于試件兩端，采用《水工混凝土試驗規(guī)程》推薦的方法和HSP-540型收縮膨脹儀測長，從而確定各組試件的收縮率。

表6 試驗配合比

續(xù)表6 試驗配合比

1.3 試驗方法

試驗采用S2-1、S4-1、S2-2、S4-2四組混凝土試樣進行微觀試驗，即水膠比0.36和0.45，石粉含量為17%和22%。混凝土的配制過程主要有原材料稱量、投料攪拌、時間控制等，首先，依據(jù)設(shè)計配合比精準稱量原材料；然后，按粗細集料→凝膠材料→水與外加劑混合液的順序依次投料，攪拌均勻后將拌合物倒出，分層裝入模具并機械振搗密實，在室內(nèi)靜置24h后脫模并放入標養(yǎng)室養(yǎng)護7d、28d、90d；最后，將養(yǎng)護至不同齡期的試樣取出劈開，在中心處取出5mm的立方體芯樣，剔除集料較多的顆粒后浸入無水乙醇48h，其主要作用是終止水化[7]。

本試驗利用掃描電子顯微鏡對其中的一小部分進行觀測，并利用電磁制樣粉碎機將剩余部分試樣磨細，過0.08mm篩。為防止粉樣碳化或吸濕，把磨細后的試樣立即放置干燥容器密封，以備紅外光譜測試和X射線衍射使用。

2 結(jié)果分析

2.1 混凝土干縮特征

不同石粉含量、不同水膠比的水工混凝土干縮特性，混凝土干縮率變化曲線，見圖1。試驗表明，混凝土干縮率隨石粉含量的增加整體表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，24%石粉含量組干縮率最高。這是因為石粉含量<24%條件下，在水化過程中石粉發(fā)揮活性效應與C3A反應生成碳鋁酸鹽；此外，未參與水化的石粉發(fā)揮微集料填充效應，提高了混凝土內(nèi)部的毛細管力，有效降低了內(nèi)部平均孔徑，因此干縮率逐漸提高。石粉摻量>24%情況下，過量的石粉會大大降低混凝土密實度，從而提高平均孔徑，干燥失水時混凝土表現(xiàn)出毛細管力和干縮率下降的特征。相同水膠比時，隨石粉含量的增大水泥漿總量逐漸提高，混凝土干縮受水泥漿總量的影響也較為顯著[8-9]。

(a)水膠比0.36 (b)水膠比0.45

2.2 混凝土微觀結(jié)構(gòu)

1)紅外光譜。采用紅外光譜激發(fā)17%、22%石粉含量和0.36、0.45水膠比試樣，結(jié)果顯示在紅外圖譜中各組試樣吸收譜帶的強度均隨著水化齡期的增加而增大，這是由于水化時間越長則C-S-H凝膠、鈣礬石等水化產(chǎn)物含量就越高，所以吸收譜帶強度越越高[10]。

2)X射線衍射。采用X射線衍射17%、22%石粉含量和0.36、0.45水膠比試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物中有未水化的C3S、C2S、鈣礬石以及氫氧化鈣等物質(zhì)。養(yǎng)護齡期為7d時，混凝土試樣出現(xiàn)清晰的C3S衍射蜂，養(yǎng)護齡期達到90d時未發(fā)現(xiàn)明顯衍射峰，隨養(yǎng)護齡期延長水化程度不斷提高，從而消耗了大量的熟料礦物[11]。同時，20%石粉含量試樣的C3S衍射峰要比同期15%含量小，氫氧化鈣和鈣礬石強度也較高，這是因為石粉的活性效應加速了水化反應，從而使得氫氧化鈣和鈣礬石數(shù)量明顯增加。

3)掃描電子顯微鏡。。采用電子顯微鏡掃描17%、22%石粉含量和0.36、0.45水膠比試樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子顯微鏡掃描的不同配比試樣均發(fā)現(xiàn)有凝膠類物質(zhì)。養(yǎng)護齡期為7d時，電子顯微鏡掃描的試樣表面較為光滑，由此表明粉煤灰未參與水化，早期水化過程中石粉的活性效應顯著，通過在表面形成結(jié)晶可促進水化反應；隨著養(yǎng)護齡期的延長，水化產(chǎn)物不斷增多，凝膠會包裹少部分未水化的顆粒[12-15]。另外，同齡期同一水膠比試樣的電子顯微鏡掃描圖顯示，相比于17%石粉含量的試樣22%含量的試樣更加密實，即22%石粉含量的混凝土具有更高的密實度。

3 結(jié) 論

1)混凝土干縮率隨石粉含量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，24%石粉含量的混凝土試樣干縮率最大。

2)石粉含量<24%條件下，在水化過程中石粉發(fā)揮活性效應與C3A反應生成碳鋁酸鹽；未參與水化的石粉發(fā)揮微集料填充效應，提高了混凝土內(nèi)部的毛細管力，有效降低了內(nèi)部平均孔徑，因此干縮率逐漸提高。

3)混凝土吸收譜帶的強度均隨著水化齡期的增加而增大，這是由于水化時間越長則C-S-H凝膠、鈣礬石等水化產(chǎn)物含量就越高，所以吸收譜帶強度越越高。隨著齡期的延長，石粉的活性效應加速了水化反應，從而使得氫氧化鈣和鈣礬石數(shù)量明顯增加。此外，水工混凝土對防裂性及穩(wěn)定性等要求較高，在混凝土配制過程中所使用的人工砂石粉含量最高≥24%。