微硅粉對堇青石質輕集料燒脹性能的影響

馬 鑫 張禮華 劉來寶 劉川北 張紅平 荊桂花

(1. 西南科技大學材料科學與工程學院 四川綿陽 621010； 2. 山東魯陽股份有限公司 山東淄博 256100)

輕集料混凝土具有輕質高強、優異的抗震性、耐久性和保溫隔熱性能[1]。研究表明，決定輕集料混凝土尤其是高強度等級的輕集料混凝土力學強度的關鍵是輕集料自身的強度[2]。然而，目前大部分普通輕集料在制備冷卻過程中由于溫度應力容易產生微裂紋，造成其強度偏低[3]。因此，如何提高輕集料自身強度是改善輕集料混凝土力學性能的關鍵，也是當前輕集料混凝土進一步發展所面臨的主要問題。

輕集料本質上是一種多孔陶瓷，影響其強度的因素主要有兩個：(1)孔結構，包括孔隙率、孔徑分布與孔形貌；(2)陶瓷基體組成，包括晶相、玻璃相組成、比例和分布。根據燒脹理論，輕集料內部孔結構是由高溫下適宜黏度的液相包覆一定量氣體所產生[4]，而在高溫下，由于非晶質的原料結構不穩定，更容易產生液相，從而降低體系黏度，促進輕集料的燒脹和孔結構的形成[5-6]。研究表明堇青石具有較低熱膨脹系數，將其引入陶瓷基體可以顯著降低由溫度應力產生的微裂紋，從而提高輕集料的強度[7-9]。因此，本文將利用粉煤灰、鋁礬土、石英粉和輕燒鎂砂制備堇青石質輕集料，同時采用微硅粉(非晶質SiO2)取代天然石英粉(晶體SiO2)進一步調控輕集料的燒脹性能和孔結構，以期為高強輕集料的組成設計和結構調控提供借鑒。

1 實驗

1.1 原材料

實驗所用原材料包括粉煤灰、鋁礬土、輕燒鎂砂、石英粉和微硅粉(硅灰)，所有原料經磨細后通過200目方孔篩。原材料的化學組成如表1所示，其中輕燒鎂砂和粉煤灰燒失量較高，分別為其質量分數的14.71%和5.57%。結合原材料礦物組成(如圖1)可知，粉煤灰中含有部分方解石，而輕燒鎂砂中含有未分解的菱鎂礦和方解石，它們是燒失量的主要來源，故可作為制備輕集料的產氣物質。微硅粉主要由非晶質的SiO2組成。

表1 原材料化學組成(ω/%)Table 1 Chemical compositions of raw materials(ω/%)

圖1 原材料礦物組成Fig.1 Mineral compositions of raw materials

表2顯示輕集料樣品的原料配比，根據堇青石理論組成mAl2O3∶mMgO∶mSiO2=34.86∶13.78∶51.36設計了基礎配比LG0，同時以微硅粉取代石英粉，取代率分別為(石英粉質量分數)25%，50%，75%，100%，得到配比LG25，LG50，LG75，LG100。

1.2 實驗方法

按照表2進行配料并混合，然后加入適量水分攪拌均勻，制成直徑為10～15 mm的生料球。將料球烘干后放至高溫爐中以5 ℃/min升溫速率升至600 ℃，保溫20 min，防止料球高溫發氣過多而產生炸裂。隨后升至1 230 ℃并保溫30 min燒成輕集料。輕集料隨爐冷卻至室溫，然后進行各項性能測試。

表2 不同輕集料樣品配比(ω/%)Table 2 Mix design for different lightweight aggregate samples(ω/%)

采用荷蘭PANalytical公司X' Pert PRO型X射線衍射儀(Cu靶，掃描范圍8°～75°，掃描速度4°/min)分析樣品礦物組成，利用jade 6.5對XRD圖譜進行半定量分析。采用日本Hitachi公司的TM-4000 掃描電子顯微鏡觀察樣品微觀形貌，用Model 550I 能譜探測器進行能譜分析。

