黃河砂與沙漠砂膠砂強度及微觀機理

趙靜, 單龍, 張軒碩, 李宏波,2,3, 朱一丁*

(1.寧夏大學土木與水利工程學院, 銀川 750021; 2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心, 銀川 750021; 3.寧夏土木工程防震減災工程技術研究中心, 銀川 750021)

在國家雙碳戰略背景下,研發節能環保建筑材料用于實際工程中具有重要的碳排放效益。在中國西北地區有豐富的天然砂資源,嚴重的土地荒漠化形成大量的風積砂以及黃河流域淤積形成的特細砂[1]。利用天然砂配制出滿足性能的水泥基材料一方面可以遏制土地荒漠化,減緩黃河上游的黃土高原水土流失,改善黃河下游懸河問題,另一方面減少濫用耕地,改善周邊耕地土質,減少生產黏土磚[2]。除此之外,用天然砂代替河砂,緩解河砂資源短缺,減小河砂開采過程中消耗能源,保護生態環境[3]。因此研究天然砂的制備建筑材料,有利于減少土木工程生產碳排放,有利于實現碳達標和碳中和[4]。

河砂資源有限,使得沙漠地區與黃河地區用天然砂代替河砂制作水泥基材料成為必然選擇,學者們對摻沙漠砂和黃河砂水泥基材料的工程性質做了大量的研究。董偉等[5]通過用風積砂代替河砂發現沙漠砂可以改善砂漿的顆粒級配,提高砂漿的強度。秦擁軍等[6]研究不同摻量沙漠砂對沙漠砂混凝土應力應變的影響,發現其破壞特征與普通混凝土相比有一定的差異性,且取代率為20%時,混凝土軸心抗壓強度最高。張朵等[7]用全沙漠砂配置水泥基復合材料,通過沙漠砂、石英砂、河砂3種骨料制備水泥基復合材料對比其宏觀力學性能及微觀機理發現采用全沙漠砂制備高延性水泥基材料可行,其抗壓強度和石英砂抗壓強度相差無幾。車佳玲等[8]研究了用沙漠砂部分或全部代替河砂制備水泥基復合材料,研究替代率、水膠比等因素對水泥基復合材料力學性能的影響,并通過微觀分析揭示基體界面特性,研究表明毛烏素沙漠砂可完全替代水洗河砂制備水泥基復合材料,且單軸拉伸性滿足工程應用要求。王雪艷等[9]研究不同摻量沙漠砂對混凝土強度及彈性模量的影響,發現DMC(desert sand + machine sand concrete)抗壓強度受沙漠砂替代率影響,并建立了DMC抗壓強度預測模型,實現了材料碳排放降低。楊維武等[10]研究高溫作用對沙漠砂混凝土的影響,針對粗骨料體積含量及粒徑對混凝土高溫后單軸受壓過程進行了數值模擬和分析,發現試件的破壞開始于界面出,粗骨料體積含量為45%時,抗壓強度達到最大值。楊龍賓[11]用黃河砂制備高性能混凝土,發現用黃河砂部分代替河砂并不會影響其力學性能,其摻量對混凝土流動性影響更大。王立霞[12]研究了黃河砂代替部分機制砂對混凝土強度的影響,不同等級的混凝土黃河砂的最佳摻量不同。

諸多研究表明,黃河砂、沙漠砂的摻量對水泥基材料的力學性能有一定的影響,沙漠砂可大摻量替代或全部替代河砂制備膠凝材料且不會影響其力學性能而對黃河砂替代河砂制備膠凝材料的研究較少。因此,本研究通過選用粒徑相差較小的沙漠砂作為對照,對比分析黃河砂、沙漠砂膠砂抗壓強度,結合掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)、X-射線能量光譜(energy dispersive spectrometer, EDS)和背散射電子(back scatter electrons,BSE)及元素掃描從微觀機理方面對沙漠砂、黃河砂膠砂抗壓強度進行分析。

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗所選用的P·O 42.5水泥是來自寧夏賽馬水泥廠,其主要的化學組分含量(質量分數)如表1所示。物理特性如表2所示。試驗所選用的沙漠砂來自毛烏素沙漠,沙漠砂的細度模數為0.9,沙漠砂顆粒表面光滑,粒徑小分布均勻,比表面積大,水穩性好,沙顆粒表面吸水性好,使其制備的砂漿具有很好的黏結力[13]。外觀如圖1(a)所示。黃河砂來自寧夏濱河黃河大橋附近的黃河流域。黃河砂細度模數為0.5,沙顆粒屬于粉細砂,比表面積大且表面光滑,顆粒級配不良,顆粒粒徑分布比較分散[14]。黃河砂顆粒表面對水幾乎沒有吸附性,透水性強,在干砂情況下顆粒分散,砂顆粒之間的黏結力小;黃河砂在潮濕情況下,有明顯的黏著感[15]。黃河砂的外觀如圖1(b)所示。

