鐵粉對水泥砂漿的強度及其微觀結構的影響

張廣興

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

良好的級配能有效改善水泥基材料的綜合性能，根據吳中偉教授的“中心質”假說，高強度粒子的摻入，能夠提高試件的強度。就目前的研究進展來講，適量的粉煤灰與礦渣等礦物摻合料[1-4]在水泥基材料中的應用，不僅沒有降低水泥基材料的強度，還顯著提高了水泥基材料的耐久性，特別是抗氯離子侵蝕性能[5]。隨著研究深入，納米材料逐漸被引入到了水泥基材料當中，如納米二氧化硅、納米二氧化鈦及納米碳酸鈣等[6-9]，以提高水泥基材料的耐久性能，同時還利用納米氧化鐵(Fe2O3)來改善水泥基材料的強度與功能性[10-14]，甚至是碳納米管[15]也被摻入到水泥基材料當中，提高水泥基材料的抗折性能。在這些微集料中，具有活性的顆粒能與水泥水化產物發生反應，增強顆粒間的作用強度，進一步提高水泥基材料的整體性能。目前關于鐵粉對水泥基材料綜合性能影響的研究還不多見，本文主要研究不同粒徑的鐵粉對水泥基材料強度與微結構的影響，為水泥基材料結構的優化提供可行的方法。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

水泥，采用金隅牌強度等級為42.5的P.O普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能指標見表1。

表1 試驗用水泥物理力學指標

細集料為河砂，細度模數為2.6，中砂；本實驗所用水為清潔的自來水。

本實驗所用鐵粉為商品科研用還原性鐵粉，細度分別為100目、200目、300目；對每個細度的鐵粉都進行了XRD測試，如圖1所示。

由圖1特征峰的位置可知所使用的鐵的晶體結構為體心立方結構，晶格常數a=b=c=2.866。

1.2 試樣制備

圖1 所用鐵粉的XRD特征

本實驗采用JJ-5水泥膠砂進行成型攪拌，其配比如表2所示。

試件尺寸：本實驗選用規格為40 mm×40 mm×160 mm(強度測試)和25 mm×25 mm×280 mm(變形測量)的三聯模。

表2 水泥砂漿的配合比

SEM制樣：為了保證樣品的統一性，在砂漿成型過程中，取少量成型于直徑10 mmPVC管中，和同批砂漿試件在同條件下養護。到指定齡期，切取1 mm厚度的薄片置于酒精溶液中終止水化，然后取出于烘箱中50 ℃烘干。

BET制樣：BET樣品采用SEM樣品，但測試之前將其破碎為最大邊長小于3 mm的小塊，便于測試。

2 結果與分析

2.1 強度分析

強度數據如圖2～圖4所示。

圖2 不同鐵粉、不同摻量的試樣3 d強度

圖3 不同鐵粉、不同摻量的試樣7 d強度

圖4 不同鐵粉、不同摻量的試樣28 d強度

由圖2可知，摻入200目鐵粉的3 d抗折強度都要大于其他細度鐵粉的強度，且摻量3%的抗折強度最大，之后隨著摻量的增加強度有小幅度的減少，但都要大于基準試樣的抗折強度，而摻加100目和300目鐵粉3%摻量的試樣對其強度略有影響，其他摻量基本無影響；摻加鐵粉使得3 d時的抗壓強度都有所提高， 200目鐵粉摻量大于3%時，試件強度有小幅度增加且大于摻加其他細度鐵粉的強度，在摻量為23%時達到最大，較基準試樣提高了48.70%。

分析圖3可知，在7 d時摻200目鐵粉的試樣各摻量的抗折強度都與基準的空白試樣相差不多，但在摻量3%時抗折強度相對較大，而摻入其他細度鐵粉的試樣的強度都要遠小于基準的空白試樣；而摻入鐵粉后各試樣的7 d抗壓強度都明顯大于基準的空白試樣，其中摻入300目鐵粉的試樣的強度提高最多，摻量為13%時強度提高31.74%，其他摻量試樣的強度相差不多，都遠大于摻入其他細度鐵粉的試樣。

由圖4可知，28 d時，相對于基準試樣，只有摻入100目鐵粉1%和23%的試樣，其抗折強度有所提高，摻入200目鐵粉的各摻量試樣和摻入1%、3%的300目鐵粉的抗折強度與基準相差不大，摻入300目鐵粉的試樣，在摻量大于3%后，隨著摻量的增加抗折強度減??；在28 d時摻入鐵粉的抗壓強度同樣還是遠大于基準試樣的抗壓強度，且摻入1%的100目鐵粉的強度最大、提高40.45%，之后隨著摻量的增加強度有小幅度的減少。

綜上所述，在水泥砂漿試樣中摻入鐵粉，只有在摻入200目鐵粉時初期的抗折強度有所提高，摻入鐵粉的試樣在其他齡期，其抗折強度都沒有太大的提高，甚至部分摻量的試樣強度會有所降低；而鐵粉的摻入對抗壓強度的影響較為明顯，摻入鐵粉后各個齡期的抗壓強度都有較大程度的提高。

2.2 變形分析

由表3可知，在養護齡期為7 d時，相對于基準試樣來說，在水泥砂漿中摻入100目和300目的鐵粉，會使得試塊的體積有所收縮，但經過28 d的養護后，摻入鐵粉的試樣都相對基準試樣來說產生了體積的膨脹，體積由收縮變為膨脹，變形量較大。摻入200目鐵粉的砂漿試驗初期就會發生體積的膨脹，隨著齡期的增加，變形量變化不大，在摻量為3%時變形量最小，較基準變形量減少了10%。

