郭 煜，魏 亮，王宇鵬，劉 坤

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510620）

1 工程概況

出于對(duì)自然資源的保護(hù)，人工砂替代天然砂充當(dāng)細(xì)骨料在建筑工程中已成趨勢(shì)。人工砂中石粉構(gòu)成了人工砂的微細(xì)級(jí)配，是其重要的組成部分，人工砂中適量的石粉可改善細(xì)集料級(jí)配，并能起到潤(rùn)滑、填充細(xì)集料空隙等作用，從而能改善混凝土性能[1]。同時(shí)石粉含量影響混凝土的水化產(chǎn)物、微觀形貌特征及孔結(jié)構(gòu)特性。本文開展了不同石粉含量混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究，以期確定石粉含量對(duì)混凝土水化產(chǎn)物、微觀形貌特征及孔結(jié)構(gòu)特性的影響。

2 試驗(yàn)研究

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，試驗(yàn)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(yǎng)護(hù)至28d齡期時(shí)，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(xì)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(xù)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(cè)試試樣，用電磁制樣粉碎機(jī)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(cè)樣吸濕和碳化，待測(cè)樣制備好后應(yīng)立即放入密封容器中保存，供XRD、綜合熱分析、IR測(cè)試分析用。

表1 微觀測(cè)試混凝土配合比

3 結(jié)果及分析

3.1 X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同的晶體物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)各異，其X射線衍射峰對(duì)應(yīng)的角度不同[2]，因此可以通過X射線衍射峰的位置區(qū)分不同的晶體物質(zhì)，X射線衍射峰的強(qiáng)度與物相的相對(duì)含量之間存在正相關(guān)關(guān)系。X射線衍射檢測(cè)能夠分析混凝土水化產(chǎn)物中的晶體成分及相對(duì)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(shí)，混凝土水化樣的C3S特征衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，而鈣礬石（AFt）和Ca（OH）2特征峰的強(qiáng)度逐漸增大，這是因?yàn)槭畚⒘？梢约铀偎a(chǎn)物晶體的析出，一定程度上提高了體系的水化反應(yīng)速率，加速C3S的消耗，使體系中AFt和Ca（OH）2的相對(duì)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(yàn)結(jié)果及分析

不同物質(zhì)對(duì)紅外射線的吸收波長(zhǎng)不同，紅外光譜分析利用了吸收譜帶的寬度和峰值處波數(shù)來確定混凝土的物相成分以及相對(duì)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(cè)到波數(shù)為1433cm-1、2521cm-1、3447cm-1和3643cm-1的吸收帶譜[3]，其中波數(shù)3447cm-1、3643cm-1對(duì)應(yīng)鈣礬石（AFt）、C-S-H等水化產(chǎn)物的吸收譜帶，波數(shù)1433cm-1對(duì)應(yīng)CaCO3的吸收帶譜。當(dāng)石粉含量從6%增大到30%時(shí)，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(jié)論相同，石粉含量增大使體系中的水化產(chǎn)物相對(duì)數(shù)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(yàn)結(jié)果及分析

在混凝土的綜合熱分析中，利用體系中各種物質(zhì)分解溫度區(qū)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(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的質(zhì)量變化曲線（TG曲線）可以得到相應(yīng)物質(zhì)的相對(duì)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(duì)應(yīng)的是水化產(chǎn)物Ca（OH）2脫去結(jié)構(gòu)水的吸熱峰；810℃左右伴隨明顯質(zhì)量減少的吸熱峰是因?yàn)镃aCO3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(jié)果可知，水化產(chǎn)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(yīng)[5]，石粉具有一定的活性，能夠促進(jìn)并參與體系的水化反應(yīng)，使體系中水化產(chǎn)物數(shù)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(jié)果

3.4 SEM（掃描電鏡）試驗(yàn)結(jié)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(zhì)，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(chǎn)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(chǎn)物緊密包裹[7]?？梢钥闯?，石粉含量較高時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。這說明了隨石粉含量的增多，使得硬化體微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)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(jìn)混凝土的水化反應(yīng)，使得硬化體中的凝膠類產(chǎn)物數(shù)量增多；另一方面，石粉顆粒在混凝土中能夠發(fā)揮微細(xì)集料的填充效應(yīng)，有效的改善混凝土多孔結(jié)構(gòu)[8]，使得整個(gè)硬化體的微觀機(jī)構(gòu)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(yàn)結(jié)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(xiàn)減小的規(guī)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(shì)與孔隙率和平均孔徑隨石粉變化趨勢(shì)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(shí)程度，細(xì)化內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)參數(shù)

混凝土中的孔按對(duì)混凝土性能影響分為四個(gè)等級(jí)：無害孔（＜20nm）、少害孔（20~100nm）、有害孔（100~200nm）和多害孔（＞200nm）[9]。表4的數(shù)據(jù)得出以下孔徑分布規(guī)律：隨石粉含量的增大，混凝土內(nèi)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(jié)語

（1）XRD、IR和綜合熱分析的分析結(jié)果：石粉能夠參與并促進(jìn)混凝土的水化反應(yīng)，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(chǎn)物的相對(duì)含量增多。

（2）SEM的分析結(jié)果：石粉微?？梢哉T導(dǎo)水化產(chǎn)物在石粉外表析出晶體，使得水化產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。隨石粉含量的增大，未參與水化反應(yīng)的石粉微粒在混凝土中起微細(xì)集料的填充效應(yīng)，水化樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密程度提高。

（3）壓汞測(cè)試分析結(jié)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。