表1 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of cement

表2 水泥的物理性能Table 2 Physical properties of cement

圖1 沙漠砂、黃河砂外觀形貌Fig.1 Appearance of desert sand and yellow sand

1.2 樣品制備

考慮到沙漠砂的級配連續性和充分使用,砂顆粒越小,砂漿的需水量越大[16],將沙漠砂砂漿水膠比定為0.58,黃河砂砂漿水膠比為0.6,按砂膠比1∶3,進行砂漿配制。試件采用40 mm×40 mm×40 mm的砂漿試塊,將成型好的試件在溫度(20 ± 2) ℃,相對濕度不低于95%的標準養護箱內養護至24 h后脫模,移入標準養護室中養護至相應齡期,養護完成后取出后進行加載測試。

1.3 測試方法

力學性能試驗:抗壓強度試驗參考《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》CB/T 17671—1999中步驟和方法進行試驗,采用YEM-300D型電子壓力試驗機執行抗壓強度檢測,試驗機檢測的豎向加載速度為0.5 kN/s,試驗中抗壓強度試樣每組制備3個平行試樣,每個齡期強度結果均以一組數據取平均值來表征。

微觀性能試驗:將養護到規定齡期的試件進行抗壓強度試驗,將試驗后的平整的碎塊取出,把碎塊收集到密封容器中加入無水乙醇終止試件水化后,放入(40±1) ℃的真空干燥箱中烘干至恒重,對烘干的碎塊進行鍍金處理后采用型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對式樣表面進行微區形貌特征及結構的觀察,并采用其配套的 X 射線能譜分析儀(EDS)進行局部微區元素的化學成分定性和定量分析。采用背散射電子顯微鏡(BSE)對硬化后的砂漿試樣的元素含量及分布進行分析。

2 試驗結果及討論

2.1 黃河砂、沙漠砂膠砂抗壓強度

沙漠砂、黃河砂砂漿抗壓強度如表3所示。

表3 沙漠砂、黃河砂不同齡期的抗壓強度Table 3 Compressive strength of desert sand and Yellow River sand at different ages

由表1可知,隨砂漿齡期的增加,砂漿7、14、28 d的抗壓強度變化趨勢基本相同。隨砂漿齡期的增加砂漿的抗壓強度不斷增加。沙漠砂和黃河砂早期強度略低于普通砂漿強度,后期強度要遠低于普通砂漿,說明沙漠砂和黃河砂單摻會影響砂漿的強度,需要進行合理摻配。對比沙漠砂和黃河砂的抗壓強度,沙漠砂砂漿在7 d齡期和28 d齡期的抗壓強度均高于黃河砂砂漿。在14 d齡期時,二者砂漿強度基本相同。從沙漠砂和黃河砂的物理性能分析,是由于沙漠砂顆粒呈細小圓形或近似圓形,吸水性強,使制備的砂漿具有較好的黏結力和稠度,沙漠砂細小圓形顆粒有助于減少漿體的摩檫力從而增加漿體的流動性,有助于填滿細小孔隙,使砂漿結構密實,從而提高砂漿強度。而黃河砂顆粒過細,會影響漿體的硬化性能,用水量增加,砂漿的穩定性也會降低[17],從而影響黃河砂漿硬化體的抗壓強度,使黃河砂漿強度較低。

選擇7、14、28 d齡期的沙漠砂、黃河砂砂漿進行微觀分析水化產物的形貌特征、形態分布、元素成分及含量對砂漿抗壓強度的影響。

2.2 SEM及EDS分析

通過SEM觀察沙漠砂、黃河砂膠砂砂漿7、14、28 d齡期的微觀形貌,掃描結果如圖2、圖3所示。

由圖2(a)可知,沙漠砂砂漿在7 d齡期時已經出現了薄層狀Ca(OH)2,同時形成大量絮狀的C-S-H凝膠以及針狀鈣礬石。在14 d齡期時,鈣礬石從針狀晶體發育成的棒狀晶體,C-S-H凝膠隨水化反應進行發育成纖維網狀結構。由圖2(c)中可以看出,沙漠砂砂漿界面有少量的針狀鈣礬石,大量的層狀,板狀Ca(OH)2增強結構骨架,C-S-H凝膠呈致密的纖維網狀。生成的水化產物交錯生長使沙漠砂砂漿結構粘結緊密整體性好,到28 d齡期時,沙漠砂砂漿界面微觀結構聚合度較高且發育較為完整。

