不同粒徑石英粉對活性粉末混凝土強(qiáng)度影響及微觀結(jié)構(gòu)分析

薛國杰，王傳林*，張佳苗，盧 旭，劉澤平，張騰騰

（1.汕頭大學(xué)廣東省結(jié)構(gòu)安全與監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東 汕頭 515063；2.廣東居安建筑工程檢測有限公司，廣東 汕頭 515063）

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)實力迅速提高，交通、建筑、海洋等工程漸漸增多，混凝土材料用量驟增，工程難度越來越大，對混凝土材料性能及服役壽命提出更高要求.活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）由于其性能優(yōu)異受到廣泛關(guān)注.RPC在低水膠比的水化環(huán)境中，SiO2不斷消耗一次水化中的產(chǎn)物Ca（OH）2，從而促進(jìn)二次水化生成托貝莫來石，為混凝土基體提供強(qiáng)度來源.與此同時，SiO2作為RPC摻合料可發(fā)揮填充作用.

硅灰、石英粉是RPC中SiO2主要來源，但并不是所有的SiO2都可以發(fā)揮其活性作用.Yang等[1]利用磨細(xì)石英砂代替水泥研究其SiO2含量、比表面積、蒸養(yǎng)溫度等因素對蒸壓高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響.研究發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，磨細(xì)石英砂與Ca（OH）2幾乎沒有反應(yīng)；蒸壓條件下，SiO2能與水泥水化釋放Ca（OH）2快速反應(yīng)生成托貝莫來石.Yazici等[2]發(fā)現(xiàn)高溫下（150-200℃）可激發(fā)SiO2活性.何峰等[3]通過分析硅灰和石英粉對RPC抗壓強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下硅灰對基體強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，而石英粉只能在高溫養(yǎng)護(hù)條件下起到一定的作用.耿春東等[4]在蒸壓條件下利用花崗巖石粉取代石英粉的研究中發(fā)現(xiàn)花崗巖石粉、石英粉活性被激發(fā)可提高強(qiáng)度.石英粉作為RPC中重要摻合料，其粒徑對于RPC影響的有關(guān)研究存在空白.本文通過研究摻入不同粒徑石英粉對RPC流動度、強(qiáng)度影響，借鑒火山灰效應(yīng)數(shù)值分析方法[10]分析原理，定量分析不同養(yǎng)護(hù)條件下不同目數(shù)石英粉對RPC強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，并從水化產(chǎn)物、以及微觀結(jié)構(gòu)方面對其進(jìn)行分析闡述，為后續(xù)RPC研究提供參考.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

試驗選用硅酸鹽水泥P·O 42.5R，其技術(shù)指標(biāo)見表1.選取粒徑0.3-0.6 mm河砂作為細(xì)骨料，河砂在使用前需沖洗并烘干.減水劑為聚羧酸減水劑，固含量15%，減水率達(dá)30%以上.粉煤灰為I級粉煤灰.硅灰為10 000目硅灰.本試驗選用了6種粒徑不同的石英粉，目數(shù)為325、600、1 250、2 000、3 000、4 000.水泥、粉煤灰、硅灰主要成分見表2.經(jīng)過多次前期試驗并優(yōu)化后確定本試驗的配合比，見表3.

表1 硅酸鹽水泥P.O42.5R的技術(shù)指標(biāo)

表2 水泥、粉煤灰、硅灰組成成分

表3 基準(zhǔn)配合比

1.2 試驗方法

1.2.1 試件制備和養(yǎng)護(hù)

將稱重后的水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉干拌60 s后加入河砂繼續(xù)拌和120 s，保證其均勻分散后，將水與減水劑混合物分兩次加入，第一次緩慢加入70%水與減水劑混合物后慢拌至無結(jié)塊，緩緩加入剩余水慢拌100 s后快拌60 s，將拌制好的料漿澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的模具中.成型后放入溫度為（20±1）℃、相對濕度不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，隨后分別放入（20±1）℃的水池標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、90℃水泥快速養(yǎng)護(hù)箱熱水水浴、蒸汽養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.

