養護參數對常壓干熱養護灰砂混凝土力學性能的影響

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(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

1 引 言

灰砂混凝土可制備灰砂磚、灰砂加氣混凝土及各種建筑構件。制備過程中的蒸壓養護能耗高、污染嚴重，成為阻礙灰砂混凝土制品推廣和應用的重要原因[1]，且大部分廠家生產設備落后，使用較小直徑、較低工作壓力的蒸壓釜[2]。隨著各類新型建材在應用中收縮大、開裂及滲漏問題較為普遍[3]，傳統灰砂混凝土制品以其強度高、耐水性好等優點[4]，又重新受到關注。在實現建筑工業化和標準化的今天，裝配式建筑以其加速城市化進程、節能環保、有利于保證工程質量、降低企業成本、提高管理水平等優點，越來越受到重視[5]。因此，未來對成品磚和預制產品的需求也會不斷增大。

彭小芹等[6]提出了一種新的灰砂混凝土養護工藝——常壓干熱養護工藝。通過摻入一種外加劑MH，使水分蒸發減緩，達到在常壓高溫的干燥環境中養護灰砂混凝土的目的。干熱養護工藝很早就應用于水泥混凝土制品當中，但這種干熱養護并不是相對濕度越低越好，它是通過控制相對濕度與干烘時間，從而加速混凝土的水化反應和排出多余有害水分，達到提高混凝土強度的目的，有時還與濕熱養護相結合，養護溫度一般低于100℃[7-8]。對于超高性能混凝土、活性粉末混凝土，通常有蒸壓養護、蒸汽養護、熱水養護等養護方式[9-10]。施韜[11]等人通過90℃熱水養護，制備出抗壓強度125MPa，抗折強度20MPa以上的摻礦渣的活性粉末混凝土。袁也[12]將活性粉末混凝土在90℃熱水中養護2d后放入高溫爐中進行干熱養護，當干熱養護溫度為250℃，恒溫6h時，抗壓強度可達200MPa左右。

本文在以往研究的基礎上，著重探討了養護工藝參數如恒溫溫度、恒溫時間、升溫速率等對灰砂混凝土力學性能的影響并探討了影響機理，制備出抗壓強度為40.2MPa，抗折強度為8.3MPa的灰砂混凝土。同時結合微觀測試，探討了常壓干熱養護灰砂混凝土的反應機理及水化產物種類。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料及試驗設備

試驗所用石灰為塊狀生石灰，經球磨機磨細，比表面積為415m2/kg，其有效CaO含量為86.61%，消化速度5～9min，消化溫度75℃；砂粉為河砂，用球磨機磨細，比表面積為431m2/kg，主要礦物為長石類物質和石英，SiO2含量為76.8%；集料為河砂，細度模數2.7；外加劑MH為一種工業級化工產品，摻入后與原材料反應生成一種中間產物，以減緩水分的蒸發速率；實驗所用養護設備為CS101-BC系列電熱鼓風干燥箱。

2.2 試驗方法

將石灰和砂粉以Ca/Si(摩爾比)為0.25的比例混合，加入集料使粉料與集料的質量比達到0.5并混合干拌1min，然后加入MH溶液濕拌3min。其水固比(水與粉料和集料的質量比)為0.14，MH摻量為粉料(砂粉+石灰粉)質量的9%。攪拌結束后，將砂漿倒入40×40×160mm鋼模中，在震動臺上震動1.5min成型。靜停12h后拆模，將試件置于常壓干熱養護箱內養護。在養護過程中，所采用的恒溫溫度分別為120、140、160和180℃；恒溫時間為2、3、4和5h；升溫速率為0.6、1.0、1.4和1.8℃/min。養護結束后，試件自然冷卻到室溫，根據GB/T 17671-1999 《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》測定試件的抗折強度和抗壓強度。

2.3 微觀檢測

利用X射線衍射儀(XRD)測定常壓干熱養護后的灰砂混凝土的物相組成(為排除集料的影響，采用無集料的灰砂混凝土試件)，其掃描范圍為10～90°，掃描速度為4°/min。采用TESCAN VEGA II 可變真空鎢燈絲掃描電鏡(SEM)對試件的微觀形貌進行檢測，該儀器配有 INCA Energy 3500 X 射線能譜儀，加速電壓 20KV，放大倍數 4～100000X。在測試前，為提高分辨率，對樣品進行了噴金處理。

