蒸壓混凝土水泥石界面研究

李昊洋，柯昌君，江盼，王淑英

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

水泥石界面的理論研究工作始于20世紀50年代。法國的J.Farran首先從巖相學、礦物學以及晶體學等多方面調研后發現，在漿體與集料之間的區域，水化產物的組成及形貌與基體部分不同，結構相對疏松，強度較低，并首先提出在集料顆粒外存在Transition Ring(過渡環)的概念。隨后Barnes等人提出界面模型，第七屆水泥化學會議上Grandet和Olliver報告了用X射線衍射法測定混合料試件斷裂面的Ca(OH)2晶體取向性。我國也早在1982年由解松善[1]提出了界面區的微觀模型和“效應圈”的觀點。胡明德[2]利用XRD(X射線衍射)法和SEM(掃描電鏡)研究了集料與硅酸鹽水泥石界面的組成，對水泥石界面的微觀組成進行了詳細的研究，并對摻不同外加劑情況下的界面粘結強度進行了分析。在普通的混凝土中，界面過渡區并非是一個易于分辨的結構均勻區域，而是在各骨料粒子之間以及同一粒子的不同部分其結構都在發生變化。對于混凝土界面過渡區形成原因的研究，有2種較有代表性的觀點，一種是以組成材料變形性能的不一致性為基礎，即在20世紀60年代流行的“水泥漿體收縮”假說，另一種觀點是以在新拌混凝土中各種顆粒沉降的不均勻性為基礎的“界面過渡層”假說[3～11]。實際上，這2種機理往往是同時共存并相互影響的。

目前,對于蒸壓混凝土水泥石界面的研究很少。蒸壓過程中混凝土由于粗骨料的不同，其水化產物的形貌和種類也有差異，從而界面相互間也具有明顯區別。為了更好改善蒸壓混凝土水泥石界面的疏松、強度低等問題，筆者利用3組試驗，分別對石灰石蒸壓混凝土、卵石蒸壓混凝土和花崗巖蒸壓混凝土進行了水泥石界面的各種性質以及水化產物的研究。通過控制蒸壓恒溫時間為0.5、1、2、6h，對不同蒸壓時間下的蒸壓混凝土水泥石界面通過X射線衍射、掃描電鏡和能譜實驗，對其晶體物相、界面微觀表象和堿度進行分析。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

1)細骨料。黃砂，主要成分為石英。

2)粗骨料。石灰石(主要成分為碳酸鈣)、破碎卵石(主要成分為二氧化硅)、花崗巖(主要礦物組成為石英、長石和云母)。粒徑均為5～20mm。

3)水泥。P．I 52.5，主要礦物組成為C3S、C2S、C3A、C4AF、石膏。水泥凈漿3d抗壓強度為33.3MPa，28d抗壓強度為63.4MPa。

4)砂粉。黃砂磨細。

5)外加劑。聚羧酸鹽高效減水劑。

1.2 試驗儀器

采用荷蘭PANalytical 公司X’Pert PRO X射線衍射儀分析晶體的物相，工作電流為40mA，工作電壓為40kV。采用KYKY-3800B型掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察水化產物形貌并進行能譜分析。測定條件如下：表面鍍金處理，加速電壓為20kV。

1.3 樣品養護

將成型好的試塊自然養護72h后拆模，放入蒸壓釜進行蒸壓處理。蒸壓模式為升溫-恒溫-降溫(1h-x-1h)，其中x分別為0.5、1、2、6h。恒溫溫度為190℃，飽和蒸汽壓力為1.2MPa。降溫結束后測其強度，取樣方式為靠近中心取樣，將取出的試樣放在酒精中置換3次終止水化，再放入真空干燥機內進行干燥。將烘干好的試塊依次進行XRD(X射線衍射)、SEM(掃描電鏡)和EDS(能譜)測試。

2 試驗結果與分析

2.1 石灰石蒸壓混凝土界面分析

圖1 蒸壓石灰石混凝土XRD圖

將自然養護3d的混凝土放置在1.2MPa飽和蒸汽壓下恒溫蒸壓處理6h，再進行XRD分析。其XRD如圖1所示。由圖1可知，蒸壓條件下水泥水化的產物發生了很大變化，常溫下水化出現的低硫型硫鋁酸鈣衍射峰消失，α-C2SH出現，在自然養護過程必然出現的氫氧化鈣衍射峰消失。其原因在于在水熱條件下，低硫型硫鋁酸鈣不再穩定，轉化為水石榴石和硬石膏。而蒸壓混凝土的XRD圖有低硫型硫鋁酸鈣衍射峰消失，水石榴石衍射峰出現的現象。可見，蒸壓條件下水泥的水化產物與常溫下存在明顯的差異。