表3 鐵粉細度與摻量對試樣相對變形量的影響 mm

同時，將變形量的結果與強度結果對比可以發現，變形量較小的試樣其強度也相對較大，分析原因為，變形量少的試樣說明鐵粉在砂漿內部的反應產物進入到了孔隙之中，結構變得更加密實，使得其強度也較高。

2.3 XRD分析

圖5為3 d時，基準與摻3%鐵粉試樣的XRD圖譜。一般情況下，水泥水化后生成的產物主要為Aft/Afm和Ca(OH)2，而由于Aft形成較少，在圖譜中只可以明顯的看到Ca(OH)2峰(a)和C-S-H的彌散峰(b)；在摻入鐵粉后，促進了C-S-H晶體的形成，發現了C-S-H的晶體峰(c)；還有類似片沸石結構的物質生成 (d和e)；同時砂漿內部還有鐵粉反應后的生成物Fe2O3(e)以及未反應的單價鐵(f)的存在，100目鐵粉的平均粒徑最大，峰值也就越高。

圖5 3 d齡期不同試樣的XRD圖譜

分析圖6可知，28 d時空白試樣的C-S-H的峰高要比3 d時低得多，而摻入鐵粉后C-S-H的彌散峰(b)就要高于空白試樣的峰高，說明鐵粉的摻入對水化硅酸鈣的進一步反應有所影響，且隨著產量的增加，C-S-H晶體的峰(c)也就越高；同時，摻入1%和3%鐵粉的試樣幾乎沒有了單價鐵的存在，說明反應比較完全，而摻量為23%的試樣還有較多的單價鐵剩余(f)。

綜合分析圖7可知，齡期28 d時，摻入300目鐵粉的試樣對C-S-H晶體形成的促進作用最大；同時生成的類似片沸石結構所對應的峰值也較高。綜合圖6～圖8可知，摻入100目和200目鐵粉的試樣，各個摻量都有鐵粉的剩余，而摻入300目的鐵粉試樣只有在摻量為23%時有較多的鐵粉剩余。

圖6 28 d齡期100目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

圖7 28 d齡期300目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

圖8 28 d齡期200目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

2.4 SEM分析

根據強度的測試結果，對齡期為3 d、摻量均為3%的部分試樣進行了SEM測試，如圖9所示。

對比以上四種試樣的表面微觀形貌圖可知，3 d時，各試樣都具有不同程度的孔隙或坑槽，結構并不密實；相對來說，摻入3%的200目鐵粉試樣的表面孔隙最少，且表面有絮狀的物質，結合XRD的測試結果分析可能是鐵粉反應生成的氧化物；摻入100目鐵粉和300目鐵粉的表面相對來說較為疏松，且有部分孔隙；而沒有摻加鐵粉的試樣表面十分疏松，有較多明顯的孔隙，同時還產生了裂縫。因此對于早齡期水泥砂漿試樣，摻入3%的200目鐵粉，能夠部分填充水泥砂漿的內部孔隙，使其結構更加密實，增強其早齡期的強度。

由圖10可以看出，在水泥砂漿試樣中摻入100目鐵粉的試樣其表面最密實，只有少量的坑槽；摻入200目鐵粉的表面比較疏松，坑槽相對來說較大，數量也較多；而摻入300目鐵粉的試樣表面有較大的孔隙同時存在著相對明顯的裂縫。

圖9 摻不同細度鐵粉試樣的SEM

圖10 齡期28 d不同細度鐵粉摻量為1%的試樣SEM

由圖11可知，摻入100目鐵粉和200目鐵粉的密實性都較好，而摻入300目鐵粉的表面卻產生了較為明顯的裂縫。通過對比圖4和圖6可知，隨著齡期的增長，摻入鐵粉的各試樣都變得更加密實，大的孔隙幾乎消失，這是因為隨著齡期的增加，摻入試樣中的鐵粉也逐漸反應完成，生成物導致了體積的膨脹，填滿了部分的孔隙。

由圖12可知，三種試樣雖然密實性都較好，但都有不同程度的裂紋和分層現象出現，分析原因可能是，鐵粉摻量過大，導致其體積膨脹大于水泥砂漿試樣中的孔隙體積，從而出現了脹裂的情況。

圖11 齡期28 d不同細度鐵粉摻量3%的試樣SEM

從上述分析可得，并非是在水泥砂漿中摻入的鐵粉越多，對其性能的影響越好，在摻入1%鐵粉時其膨脹產物并不足以填滿水泥砂漿試樣中的孔隙，而在摻量23%時則會產生不同程度的脹裂，在摻量為3%時其生成產物能夠較好的填充孔隙且不會產生裂紋。

圖12 齡期28 d不同細度鐵粉摻量23%的試樣SEM

3 結論

(1)在水泥砂漿試樣中摻入鐵粉，鐵粉的摻入對試件的抗壓強度影響較為明顯，摻入鐵粉后各個齡期的強度都有較大程度的提高，特別是在28 d時，摻量在1%的100目鐵粉的強度最大，與基準相比能提高40.45%。

(2)鐵粉的摻入對試樣的變形也有一定的影響，在早齡期的水泥砂漿試樣中，摻加100目、300目鐵粉的試樣體積收縮。

(3)通過XRD測試發現，水泥砂漿水化后的主要產物為Ca(OH)2和C-S-H及Fe2O3。

(4)通過SEM分析，對于早齡期水泥砂漿試樣，摻入3%的200目鐵粉，能夠部分填充水泥砂漿的內部孔隙，使其結構更加密實，增強其早齡期的強度；而在28 d時，隨著鐵粉摻量的增加密實性也得到提高。