3 試驗結果與討論

3.1 常壓干熱養護制度對強度的影響

圖1為不同MH摻量的灰砂混凝土隨養護時間的延長其質量損失率的變化。所用養護制度為升溫速率1℃/min，恒溫溫度140℃，恒溫時間5h。從圖中可以看出，MH摻量為0%時，灰砂混凝土在養護2h后質量損失率達到6.2%，之后稍有增加但變動幅度不大。這說明MH摻量為0%時，灰砂混凝土保水性能差，水分蒸發劇烈，養護前期(0～2h)就已經蒸發掉大部分水分。隨著MH摻量增大到(6%、9%和12%)，單位時間內質量損失率均隨之減小。試驗結果說明，MH確實起到了保水作用，隨著MH摻量的增大，灰砂混凝土的保水性能增強。

圖1 MH摻量對灰砂混凝土質量損失率的影響Fig.1 Effect of MH dosage on the weight loss percentage of lime-sand concrete

以鈣硅比0.25、水固比0.14、膠集比0.5、MH摻量9%為基準的配合比進行試驗，在升溫速率為0.6℃/min和恒溫時間為5h的條件下，恒溫溫度對灰砂混凝土強度的影響結果如圖2所示。

圖2 恒溫溫度對灰砂混凝土強度的影響Fig.2 Effect of isothermal temperature on the strength of lime-sand concrete

從圖2中可以看出：隨恒溫溫度的升高，抗壓與抗折強度呈現先增大后減小的趨勢。當恒溫溫度為140℃時，試件的抗壓強度和抗折強度均達到最高值，分別為40.7MPa和8.2MPa。這可能是因為恒溫溫度小于140℃時，水分蒸發較為平緩，化學反應速度是影響強度的主要因素，故隨恒溫溫度升高，化學反應加快，水化產物增多，強度隨之提高；當溫度繼續升高(>140℃)，水分蒸發愈發劇烈，水分蒸發速度超過了物質的反應速度，致使反應還未進行完全就已經失去了作為反應介質的水分，從而導致強度降低。由以上試驗結果可知140℃左右為水分蒸發和強度發展的平衡節點，故常壓干熱養護的恒溫溫度選擇140℃為宜。

圖3為恒溫溫度140℃，升溫速率0.6℃/min時，灰砂混凝土強度隨恒溫時間從2h延長到5h的變化。從圖2可以看出：隨恒溫時間的延長強度呈現增長趨勢，到4h后增長趨勢減緩。

圖3 恒溫時間對灰砂混凝土強度的影響Fig.3 Effect of isothermal period on the strength of lime-sand concrete

當恒溫時間為4h時，抗壓強度可達38.8MPa，抗折強度可達8.4MPa，當恒溫時間繼續延長到5h時，強度增長緩慢，抗壓強度達到40.7MPa，抗折強度達到8.2MPa。這比傳統蒸壓灰砂磚所需的恒溫溫度(175～200℃)低，恒溫時間(6h)短且強度更高。綜合本試驗結果，恒溫時間選4h或5h較為適宜。

圖4為恒溫溫度和恒溫時間分別為140℃和5h的條件下，升溫速率對灰砂混凝土強度發展的影響曲線圖。由圖可見：隨升溫速率增大，抗壓強度和抗折強度呈現下降趨勢，當升溫速率達到1.8℃/min時，強度下降幅度增大。

圖4 升溫速率對灰砂混凝土強度的影響Fig.4 Effect of heating rate on the strength of lime-sand concrete

由此可知，當升溫速率較低時(0.6℃/min)，試件表面與內部的溫度梯度不明顯，不易產生熱應力，對強度發展有利；當升溫速率過大，試件表面溫度上升較內部溫度上升快，溫差過大容易產生熱應力，從而對試件強度發展不利。