由圖中3(a)可以看出,7 d齡期時,黃河砂砂漿表面形成了大量呈針狀的鈣礬石,團絮狀C-S-H凝膠,整體結構較為松散。由圖3(b)中可以看出14 d齡期鈣礬石發育較為完整,晶體尺寸變大。C-S-H凝膠隨水化時間從開始的團絮狀發育成的顆粒狀。到28 d齡期時,砂漿表面形成少量的鈣礬石和大量薄板層狀的Ca(OH)2,C-S-H凝膠從顆粒狀發育成纖維網狀包裹在鈣礬石表面,黃河砂砂漿界面較為密實且整體性較好。

縱向對比兩者水化產物的微觀形貌可知,兩組試樣隨齡期的增長水化產物發育總體進程相似,C-S-H凝膠從開始的團絮狀發育成密實的網狀纖維,鈣礬石及Ca(OH)2隨齡期增長不斷發育完整。7 d齡期時,沙漠砂砂漿界面產生的Ca(OH)2有助于增強結構骨架,使沙漠砂砂漿早期的抗壓強度高于黃河砂砂漿。14 d齡期時,黃河砂砂漿界面也生成了薄層狀的Ca(OH)2,使二者砂漿的強度基本相同。28 d齡期時,沙漠砂砂漿界面生成的水化產物能很好填充孔洞,整體性比黃河砂砂漿好,結構更加致密,從而使沙漠砂砂漿抗壓強度高于黃河砂砂漿。

圖2 沙漠砂砂漿不同齡期的SEM掃描圖Fig.2 SEM scanning diagram of desert sand mortar at different ages

圖3 黃河砂砂漿不同齡期的SEM掃描圖Fig.3 SEM scanning diagram of Yellow River Sand mortar at different ages

通過EDS觀察黃河砂、沙漠砂砂漿7、14、28 d的微觀形貌,掃描結果如圖4、圖5所示。

硅酸鹽水泥的水化產物的成分性質對水泥砂漿的強度以及混凝土結構強度的發展有決定性影響。通常情況下,水化反應開始時生成C-S-H凝膠及鈣礬石。水化產物的鈣硅比是定量描述C-S-H結構的重要參數之一。一般情況下,合成C-S-H凝膠的Ca/Si在0.6～2.0之間,如果Ca/Si>2.0時,說明砂漿水化反應初期就含有Ca(OH)2[18]。從圖4中可以看出沙漠砂砂漿鈣硅比隨著齡期增長不斷增大,從2.32增加到3.96,說明在水化過程中,C-S-H凝膠含量不斷增加,大量的凝膠交錯攀附,使沙漠砂砂漿界面整體穩定。從圖5中可知,黃河砂膠砂鈣硅比從2.45增加到2.97。說明黃河砂砂漿在水化過程中,砂漿中的C-S-H凝膠含量也不斷增加,相比于沙漠砂砂漿C-S-H凝膠含量增加較少,導致砂漿結構較為松散。由圖5中可以看到沙漠砂、黃河砂砂漿中鈣含量也不斷增加,表明砂漿中產生大量Ca(OH)2,齡期較短時,CH相起增強結構骨架的作用。此外兩者還有較多的碳元素,以及少量的硫、鋁元素,說明砂漿的水化產物中還有碳酸鈣、水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣生成。

圖4 沙漠砂砂漿不同齡期的EDS圖Fig.4 EDS scanning diagram of desert sand mortar at different ages

圖5 黃河砂砂漿不同齡期的EDS圖Fig.5 EDS scanning diagram of desert sand mortar at different ages

縱向對比可知,沙漠砂砂漿的鈣硅比增加1.64,黃河砂砂漿的鈣硅比增加0.52,沙漠砂的鈣硅比增加量遠大于黃河砂砂漿,說明沙漠砂砂漿隨水化過程產生的C-S-H凝膠數量多于黃河砂砂漿,同時沙漠砂膠砂漿中Ca(OH)2的含量也高于黃河砂砂漿。砂漿水化過程中凝膠含量是影響砂漿強度的主要因素,因此28 d齡期時,沙漠砂砂漿的抗壓強度更高。

綜上所述,通過SEM、EDS微觀分析可知,砂漿水化過程中水化產物的含量、形貌及分布形態影響砂漿的抗壓強度。

2.3 能譜分析

通過BSE及元素掃描觀察砂漿7、28 d齡期的微觀形貌,掃描結果如圖6、圖7所示。

由沙漠砂砂漿不同齡期的BSE及元素掃描圖中可以看到,圖像中的區域呈現不同的亮度,其亮度主要取決于該區域元素的原子序數及含量。平均原子序數越高,或元素越多,襯度就越亮[19]。其中最亮的部分主要元素是Ca、Si、Na以及部分少量的C、Mg、Al。其主要為砂漿中的C-S-H凝膠及Ca(OH)2。從BSE圖中元素的亮度高低及區域再結合EDS元素含量可以看出隨著齡期的增加砂漿中Ca、Si和Na元素的含量不斷增加。這說明隨水化反應進行,砂漿中生成更多的C-S-H凝膠及Ca(OH)2。

