蘇力輝

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院試驗(yàn)檢測(cè)室)

1 引言

粉煤灰替代水泥摻入到混凝土中，不僅可以提高固體廢棄物的資源化利用率，還可以減少水泥水化放熱量，改善混凝土力學(xué)及耐久性能，具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)雙重效益。然而，限于過(guò)去測(cè)試手段和傳統(tǒng)觀念的局限性，對(duì)水泥基材料低尺度下，水化漿體主要產(chǎn)物C-S-H的組成、結(jié)構(gòu)、表面形貌及微觀力學(xué)特性、水泥-粉煤灰材料體系中微結(jié)構(gòu)形成和劣化過(guò)程中粉煤灰臨界摻量以及水泥基材料宏觀性能與微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)間的內(nèi)在聯(lián)系上還沒(méi)有系統(tǒng)的研究，對(duì)這些問(wèn)題的深入解析，對(duì)水泥基材料的研究、工程應(yīng)用以及高值化利用粉煤灰均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)不同摻量粉煤灰水泥基材料微結(jié)構(gòu)形成和水化過(guò)程中的微觀性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并最終確定粉煤灰-水泥體系中粉煤灰的作用，文中粉煤灰均以FA表示。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)篩，攪拌機(jī)(行星式攪拌機(jī)，符合《行星式水泥膠砂攪拌機(jī)》JC/T 681要求)，試模(由三個(gè)水平的槽模組成，可同時(shí)成型三條40 mm×40 mm×160 mm的棱形試件)。試驗(yàn)采用JSM-6510A/JSM-6510LA掃描電子顯微鏡。

3 實(shí)驗(yàn)方法

按照實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)配合比制作40 mm×40 mm×160 mm的試件，試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下分別養(yǎng)護(hù)14 d，然后放置在微觀電子顯微鏡下進(jìn)行掃描并采集圖像，主要觀察水泥的水化產(chǎn)物。

表1 實(shí)驗(yàn)室配合比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

可以看出無(wú)任何外加劑的水泥在14 d的時(shí)候水化并不完全，表面有較多的孔隙和裂縫，在水化物中存在少量的排列較為疏松的Ca(OH)2，砂漿表面可以觀察到一點(diǎn)點(diǎn)針狀或刺狀的CSH。此時(shí)混凝土收縮收到阻礙，很容易產(chǎn)生裂縫。

在摻有10%粉煤灰的式樣的微觀圖像中，可以看見(jiàn)少量的球形的粉煤灰顆粒分布在砂漿表面，粉煤灰表面水化產(chǎn)物較少;此外還有一定量的針狀鈣礬石晶體，它們大量填充在砂漿表面的裂縫和孔隙中，還可以觀察到表面的CSH和鑲嵌其中的Ca(OH)2，把較小的粉煤灰顆粒掩蓋起來(lái)。從而增加了砂漿的整體性和整體強(qiáng)度。從添加20%FA和30%粉煤灰的試驗(yàn)中，球狀粉煤灰顆粒進(jìn)一步增多，表面水化產(chǎn)物依舊很少。砂漿表面很難見(jiàn)到裂縫、孔隙，它們都被粉煤灰顆粒所填充。大量的粒狀和針狀CSH、針狀A(yù)ft連成一個(gè)致密的布狀物，它的整體性較好，試件上六角形Ca(OH)2很難發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡S著粉煤灰增多，大量的Ca(OH)2產(chǎn)物被消耗掉。通過(guò)本組掃描電鏡試驗(yàn)可以得出下列結(jié)論:隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿中的柱狀和針狀A(yù)ft也開(kāi)始出現(xiàn)并開(kāi)始增多。由于Aft會(huì)產(chǎn)生微脹現(xiàn)象，所以對(duì)水泥砂漿的自生收縮和干燥收縮會(huì)產(chǎn)生有利影響，增加水泥砂漿的強(qiáng)度，抑制裂縫的產(chǎn)生。另一方面，隨著粉煤灰添加量的增大，試件中的Ca(OH)2量也會(huì)相應(yīng)的減小。由于Ca(OH)2會(huì)比較脆弱，因此會(huì)對(duì)砂漿試件的自生收縮和干燥收縮產(chǎn)生不利影響。由于粉煤灰具有以上特性，因此適當(dāng)?shù)奶砑臃勖夯視?huì)改善砂漿表面的密實(shí)度，增加試件強(qiáng)度，防止裂縫的產(chǎn)生。

不摻外加料的砂漿在養(yǎng)護(hù)28 d后的掃描電鏡照片，從水化產(chǎn)物看，試件表面上存在許多柱狀的CSH，有少量的針狀A(yù)ft堆積在砂漿表面上的裂縫與孔隙中。它們相互堆積，形成有一定強(qiáng)度的整體，試件表面裂縫，孔隙與14 d的掃描電鏡照片相比有很大程度減少，因此試件強(qiáng)度有了很大程度上的提高。從而得出結(jié)論:又經(jīng)過(guò)了14 d養(yǎng)護(hù)的砂漿試件，進(jìn)一步水化，表面生成了更多的CSH和Aft等水化產(chǎn)物并分布于砂漿拌合及反應(yīng)過(guò)程中形成的裂縫中，這些水化物連成一個(gè)整體，使結(jié)構(gòu)致密性更好，強(qiáng)度進(jìn)一步更高。

在砂漿中摻入10%、20%，30%的粉煤灰的微觀電鏡掃描照片。從10%FA微觀照片可以看出，和空白組相似，針狀和柱狀CSH、Aft進(jìn)一步增多，且尺寸逐漸變大、更加明顯。但是在照片上觀察不到Ca(OH)2的存在，說(shuō)明Ca(OH)2已被反應(yīng)完全。圖中的球形顆粒為粉煤灰顆粒，與14 d的形貌不同的是:14 d時(shí)的粉煤灰顆粒表面基本上是光滑的，而在28 d的試件表面的粉煤灰顆粒則有一定的水化物存在，但并不是覆蓋所有的顆粒，28 d時(shí)顆粒表面相差較大，有的顆粒表面已布滿了膠凝物質(zhì)，而部分只是少量未覆蓋完全，很少一部分還保持光滑。這時(shí)分布在粉煤灰顆粒表面的是CSH凝膠，隨著齡期的增長(zhǎng)，凝膠層會(huì)繼續(xù)向著粉煤灰內(nèi)部發(fā)展，直到反應(yīng)掉所有粉煤灰顆粒。整體來(lái)看，28 d的砂漿表面更加緊密，不像14 d時(shí)有明顯的裂縫和孔隙。從20%FA和30%FA圖片中也可以觀察到相似的結(jié)論，可以看到更大量的CSH凝膠覆蓋在粉煤灰顆粒表面，砂漿表面也被大量的CSH凝膠所覆蓋。此外還可以發(fā)現(xiàn)，14 d齡期的針狀的Aft數(shù)量已經(jīng)減少了大半，存在的也一般變短、變粗。Copeland等人很早就指出了鈣礬石具有不穩(wěn)定性的特點(diǎn):由于晶體的比表面積較大而不能穩(wěn)定存在，而是溶于砂漿孔洞中的溶液中在進(jìn)行重結(jié)晶，填補(bǔ)了水泥水化而引起的孔洞，增加了漿體的密實(shí)度。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)中我們可以得出結(jié)論:(1)適當(dāng)?shù)奶砑臃勖夯铱梢栽黾踊炷翉?qiáng)度，防止裂縫的產(chǎn)生。(2)粉煤灰的加入可以減少水泥水化熱。(3)最適宜的粉煤灰含量為20%-30%。

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