石英粉目數(shù)相同者為一組，每組為三個同條件制作和養(yǎng)護(hù)的試件.試件在20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d、90℃熱水水浴7 d與90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行試驗，熱養(yǎng)護(hù)試件測試前放置溫度20℃、相對濕度50%環(huán)境中靜待冷卻1 h.

1.2.2 性能測試

拌合物的流動度采用跳桌法，按《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419-1999）進(jìn)行測定.

抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》（GB/T 17671-1999）進(jìn)行試驗.抗折強(qiáng)度采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，每組3個.試件進(jìn)行完抗折強(qiáng)度試驗后，取剩余半截棱柱體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗.

取7 d 90℃熱水水浴摻加325和4 000目數(shù)石英粉試塊，選擇試樣中心部分用無水乙醇終止水化后烘干至恒重后進(jìn)行掃描電鏡觀察.為避免砂中石英衍射峰的干擾，另制作未摻加河砂凈漿試樣，取熱水水浴養(yǎng)護(hù)7 d后摻加325和4 000目數(shù)石英粉試塊中心部分磨細(xì)進(jìn)行水化產(chǎn)物分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑石英粉對RPC流動度的影響

摻入不同粒徑石英粉的RPC流動度變化如圖1所示.由圖可知，當(dāng)RPC中摻入325目石英粉時，所測RPC流動度達(dá)179 mm.隨著摻入石英粉目數(shù)增加，RPC流動度逐漸降低.當(dāng)摻入石英粉目數(shù)為4 000目時，流動度下降了24.6%.在水膠比不變、石英粉摻量相同時，粒徑較小的石英粉比表面積較大，更易吸附自由水，體系中顆粒間自由水減少，流動度下降.石英粉由于其表面粗糙多棱角，作為填充料時與水泥內(nèi)摩擦力較大[5]，粒徑較小石英粉與其他填充料之間內(nèi)摩擦力較大、機(jī)械咬合作用較強(qiáng).如摻加石英粉粒徑較小，要保證其對應(yīng)RPC工作性則所需更多拌合水.

圖1 不同粒徑石英粉對RPC流動度影響

2.2 不同養(yǎng)護(hù)條件下石英粉目數(shù)對RPC力學(xué)性能的影響

圖2 為不同養(yǎng)護(hù)條件下RPC抗壓、抗折強(qiáng)度與摻加石英粉目數(shù)的關(guān)系.石英粉作為一種惰性材料，雖在一定養(yǎng)護(hù)條件下無法通過發(fā)揮化學(xué)活性效應(yīng)提升基體強(qiáng)度[6]，但可間接影響其他摻合料的化學(xué)活性效應(yīng)對基體強(qiáng)度產(chǎn)生影響.由圖可知，RPC抗壓、抗折強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)條件下均呈“N”型變化趨勢.

與未摻石英粉相比，摻加325目石英粉RPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)及熱水水浴條件下抗壓/抗折強(qiáng)度分別提高了10.0%/18.3%、2.1%/6.7%及17.5%/9.2%.石英粉通過填充漿體與骨料間微隙從而優(yōu)化RPC性能，增加基體強(qiáng)度.隨著石英粉目數(shù)增加，RPC抗壓、抗折強(qiáng)度呈先減后增.與摻加石英粉目數(shù)為325時相比，摻加600目石英粉RPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)及熱水水浴條件下抗壓/抗折強(qiáng)度分別降低4.3%/10.7%、3.3%/14.8%及6.5%/2.2%.隨著所摻石英粉粒徑減小，強(qiáng)度緩慢升高，直至摻加石英粉目數(shù)為4 000時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)及熱水水浴條件下RPC抗壓/抗折強(qiáng)度分別提高了16.3%/15.9%、7.9%/4.9%及18.9%/14.1%.石英粉作為一種惰性材料主要通過發(fā)揮微集料效應(yīng)進(jìn)而提高基體抗壓強(qiáng)度.粒徑越小，其填充效果越好[7].但由于其僅作為多種摻合料中的一種，與其他不同粒徑的摻合料摻合后需接近最密立方堆積才可充分發(fā)揮其微集料效應(yīng).