圖6和圖7(a)中最暗的部分是砂漿中的孔隙。對比砂漿7 d和28 d齡期的BSE,砂漿中7 d的孔隙數量多且孔洞相對較大;到28 d齡期,可以看出孔隙數量明顯減少且無連續孔產生,砂漿界面結構致密,使得砂漿強度提高。對比圖中不同齡期的元素掃描圖的明亮程度可以更清晰地看到,除了Ca、Si含量的增加,C、S等元素含量也不斷增加,說明砂漿在水化過程中生成了更多的碳酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣等水化產物。

黃河砂砂漿的BSE及元素掃描圖如圖8、圖9所示。從元素的明亮程度及分布情況進行分析。對比7 d和28 d的背散射圖,Ca、Si元素含量的增加說明砂漿隨水化過程生成了更多的C-S-H凝膠,使得水泥砂漿結構更加致密。Ca、C、Al等元素含量增加說明砂漿在28 d齡期生成Ca(OH)2、碳酸鈣及其他的水化產物。黃河砂砂漿在7 d齡期時,砂漿中孔隙少,且沒有大的孔隙和連續孔,使黃河砂砂漿早期結構致密。黃河砂砂漿在28 d齡期時抗壓強度相對于14 d齡期增量較小,是因為28 d齡期的砂漿界面有很多孔隙,孔隙增加影響砂漿的抗壓強度。

圖9 黃河砂砂漿28 d齡期的BSE及元素掃描圖Fig.9 BSE and element scanning diagram of Yellow River sand mortar at 28 d age

縱向對比沙漠砂、黃河砂砂漿背散射圖,再結合EDS,沙漠砂砂漿Ca/Si比要遠大于黃河砂砂漿,說明沙漠砂砂漿中生成更多的C-S-H凝膠、Ca(OH)2、碳酸鈣等水化產物。產生大量的水化產物使得沙漠砂砂漿結構致密。此外,受砂粒徑、形態及黏結性的影響,在7 d齡期時,相比于沙漠砂砂漿,黃河砂砂漿界面孔隙較小。但黃河砂砂漿強度仍低于沙漠砂砂漿,是由于砂漿中水化產物對砂漿強度的影響作用更大。28 d齡期沙漠砂砂漿界面的孔隙小,砂漿結構致密,整體性更好。因此,沙漠砂砂漿抗壓強度更高。

3 結論

本研究通過對沙漠砂、黃河砂膠砂的抗壓強度的試驗,結合SEM、EDS、BSE和元素掃描對沙漠砂和黃河砂膠砂的微觀性能進行研究。分析砂漿水化過程中水化產物形貌、含量及分布形態對膠砂強度的影響。得出以下結論。

(1)隨砂漿水化過程的進行,膠砂界面的C-S-H凝膠,鈣礬石不斷發育完善,生成的Ca(OH)2增強結構骨架。各種水化產物交錯生長結合緊密使砂漿結構整體性好。沙漠砂砂漿界面的鈣礬石和凝膠發育更完善,而且在早期就生成層狀的Ca(OH)2增強結構骨架。黃河砂砂漿中水化產物發育相比于沙漠砂砂漿不完整,結構松散,導致黃河砂砂漿抗壓強度較低。

(2)砂漿中的鈣硅比(Ca/Si)隨齡期不斷增加,說明水化過程中凝膠的含量不斷增加,砂漿中碳酸鈣、水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣等水化產物的含量也不斷增加。沙漠砂砂漿的鈣硅比增加1.64,黃河砂砂漿的鈣硅比增加0.52,沙漠砂的鈣硅比增加量遠大于黃河砂砂漿,說明沙漠砂砂漿隨水化過程產生的C-S-H凝膠數量多于黃河砂砂漿。水化產物中凝膠含量是影響沙漠砂砂漿的抗壓強度高于黃河砂砂漿的主要因素。

(3)砂漿中的孔隙影響砂漿的抗壓強度。背散射圖結合EDS中元素的含量及分布反映了水化產物的含量及砂漿中孔隙的大小形態和數量。由于沙漠砂粒徑小,黏結性好,吸水性強,使砂漿具有很好的黏結性。沙漠砂粒性能減小砂漿的孔隙,使沙漠砂砂漿28 d齡期的抗壓強度提高了12.33 MPa。受黃河砂粒徑影響,砂漿硬化性能差,孔隙較大,導致黃河砂漿28 d齡期的抗壓強度低。