粉煤灰水泥水化微觀分析

蘇力輝

(河北省交通規劃設計院試驗檢測室)

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，改善混凝土力學及耐久性能，具有技術、經濟雙重效益。然而，限于過去測試手段和傳統觀念的局限性，對水泥基材料低尺度下，水化漿體主要產物C-S-H的組成、結構、表面形貌及微觀力學特性、水泥-粉煤灰材料體系中微結構形成和劣化過程中粉煤灰臨界摻量以及水泥基材料宏觀性能與微結構結構間的內在聯系上還沒有系統的研究，對這些問題的深入解析，對水泥基材料的研究、工程應用以及高值化利用粉煤灰均具有重要的現實意義。針對上述問題，對不同摻量粉煤灰水泥基材料微結構形成和水化過程中的微觀性能進行了系統深入的研究，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 實驗儀器

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

3 實驗方法

按照實驗室設計配合比制作40 mm×40 mm×160 mm的試件，試件成型后在標準條件下分別養護14 d，然后放置在微觀電子顯微鏡下進行掃描并采集圖像，主要觀察水泥的水化產物。

表1 實驗室配合比

4 實驗結果分析

可以看出無任何外加劑的水泥在14 d的時候水化并不完全，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點針狀或刺狀的CSH。此時混凝土收縮收到阻礙，很容易產生裂縫。

在摻有10%粉煤灰的式樣的微觀圖像中，可以看見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。從而增加了砂漿的整體性和整體強度。從添加20%FA和30%粉煤灰的試驗中，球狀粉煤灰顆粒進一步增多，表面水化產物依舊很少。砂漿表面很難見到裂縫、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Aft連成一個致密的布狀物，它的整體性較好，試件上六角形Ca(OH)2很難發現，因為隨著粉煤灰增多，大量的Ca(OH)2產物被消耗掉。通過本組掃描電鏡試驗可以得出下列結論:隨著粉煤灰摻量的增加，砂漿中的柱狀和針狀Aft也開始出現并開始增多。由于Aft會產生微脹現象，所以對水泥砂漿的自生收縮和干燥收縮會產生有利影響，增加水泥砂漿的強度，抑制裂縫的產生。另一方面，隨著粉煤灰添加量的增大，試件中的Ca(OH)2量也會相應的減小。由于Ca(OH)2會比較脆弱，因此會對砂漿試件的自生收縮和干燥收縮產生不利影響。由于粉煤灰具有以上特性，因此適當的添加粉煤灰會改善砂漿表面的密實度，增加試件強度，防止裂縫的產生。

不摻外加料的砂漿在養護28 d后的掃描電鏡照片，從水化產物看，試件表面上存在許多柱狀的CSH，有少量的針狀Aft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，因此試件強度有了很大程度上的提高。從而得出結論:又經過了14 d養護的砂漿試件，進一步水化，表面生成了更多的CSH和Aft等水化產物并分布于砂漿拌合及反應過程中形成的裂縫中，這些水化物連成一個整體，使結構致密性更好，強度進一步更高。

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，說明Ca(OH)2已被反應完全。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時顆粒表面相差較大，有的顆粒表面已布滿了膠凝物質，而部分只是少量未覆蓋完全，很少一部分還保持光滑。這時分布在粉煤灰顆粒表面的是CSH凝膠，隨著齡期的增長，凝膠層會繼續向著粉煤灰內部發展，直到反應掉所有粉煤灰顆粒。整體來看，28 d的砂漿表面更加緊密，不像14 d時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。此外還可以發現，14 d齡期的針狀的Aft數量已經減少了大半，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定性的特點:由于晶體的比表面積較大而不能穩定存在，而是溶于砂漿孔洞中的溶液中在進行重結晶，填補了水泥水化而引起的孔洞，增加了漿體的密實度。

5 結論

從實驗中我們可以得出結論:(1)適當的添加粉煤灰可以增加混凝土強度，防止裂縫的產生。(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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