不同蒸壓時間下的石灰石混凝土的堿度如表1所示，其SEM照片如圖2所示，由表1和圖2可知，c、d、e、f點均在水泥石中，相鄰兩點距離大約15μm，順序遠離界面。通過1h和2h蒸壓處理后，界面處的C/(S+A)比值明顯低于蒸壓處理0.5h的試樣。

表1 蒸壓石灰石混凝土的堿度

石灰石蒸壓混凝土在蒸壓前形成富鈣界面后，經過蒸壓處理，石灰石骨料并未參與水化反應。由于混凝土中砂粉在蒸壓條件下參與反應，使得水化產物堿度下降。隨著蒸壓時間的延長，砂粉溶出的硅進一步參與反應，界面水化產物的堿度進一步下降，但水化產物仍然是高堿度水化產物。

2.2 卵石蒸壓混凝土界面分析

圖2 不同蒸壓時間石灰石蒸壓混凝土SEM圖

圖3 不同蒸壓時間卵石蒸壓混凝土SEM圖蒸壓石灰石混凝土SEM圖

在1.2MPa飽和蒸汽壓下恒溫蒸壓處理0.5、1.0、2.0、6h的蒸壓試樣SEM照片如圖3所示，由圖3可知，整個界面無明顯縫隙，骨料的表面有水化產物的覆蓋，水化產物與骨料已連成了一個整體，無疏松，孔徑大等優點，無明顯的薄弱環節。

基于能譜分析計算的堿度如表2所示，其a、b、c、d、e和f兩相鄰點的距離大約5μm，不同蒸壓時間的試樣選擇的均為硅質材料與水泥石界面。由表2可知，b、c、d、e點處的C/(S+A)比值呈逐漸增大的趨勢，表明在遠離參與水化反應的硅質材料，通過1、2、6h蒸壓處理后界面處水化產物的堿度表現出來的規律與蒸壓處理0.5h的基本相同，但界面處的C/(S+A)比值明顯低于蒸壓處理0.5h的試樣。

在破碎卵石蒸壓混凝土系統中，卵石和砂粉均溶出硅，并參與反應，使得界面處各點的堿度較表1明顯下降。

2.3 花崗巖蒸壓混凝土界面分析

在1.2MPa飽和蒸汽壓下恒溫蒸壓處理0.5、1、2、6h，蒸壓試樣SEM照片如圖4所示，基于能譜分析計算的堿度如表3所示。

表2 破碎卵石混凝土的堿度

圖4 不同蒸壓時間花崗蒸壓混凝土SEM圖

由圖4 和表3可知，蒸壓0.5h花崗巖混凝土所選擇界面為CH晶體與水泥石的界面，b、c、d、e逐漸遠離CH晶體，其堿度逐漸下降，表明水泥石與系統中溶出的硅參與了反應。與表1中c點進行比較，各點的堿度遠低于表1，可見在花崗巖蒸壓混凝土系統中，有更多的硅參與反應，而這與花崗巖溶出的硅有關。

蒸壓2h和6h的蒸壓花崗巖混凝土所選擇的界面為硅質材料與水泥石的界面，相比表2中各點的堿度變化，兩者具有相同的規律，即隨著蒸壓時間的延長，堿度下降；隨著遠離界面，堿度增加，這與系統中硅的大量溶出和花崗巖中K+、Na+的溶出有關。花崗巖蒸壓混凝土中的長石中堿金屬離子的緩慢溶出方式有利于低堿水化產物的形成，形成大量高度無序的水化硅酸鈣，不利于C-S-H凝膠向托勃莫來石的轉化。

表3 蒸壓花崗巖混凝土的堿度

3 結論

1)經過蒸壓后的混凝土界面微觀表象明顯改善，且蒸壓后混凝土過渡層中的Ca(OH)2消失。

2)3種不同混凝土蒸壓后的堿度由小到大排序為花崗巖蒸壓混凝土、破碎卵石蒸壓混凝土、石灰石蒸壓混凝土。形成堿度不同的主要原因是由于破碎卵石和花崗巖混凝土在蒸壓過程中骨料參與了水化反應。

3)通過SEM、XRD和EDS分析，對蒸壓混凝土水泥石界面的微觀表象有了更直觀的了解。通過能譜分析法得到了不同蒸壓混凝土界面的堿度以及水化產物，為今后改善蒸壓混凝土界面性質以及更深一步的研究奠定了基礎。