由圖2可見，雖不同養(yǎng)護(hù)條件強(qiáng)度呈現(xiàn)相似變化趨勢，但仍有所差別.與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d相比，熱養(yǎng)護(hù)7 d后RPC強(qiáng)度較優(yōu).這是由于熱養(yǎng)護(hù)可激發(fā)摻合料發(fā)生火山灰效應(yīng)，即硅灰與水泥水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)[3]，可優(yōu)化內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)從而提升基體強(qiáng)度.90℃養(yǎng)護(hù)溫度條件下，熱水水浴效果較優(yōu).通過分析認(rèn)為試塊在熱水水浴養(yǎng)護(hù)中，水中與外部形成壓強(qiáng)差為RPC內(nèi)部水化起到一定的促進(jìn)作用，且熱水水浴較蒸汽養(yǎng)護(hù)傳熱速度較勻速，對結(jié)構(gòu)破壞作用較小.張勝等[8]分析認(rèn)為蒸汽養(yǎng)護(hù)可使RPC中水分形成方向性通道，對強(qiáng)度不利.當(dāng)摻入石英粉為325目時，不同養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度差值最大，為16.6 MPa；當(dāng)摻入石英粉為1 250目時，抗折強(qiáng)度差值最大，為4.0 MPa.粒徑較小石英粉能更好的優(yōu)化孔隙，在摻加粒徑較小石英粉時，90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)、熱水養(yǎng)護(hù)條件促使RPC基體外部快速水化、密實度增強(qiáng)，一定程度上延緩RPC基體中心水化.325目石英粉微集料效應(yīng)雖不如粒徑較小石英粉，其對應(yīng)RPC微空隙較多，但正是由于這些微空隙為水化產(chǎn)物提供了生長空間，有利于強(qiáng)度增長[9].

圖2 不同養(yǎng)護(hù)條件下石英粉粒徑對試樣強(qiáng)度影響

2.3 摻加不同目數(shù)石英粉強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分析

基于蒲心誠教授[10]提出的火山灰效應(yīng)數(shù)值分析方法分析原理，以不同養(yǎng)護(hù)條件下未摻石英粉試驗組作為基準(zhǔn)組定量分析計算不同養(yǎng)護(hù)條件下不同目數(shù)石英粉的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率.表4為本試驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算所得指標(biāo)，分別為水泥占有膠凝材料的百分比（q）、抗壓比強(qiáng)度（Rc）、抗折比強(qiáng)度（Rf）、抗壓比強(qiáng)度系數(shù)（Ic）、抗折比強(qiáng)度系數(shù)（If）、抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率（Pc）及抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)率（Pf）.

表4 石英粉強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分析

石英粉在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)和90℃熱水水浴條件下主要通過發(fā)揮其填充效應(yīng)從而為RPC基體提供強(qiáng)度.由表3、圖2可見，通過將基準(zhǔn)組配比進(jìn)行調(diào)整摻加石英粉可提高RPC基體強(qiáng)度.圖3、圖4及圖5分別為20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d、90℃熱水水浴7 d及90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)7 d后不同目數(shù)石英粉的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率.由圖可見，不同養(yǎng)護(hù)條件下石英粉對于RPC強(qiáng)度貢獻(xiàn)率均大于0，且對于抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率更為顯著.不同養(yǎng)護(hù)條件下石英粉粒徑對RPC強(qiáng)度貢獻(xiàn)率呈“V”形變化，由圖3、圖4及圖5可見，隨著石英粉粒徑減小，不同養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度貢獻(xiàn)率均呈先減后增.雖然石英粉的粒徑越小，在摻合料粒子間起到的填充增密作用越大，但RPC強(qiáng)度主要取決于能否較好地優(yōu)化摻合料體系中顆粒的緊密堆積.

圖3 20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下石英粉粒徑對試樣強(qiáng)度貢獻(xiàn)率影響

圖4 90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下石英粉粒徑對試樣強(qiáng)度貢獻(xiàn)率影響

圖5 90℃熱水水浴下石英粉粒徑對試樣強(qiáng)度貢獻(xiàn)率影響

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6 、圖7為90℃熱水水浴摻加325、4 000目石英粉后內(nèi)部斷面微觀形態(tài).由圖6（a）可見，經(jīng)90℃熱水水浴7 d后，摻加325目石英粉RPC內(nèi)部水化較為完全，生成的水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）主要為針狀、部分為球狀、絮狀.針狀C-S-H生長于片狀氫氧化鈣（CH）間，相互搭接形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹其他物質(zhì)；球狀、絮狀C-S-H主要分布于片狀CH、針狀C-S-H上.由圖6（b）可見，絮狀C-S-H生長于片狀CH上.熱養(yǎng)護(hù)過程中，活性SiO2與CH反應(yīng)原位形成C-S-H凝膠.一部分C-S-H逐漸取代CH形成片狀形態(tài)，另一部分C-S-H生長填充CH間交錯縫隙使基體逐漸致密化[11].

