磨細(xì)粉煤灰對混凝土ITZ微觀結(jié)構(gòu)的影響

宋 超，肖伯強(qiáng)

(中交二航局六分公司，湖北武漢430017)

材料的組成一定時(shí)，材料宏觀性能主要取決于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［1］?；炷潦且环N非均質(zhì)的準(zhǔn)脆性材料，在混凝土的集料和漿體之間存在一厚度約為20μm ～ 40μm 的薄區(qū)——界面過渡區(qū) (Interficial Transition Zone，ITZ)［2］。ITZ 的組成和結(jié)構(gòu)對混凝土的強(qiáng)度和耐久性有重要的影響，對界面過渡區(qū)的改善將對混凝土的各項(xiàng)性能產(chǎn)生明顯的影響，特別是對于混凝土抗拉強(qiáng)度和斷裂能。相關(guān)資料顯示［3］，界面過渡區(qū)對抗拉強(qiáng)度的影響程度可以達(dá)到將近40%。普通混凝土ITZ的w/b要大于本體漿體并且存在大量取向的Ca(OH)2和AFt晶粒，導(dǎo)致空隙率非常大［4］，為溶液滲透和離子傳質(zhì)提供通道。礦物摻合料如粉煤灰等，可與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，降低ITZ中晶體含量，同時(shí)反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，填充在集料和水泥漿之間的空隙中，細(xì)化顆粒和孔隙，提高混凝土的密實(shí)性，增強(qiáng)ITZ的粘結(jié)強(qiáng)度［5］。粉煤灰的活性效應(yīng)主要受顆粒形貌和級配的影響。利用MS2000和SEM對普通Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰的顆粒形貌和級配進(jìn)行測試，并分析研究兩者對混凝土的ITZ結(jié)構(gòu)的作用影響。

1 試驗(yàn)原材料

原材料包括:42.5級普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1;普通Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰，其物理性能見表2;S75級礦粉，其物理性能見表3。

表1 42.5級普通硅酸鹽水泥物理性能

表2 兩種Ⅱ級粉煤灰物理性能 /%

表3 S75級礦粉物理性能

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰粒度測試

從圖1可以看出，磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰和普通Ⅱ級粉煤灰相比，普通Ⅱ級粉煤灰的粒徑分布較窄，中顆粒較多，細(xì)顆粒和粗顆粒含量相對較小，主要分布在10μm～100μm;而磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰是原狀粉煤灰在機(jī)械力作用下產(chǎn)生的，海綿狀玻璃體粗顆粒被碾碎，在粉磨過程中也會(huì)發(fā)生自粉磨現(xiàn)象，導(dǎo)致體系內(nèi)部存在大量細(xì)小的碎屑，同時(shí)存在含量較高的部分未被碾碎粗顆粒，因此在整體上來看磨細(xì)粉煤灰的顆粒分布較寬。

圖1 粉煤灰累計(jì)粒徑分布

2.2 粉煤灰的微觀形貌

從圖2、3可以看出，通過SEM觀察可以觀察到，相比于普通Ⅱ級粉煤灰的顆粒形狀規(guī)則，多為光滑致密的球狀顆粒，顆粒間的黏連較少，吸附力較小;磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰的顆粒在機(jī)械力作用下被粉碎，球形度較差，多為形狀不規(guī)則的半月形碎片，且顆粒表面粗糙、缺陷較多，存在大量粉末碎屑，化學(xué)活性較高。

圖2 普通級粉煤灰的SEM

圖3 磨細(xì)級粉煤灰的SEM

2.3 粉煤灰混凝土微觀形貌

對比圖4、5可以看出，磨細(xì)粉煤灰混凝土的表面結(jié)構(gòu)要比普通粉煤灰混凝土致密，主要是由于磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰的顆粒分布較寬，可與水泥、礦粉顆粒形成最緊密堆積，有利于混凝土結(jié)構(gòu)致密化;普通Ⅱ級粉煤灰的顆粒分布較窄，顆粒粒徑組成單一，不能形成最緊密堆積，導(dǎo)致顆粒間空隙較多，不利于混凝土結(jié)構(gòu)的緊密連接。

圖4 普通粉煤灰混凝土的表面SEM

圖5 磨細(xì)粉煤灰混凝土的表面SEM

由圖6可以看出，到28d時(shí)普通粉煤灰混凝土在ITZ內(nèi)部及附近仍有一定數(shù)量的針狀、片狀微晶和部分未水化的粉煤灰顆粒，ITZ的結(jié)構(gòu)疏松、空隙率較大。這主要是因?yàn)槠胀ǚ勖夯翌w粒表面光滑致密，水泥和水分無法進(jìn)入到微珠內(nèi)部，微珠表面的活性硅首先與Ca(OH)2反應(yīng)然后反應(yīng)逐步向內(nèi)部擴(kuò)展，水化進(jìn)程緩慢，到28d時(shí)普通粉煤灰仍未水化完全。

相比于普通粉煤灰混凝土，從圖7中可以觀察到，磨細(xì)粉煤灰混凝土的ITZ內(nèi)部界面含有大量C-S-H凝膠包裹在集料周圍，并填充在集料與水泥石之間的空隙內(nèi)。磨細(xì)粉煤灰混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，已經(jīng)不能明顯觀察到粉煤灰顆粒的形貌。磨細(xì)粉煤灰的顆粒球形度較差，顆粒比表面積顯著增大且表面缺陷較多，加之礦粉的協(xié)同促進(jìn)作用，到28d時(shí)水化凝膠已經(jīng)大量填充在ITZ內(nèi)部，降低ITZ的空隙率，增強(qiáng)了界面過渡區(qū)的密度，減少了微晶在界面過渡區(qū)的富集有利于混凝土的強(qiáng)度、耐久性等顯著提高。

圖6 普通粉煤灰混凝土ITZ的28d SEM

圖7 磨細(xì)粉煤灰混凝土ITZ的28d SEM

3 結(jié)論

通過對比普通Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰、普通粉煤灰混凝土和磨細(xì)粉煤灰混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性能，研究發(fā)現(xiàn):(1)普通Ⅱ級粉煤灰多為表面光滑、形狀規(guī)則的球形顆粒，顆粒粒徑分布較窄;磨細(xì)Ⅱ級粉煤灰顆粒多為表面粗糙、形狀不規(guī)則的顆粒，顆粒分布較寬;(2)磨細(xì)粉煤灰活性要高于普通Ⅱ粉煤灰，到28d時(shí)磨細(xì)粉煤灰混凝土的ITZ結(jié)構(gòu)要比普通粉煤灰混凝土的ITZ結(jié)構(gòu)致密。

［1］ 龍廣成，謝友均，劉寶舉.超高性能混凝土的試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料.2007(4):12-14.

［2］ (加)Sidney Mindess，(美)J.Francis Young，(美)David Darwin 著，混凝土(第二版)［M］.吳科如等譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:268-270.

［3］ Neubauer，C.M.，Jennings，H.M.，and Garboczi，E.J.，A Three-Phase Model of the Elastic and Shrinkage Properties of Mortar［J］.J.of Advanced Cement-Based Materials.1996，20(4):6-15.

［4］ 萬惠文.含RA、FA的綠色混凝土結(jié)構(gòu)與性能研究.［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.

［5］ 沈旦申，張蔭濟(jì).粉煤灰效應(yīng)的探討［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1981，9(1):57-63.