輕集料樣品孔結構表征采用數字圖像處理方法[10]。采用砂紙將斷面打磨平整后用石灰粉填充并拍照，以增加孔隙和陶瓷骨架的對比度，采用Image-Pro Plus圖像分析軟件對樣品內部孔結構進行統計分析。

按照國標GB/T 17431.2—2010《輕集料及其實驗方法》對輕集料樣品物理性能(吸水率、表觀密度)進行測試。輕集料強度參考文獻[5]進行單顆抗壓強度測試，取20顆樣品的平均值為最終結果。單顆抗壓強度計算公式如式(1)：

P=2.8Fc/(πX2)

(1)

其中：Fc為最大載荷(N)；X為兩個加載點之間的距離(mm)；P為單顆抗壓強度(MPa)。

2 結果與分析

2.1 微硅粉對輕集料樣品礦物組成的影響

對不同輕集料樣品進行了XRD分析，結果如圖2所示。圖2(a)表明輕集料樣品主要礦物組成為堇青石、鈣長石和尖晶石，同時隨著微硅粉取代率增加，堇青石相的主要衍射峰(2θ≈10.5°)強度增加，說明堇青石晶體發育變好。半定量分析結果如圖2(b)所示，隨微硅粉取代率增加，堇青石含量從43.58 %增加到50.62 %，鈣長石含量從39.42 %降低到33.21 %，尖晶石含量變化在12 %～14 %之間。上述結果表明微硅粉取代晶質石英粉可以促進堇青石晶體的生長發育，這主要得益于微硅粉這種非晶質的SiO2增加了體系液相含量，促進了內部離子的遷移速度，從而產生了對堇青石生長發育更有利的液相環境[11]。

圖2 不同微硅粉取代下輕集料樣品礦物組成及含量Fig.2 Mineral composition and content of lightweight aggregate samples under different silica fume substitutions

2.2 微硅粉對輕集料樣品孔結構的影響

圖3顯示了對LG0，LG50和LG100樣品內部孔結構進行數字圖像分析的結果。從圖3(a)可以看到，隨微硅粉取代率增加，輕集料樣品內部氣孔面積變大，氣孔尺寸增加。同時，當取代率由50% 增加到100% 時，輕集料內部氣孔形貌由封閉孔向連通孔轉變。孔徑分布結果(圖3(b))也顯示，隨著微硅粉取代率從0% 增加到50%，總孔隙率由45.08% 增加到55.17%，同時孔徑分布由0.4～1 mm的小孔向1～3 mm的大孔轉變；而隨微硅粉取代率從50% 增加到100% 時，總孔隙率僅由55.17% 增加到57.55%，但小于1 mm的小孔數量減少，大于1 mm的大孔數量顯著增加。上述結果表明隨微硅粉取代率增加，樣品內部封閉小孔會逐漸向連通大孔發展，這會造成樣品表面開口氣孔增多(圖4)，從而對輕集料的吸水率產生不利影響。

圖3 不同輕集料樣品內部孔結構和孔徑分布Fig.3 Pore structure and pore size distribution of different lightweight aggregate samples

圖4 不同輕集料樣品表觀形貌Fig.4 Apparent morphology of different lightweight aggregate samples

2.3 微硅粉對輕集料樣品微觀形貌的影響

對LG0，LG50，LG100樣品進行了SEM和能譜分析，結果如圖5所示。可以看出，隨微硅粉取代率增加，樣品孔隙尺寸有所增大，但樣品微觀形貌整體差異不明顯，都觀察到有六方柱狀堇青石(點1)、板狀鈣長石(點2)和多面體顆粒狀尖晶石(點3)交錯分布在陶瓷基體中。同時，3種晶體形貌和尺寸差異較為明顯，彼此間能形成緊密堆積，使陶瓷基體更加致密，這對提升輕集料樣品強度有積極作用。此外，值得注意的是：由于Mg2+，Ca2+，Fe2+離子半徑相近并可以置換形成固溶體[12]，因此能譜分析顯示堇青石中固溶了少量Fe元素，鈣長石中固溶了部分Fe和Mg元素，而尖晶石中則固溶了較多的Fe元素。