在保證強度的前提下，適當提高升溫速率，可以縮短養護時間，降低能耗，對生產有利。綜合考慮以上因素，升溫速率宜選擇1.0℃/min或1.4℃/min。

充分考慮各工藝參數對灰砂混凝土強度的影響，試驗推薦養護制度為恒溫溫度140℃、恒溫時間5h、升溫速率1℃/min，此時抗壓強度可達40.2MPa，抗折強度為8.3MPa。

3.2 常壓干熱養護灰砂混凝土的微觀結構分析

圖5為石灰粉、砂粉和灰砂混凝土(無集料)的XRD圖譜，結合利用SEM對灰砂混凝土進行了微觀形貌分析。灰砂混凝土(無集料)的養護制度為：恒溫溫度140℃、恒溫時間5h、升溫速率1℃/min。

圖5 原材料及灰砂混凝土的XRD圖譜 ① 石灰粉； ② 砂粉； ③ 灰砂混凝土(無集料)Fig.5 XRD patterns of raw material and lime-sand concrete

從圖5曲線①可見，石灰粉中的主要成分為CaO。曲線②表明，砂粉中主要含有SiO2以及長石類物質。與原材料的XRD譜圖相比，曲線③中SiO2衍射峰、長石衍射峰均有所減弱，這說明部分SiO2和長石類物質已經參與了反應，還殘余有Ca(OH)2。曲線①中出現了新的衍射峰，5、6為NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O衍射峰，7、8為沸石類物質(CaAl2Si2O8·4H2O、Na6[AlSiO4]6·4H2O)衍射峰。

可以認為，MH加入后與砂粉中的SiO2反應生成了一種粘稠的硅酸鹽，這種硅酸鹽可以保證水分在較高溫度時緩慢蒸發，使反應得以順利進行。升溫后MH及所生成的硅酸鹽與Ca(OH)2發生反應，生成了NaCaHSiO4[13]、Na2Ca2Si2O7·H2O等物質。同時，在MH和所生成的硅酸鹽的作用下，砂粉中長石類鋁硅酸鹽礦物發生溶解形成硅酸鹽、鋁酸鹽和硅鋁酸鹽復雜體系，再進一步與Ca(OH)2等物質反應，生成了沸石類的水化產物[14,15]。水化產物相互交聯逐漸增多，將集料和未反應的砂粉等緊緊結合在一起，進一步干燥脫水后形成硬化體。

圖6為灰砂混凝土經粉碎后的SEM照片，從圖6a和6b可以看出，灰砂混凝土是由20μm左右的晶體狀顆粒及尺寸更為細小的片狀顆粒堆積而成，前者可能為未反應完全的石英粉(主要成分SiO2)，而后者則為NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O和沸石類水化產物。這些水化產物將集料包裹在其中，形成致密的結構，從而保證了灰砂混凝土的力學性能。在更高的放大倍數下(圖c和圖d)，可以觀察到呈片狀的水化產物相互交錯堆積并連接成一個整體，這些產物的形成促進了灰砂混凝土強度的發展。

圖6 灰砂混凝土粉碎后的SEM照片Fig.6 SEM photo of lime-sand concrete

1.通過摻入一種外加劑MH，可以減緩灰砂混凝土的水分蒸發速率，從而使常壓干熱養護工藝得以實現，適宜的摻量為粉料質量的9%左右。

2.在灰砂混凝土的鈣硅比為0.25、水固比0.14、膠集比0.5、MH摻量9%時，推薦常壓干熱養護制度為恒溫溫度140℃、恒溫時間5h、升溫速率1℃/min。混凝土抗壓強度達40.2MPa，抗折強度為8.3MPa。

3.通過XRD分析得出反應產物是以NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O和沸石類為主的水化產物，通過SEM觀察到水化產物呈片狀相互交聯堆積，將集料包裹在其中，形成了致密的結構。

4.與傳統蒸壓養護工藝相比，灰砂混凝土常壓干熱養護工藝有以下優勢：低鈣硅比減少了石灰用量，從而降低了原材料成本；與蒸壓養護相比，常壓干熱養護的養護溫度低，恒溫時間短，有利于降低生產能耗；無需蒸壓釜，設備投資少，在降低生產成本的同時提高了安全性。