基于高石粉含量水工混凝土干縮與微觀結構的實驗研究

吳海燕

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830000）

1 實驗方法

1.1 實驗原材料

（1）水泥。本次實驗使用等級為P.MH42.5的中熱硅酸鹽水泥，該水泥的物理力學性能如下：水泥安定性合格、比表面積438 m2·kg-1、初凝時間266 min、終凝時間328 min、3 d和7 d以及28 d的抗折強度分別為5.0 MPa和6.4 MPa以及8.1 MPa、3 d和7 d以及28 d的抗壓強度分別為25.4 MPa和30.8 MPa以及53.4 MPa、

（2）粗集料。實驗使用二級配石子，分別為5 mm～20 mm粒徑和20 mm～40 mm粒徑。5 mm～20 mm粒徑石子：松散和緊密的堆積密度分別為1610 kg·m-3和1670 kg·m-3、含泥量0.59%、壓碎指標7.62%、針片狀含量2.25%。20 mm～40 mm粒徑石子：松散和緊密的堆積密度分別為1410 kg·m-3和1660 kg·m-3、飽和面干吸水率0.252%、含泥量0.31%、針片狀含量3.82%。

（3）粉煤灰。本次實驗使用的1級粉煤灰的性能見表1。

表1 粉煤灰的性能

（4）細集料。原級配灰巖人工砂，石粉的含量大約為15%。經人工進行水洗或者添加石粉而得出含量為12%石粉、18%石粉、20%石粉、22%石粉、25%石粉、28%石粉的人工砂，具體的物理性能見表2。

表2 人工砂性能

（5）外加劑。實驗使用具有緩凝作用的聚羧酸高性能減水劑和引氣劑，兩種外加劑的各項性能見表3。

表3 外加劑性能

1.2 實驗的方法及試樣的制備

實驗時為確保混凝土砂率和外加劑的添加量保持不變，選擇灰巖人工砂中石粉的含量為12%～28%，并運用0.36水膠比和0.44水膠比的二級配水工混凝土來開展干縮的實驗分析，具體的實際配合比見表4。混凝土干縮的實驗試件均使用（100 mm×100 mm×15 mm）棱柱體的試驗件，在試驗件的兩端安裝埋設金屬測頭，并使用HSP-540型的混凝土收縮膨脹儀進行測長。混凝土的干縮實驗依據《水工混凝土實驗規程》的標準方法。

表4 水工混凝土的配合比

選擇0.36水膠比和0.44水膠比，而石粉的含量則選擇15%和20%混凝土開展微觀的研究。首先根據標準制作用于抗壓強度實驗的試件，并根據標準的養護程序養護7 d、28 d、90 d后將其劈開，最后取中心位置5 mm的顆粒，其中較多的集料顆粒進行剔除，并運用無水的乙醇進行48 h的浸泡，進而終止水化。選擇其中的一小部分進行掃描電子顯微鏡的測試，然后另外的部分運用電磁制樣粉碎機進行磨細，然后再經過0.08 mm篩選。為避免粉體樣吸濕與碳化，所以在制備完成之后立刻放于密封的容器內進行存儲，最后提供給X射線衍射、紅外光譜測試的研究分析使用。

2 結果和分析

2.1 石粉的含量對混凝土干縮的影響分析

圖1 混凝土干縮的影響

當水膠比是0.36和0.44時，如圖1所示為石粉的含量對水工混凝土的干縮產生的影響。從圖1可以看出，石粉的含量的增加而導致混凝土的干縮率顯示為先增加后降低的發展趨勢，當石粉的含量是22%時的干縮率為最高。通過分析認為石粉含量在小于22%時由于石粉自身的活性效應而參與了水化的反應，并和C3A進行反應后形成碳鋁酸鹽，另外，未經過水化的石粉則被當作微集料而填充進混凝土中，由此致使混凝土的平均孔徑降低而導致內部的毛細管力提高，所以混凝土干縮率表現為最高。石粉的含量超出22%時，較多的石粉會進一步導致混凝土的固體顆粒密實度嚴重降低，最終影響混凝土內的平均孔徑提高，進而導致混凝土表現為干燥失水時的毛細管力嚴重下降，由此致使干縮率的降低。此外，在水膠比相同的混凝土中，水泥漿的總量會伴隨石粉的含量增大而提高，而水泥漿的總量是對混凝土產生干縮最為重要的影響因素之一［1-2］。

2.2 混凝土微觀的結構分析

2.2.1 X射線衍射

當水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時的混凝土水化樣X射線衍射的結果表明，水化的產物主要有氫氧化鈣和鈣礬石以及未水化的C3S、C2S等物質。而在7 d的水化樣中可以清晰的看到C3S的衍射峰，而到90 d的齡期時衍射峰基本消失，是因為水化的程度伴隨時間的增長而提升，進而導致熟料礦物大量的被消耗。另外，石粉含量為20%時要比同期含量15%時的C3S特征衍射峰的強度要小，并且鈣礬石與氫氧化鈣的強度比含量15%的水化樣強度要高，是由于石粉提高了水化反應，進而增加了鈣礬石與氫氧化鈣的數量［3-4］。

2.2.2 紅外光譜

當水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時的混凝土水化樣的紅外光譜分析的結果表明，伴隨水化的齡期增加，各個配比的水化樣在紅外譜圖中顯示出波數3643 cm-1、3438 cm-1的吸收譜帶強度提高。是因為伴隨水化的時間增加而導致鈣礬石和C-S-H等產物的含量提高而致。

2.2.3 掃描電子顯微鏡

當水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時的混凝土水化樣的微觀形貌結果如下：不同的配比試樣在掃描電子顯微鏡可以看到膠凝類的物質。在齡期7 d的掃描電子顯微鏡圖中，粉煤灰的表面比較光滑，進一步表明粉煤灰沒有和體系進行水化的反應。由此說明在早期水化過程中，石粉通過對水泥水化產物進行誘導在其表面析晶，進而促進水化的反應［5-6］。在后期90 d的掃描電子顯微鏡圖中，水化反應不斷的進行而致使凝膠類的產物逐步增加，一小部分沒有水化的顆粒則被凝膠包裹，硬化體微觀的結構越來越致密。此外，在掃描電子顯微鏡下看到同一水膠比的同齡水化樣中，石粉含量20%要比15%的水化樣更加的密實，石粉的含量高時具更加高的密實度。

3 結論

（1）石粉含量的增加而導致混凝土的干縮率顯示為先增加后降低的發展趨勢，當石粉的含量是22%時的干縮率為最高。

（2）通過分析認為石粉自身的活性效應參與了水化的反應，并促進了水化產物的增加。未經過水化的石粉則被當作微集料而填充進混凝土中，由此致使混凝土的平均孔徑降低而導致內部的毛細管力提高，所以混凝土干縮率表現為最高。

（3）水工混凝土的要求較高，特別是在穩定性及防裂性的方面，因此用于二級配的人工砂可將石粉的含量提高到20%。