圖5 不同輕集料樣品顯微結構Fig.5 Microstructure of different lightweight aggregate samples

2.4 微硅粉對輕集料樣品物理性能的影響

圖6為不同輕集料樣品的表觀密度、吸水率和單顆抗壓強度等物理性能測試結果。圖6(a)顯示，隨微硅粉取代率由0%增加到100%，輕集料樣品表觀密度由1 394 kg/m3下降到584 kg/m3，1 h與24 h吸水率分別由0.32%和1.02%增加到26.97%和31.51%。特別地，當微硅粉取代率超過75%以后，輕集料的吸水率迅速上升，對應1 h吸水率由4.54%顯著增加到26.97%，增幅達22.43%。圖6(b)顯示，隨微硅粉取代率由0 %增加到100 %，輕集料的單顆抗壓強度由12.86 MPa降低到2.34 MPa。經測量，微硅粉取代率0%時輕集料樣品的堆積密度為580 kg/m3，對應的抗壓強度(12.86 MPa)比GB/T 1743—2010中規定的600密度等級高強輕集料的強度指標(≥4 MPa)提高了近3倍，即使微硅粉取代率增加到50%時，制備輕集料的抗壓強度(5.55 MPa)依然滿足高強輕集料性能指標。綜上，本研究制備的堇青石質輕集料強度較高，為了滿足高性能輕集料對吸水率的要求(≤5%)，應控制微硅粉的取代率不超過50 %。

筆者進一步將國內外不同研究者[3,9,13-17]制備的輕集料與本文制備的堇青石質輕集料的單顆抗壓強度進行了對比，結果如圖6(b)所示。可以看出，相同表觀密度下其他研究者制備的輕集料的單顆抗壓強度均低于本實驗所制備的堇青石質輕集料，特別當表觀密度大于1 000 kg/m3時，這一差異更加明顯。造成上述差異的原因有：(1)在輕集料內部引入了低熱膨脹系數的堇青石晶體，減少了由溫度應力產生的微裂紋；(2)堇青石、鈣長石和尖晶石晶體彼此間形成了緊密堆積結構，使陶瓷基體更加致密；(3)僅通過微硅粉取代調整輕集料燒脹性能和內部孔結構，避免了由燒成制度和原料組成變化可能對強度帶來的不利影響。

圖6 不同輕集料樣品物理性能Fig.6 Physical properties of different lightweight aggregate samples

本實驗條件下，輕集料主要產氣物質——輕燒鎂砂、粉煤灰摻量不變，因此，同一溫度下產氣量一定，隨微硅粉取代率增加，輕集料內部燒脹和孔結構的變化主要歸因于體系液相黏度的改變。結合前面分析可知，非晶質微硅粉取代晶質石英粉之后，由于非晶質物質結構的不穩定，增加了體系高溫液相含量，從而一方面產生了更利于堇青石生長發育的液相環境，使堇青石含量增加，另一方面降低了體系黏度，使得輕集料內部氣孔遷移能力增加，孔隙逐漸由封閉小孔向連通大孔發展，從而促進了輕集料的燒脹。

3 結論

本文研究了非晶質微硅粉取代晶質石英粉對堇青石質輕集料燒脹性能的影響，主要結論：(1)微硅粉取代能增加高溫液相生成量，降低體系液相黏度，為輕集料的燒脹和堇青石的生長發育提供有利的液相環境。隨微硅粉取代率由0%增加到100%，堇青石含量由43.58%增加到50.62%，輕集料內部孔隙率由45.08%增加到56.98%，孔徑尺寸變大，同時封閉小孔逐漸向連通大孔發展。(2)隨微硅粉取代率由0%增加到100%，輕集料表觀密度從1 394.5 kg/m3降低到584.4 kg/m3，1 h吸水率從0.32%增加到26.97%，單顆抗壓強度由12.85 MPa降低到2.34 MPa。為滿足高性能輕集料(抗壓強度≥4 MPa，吸水率≤5%)要求，應控制微硅粉取代率不超過50%。