經(jīng)90℃熱水水浴后摻加4 000目石英粉RPC基體斷面形貌如圖7所示.目數(shù)較大的石英粉微集料效應(yīng)較優(yōu)，對應(yīng)RPC基體強(qiáng)度更高.由圖7（a）可見，試塊中心斷面結(jié)構(gòu)致密、無宏觀缺陷，圖中僅見較小片狀CH分布于基體薄弱界面.與圖6（a）相比，圖7（a）中并未發(fā)現(xiàn)C-S-H凝膠，且通過放大圖7（a）中片狀區(qū)域得圖7（b），片狀CH無定向交錯堆疊.與圖6（b）相比，摻加4 000目石英粉RPC基體中片狀CH上并未有C-S-H生成.由此可知雖摻加石英粉目數(shù)大填充效果好，但并未對RPC基體起到積極作用.在90℃熱養(yǎng)護(hù)條件下，石英粉雖無法發(fā)揮活性效應(yīng)，但其微集料效應(yīng)一定程度上阻礙基體中心其他活性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng).

圖6 熱水水浴養(yǎng)護(hù)7 d后摻加325目數(shù)石英粉RPC基體斷面SEM形貌

圖7 熱水水浴養(yǎng)護(hù)7 d后摻加4 000目數(shù)石英粉RPC基體斷面SEM形貌

2.5 石英粉對RPC膠凝漿體水化產(chǎn)物的影響

經(jīng)過90℃熱水水浴后，摻加325、4 000目石英粉的RPC的XRD物相分析結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出：經(jīng)熱水水浴后的RPC基體中主要為水泥礦物相C3S和C2S、未消耗的SiO2礦物相[12]、和一次水化生成物氫氧化鈣（CH）相.摻加325目石英粉的RPC的XRD譜中存在明顯的C3S、C2S衍射峰及較明顯的CH、SiO2衍射峰.與其相比，摻加4 000目石英粉的RPC的XRD譜中C3S、C2S、SiO2及CH衍射峰較強(qiáng)，這主要是因為4 000目石英粉填充效應(yīng)較優(yōu)，其基體中心水化不完全.

圖8 90℃熱水水浴下?lián)郊硬煌繑?shù)石英粉RPC的XRD圖譜

由SEM、XRD分析可知，在90℃熱養(yǎng)護(hù)條件下，石英粉雖無法發(fā)揮活性效應(yīng)，但其微集料效應(yīng)影響基體中其他活性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng).由圖2可知，所摻石英粉目數(shù)為325、4 000時，RPC強(qiáng)度都得到提升，且相差不大.4 000目石英粉主要通過微集料效應(yīng)提升強(qiáng)度，但同時也阻礙了基體中心其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；325目相比于4 000目石英粉雖微集料效應(yīng)較弱，但其基體中心水化完全，對應(yīng)RPC強(qiáng)度同樣得到提升.

3 結(jié)論

（1）在水膠比一定的情況下，隨著摻入石英粉粒徑的減小，RPC流動性逐漸降低.與摻入325目石英粉RPC相比，摻入4 000目石英粉RPC流動度下降24.6%.

（2）與未摻石英粉相比，摻入石英粉對RPC抗壓、抗折強(qiáng)度均有提升.熱水水浴下RPC強(qiáng)度提升較為顯著，隨著石英粉目數(shù)的增加，抗壓/抗折強(qiáng)度最高可提升18.9%/14.1%.

（3）不同養(yǎng)護(hù)條件下石英粉對于RPC強(qiáng)度貢獻(xiàn)率均大于0，且對于抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)率更為顯著.