水化硅酸鈣對加氣混凝土干燥收縮的影響

高超 ，蔣亞清 ，2，王玉 ，潘云峰 ，2，黃萬明

（1.河海大學 力學與材料學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學淮安研究院，江蘇 淮安 223001；3.鹽城力通建材有限公司，江蘇 鹽城 224100）

加氣混凝土具有輕質、低導熱、防火[1-3]等優(yōu)良性能，加之采用非燒結工藝生產，是滿足建筑工業(yè)化和建筑節(jié)能需求的基礎性墻體材料，其主要水化產物為低鈣硅比水化硅酸鈣凝膠C-S-H（I）、托勃莫來石晶體和水石榴石。常見的粉煤灰加氣混凝土中的水化硅酸鈣數量及結晶度低于砂加氣混凝土[4]。特定的高分散性多孔結構和礦物組成既賦予了加氣混凝土滿足建筑墻體保溫、隔熱、防火等性能需求，又導致產生加氣混凝土墻體收縮開裂的通病。為提高加氣混凝土抗裂性能，國內外學者開展了深入的理論研究。H?pital等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，鋁在水化硅酸鈣中橋位Q2b的摻雜，使硅氧四面體分子平均鏈長和層間距增加，在一定條件下可促進低收縮水化產物生成；通過在硅氧四面體長鏈中進行元素摻雜，可顯著改善水化硅酸鈣的力學性能和材料的體積穩(wěn)定性。

現(xiàn)有研究主要集聚于水化硅酸鈣改性、加氣混凝土吸水特性調控等方面[7]，極少涉及水化產物組成對加氣混凝土干燥收縮影響的定量研究。本文通過半定量分析，構建加氣混凝土基材干燥收縮值隨其水化硅酸鈣膠體含量和托勃莫來石含量變化的等值線圖，研究加氣混凝土干燥收縮性能及水化產物組成對加氣混凝土干燥收縮的影響，為正確認識加氣混凝土收縮機理提供參考依據[8-9]。

1 試驗

1.1 原材料

砂：磨細石英粉，過0.08 mm篩，東海遠洋石英砂廠；石灰：分析純CaO，有效氧化鈣含量99%，天津致遠化學試劑有限公司；石膏：脫硫石膏；水泥：P·Ⅱ52.5，江蘇八菱海螺水泥有限公司；水：自來水；加氣混凝土砌塊：干密度為501 kg/m3、抗壓強度為5.3 MPa的砂加氣混凝土和干密度為620 kg/m3、抗壓強度為4.9 MPa的粉煤灰加氣混凝土砌塊，鹽城力通建材有限公司提供。

1.2 水熱合成試驗配比

水泥-石灰-砂加氣混凝土基材水熱合成采用表1所示正交試驗方案。

表1 正交試驗因素水平

1.3 試驗方法

將磨好的石英粉、水泥、石膏、生石灰和水按配比稱量，然后在攪拌機中攪拌，倒入40 mm×40 mm×160 mm的試模中。試塊成型后自然養(yǎng)護24 h脫模，放置于蒸壓釜中進行水熱合成，在180℃、1 MPa蒸汽壓力下反應8 h。試塊出釜后參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》快速試驗法測干燥收縮值。

將加氣混凝土試樣破碎成5～8 mm顆粒，用無水酒精浸泡24 h置換出其中的水，在60℃條件下烘干至恒重。取部分顆粒進行真空干燥和噴金處理，在JSM5610LV SEM分析儀上進行SEM及BSE分析；取部分顆粒在環(huán)氧樹脂中浸泡，待固化后研磨成粉末，進行XRD和BET測試，根據測試結果參照文獻[10]半定量分析試樣中水化硅酸鈣膠體和晶體的含量。

2 結果與分析

2.1 基材干燥收縮等值線圖

水熱合成獲得的水泥-石灰-砂加氣混凝土基材正交試驗樣品，經測試干燥收縮值，并采用XRD/BET法半定量分析水化硅酸鈣膠體（C-S-H）和晶體（托勃莫來石）的含量，繪制圖1、圖2所示水泥-石灰-砂加氣混凝土基材收縮值隨C-S-H和托勃莫來石含量變化的等值線圖。

圖1 水泥-石灰-砂加氣混凝土基材收縮隨C-S-H膠體和托勃莫來石含量變化的等值線

圖2 等值線上限線性段局部擬合

由圖1可知，基材具有低收縮值的水化產物含量為：晶體（18.6±1.0）%、膠體（41.5±1.0）%，相應地，基材收縮值小于0.23 mm/m。隨水化硅酸鈣含量變化，基材呈現(xiàn)出如下收縮規(guī)律：當晶體含量小于19%時，隨膠體含量增加，基材收縮表現(xiàn)為先減小后增大；當晶體含量大于19%時，基材收縮隨膠體含量增加而減小。

由圖2可知，等值線上限線性段局部即晶體含量為22%～27%、膠體含量為39%～47%時，水泥-石灰-砂加氣混凝土基材收縮值近似為恒定值，保持在0.41～0.46 mm/m。并且，該直線段水化硅酸鈣膠體與晶體含量具有式（1）函數關系。經數值模擬，C-S-H凝膠和托勃莫來石含量在滿足該函數關系時，對基材干燥收縮的影響系數分別為4.31和-5.85。

通過定量基材中水化硅酸鈣膠體和托勃莫來石晶體含量，利用等值線圖獲取基材干燥收縮值數據，可為優(yōu)化蒸壓工藝參數、原材料配比及按性能設計加氣混凝土提供參考。

2.2 水化硅酸鈣組成對加氣混凝土干燥收縮的影響

根據試驗結果，砂加氣混凝土和粉煤灰加氣混凝土砌塊的干燥收縮值分別為0.47、0.52mm/m，均符合GB11968—2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》標準要求。

2類加氣混凝土的XRD圖譜見圖3。

圖3 加氣混凝土的XRD圖譜

經定量分析，砂加氣混凝土砌塊和粉煤灰加氣混凝土砌塊中水化硅酸鈣膠體質量含量相近，分別為41%和40%；砂加氣混凝土砌塊則明顯比粉煤灰加氣混凝土砌塊中含有更多的托勃莫來石，分別為22%和18%，前者與后者的晶體質量比為1.22。查圖1可得，砂加氣混凝土基材干燥收縮值為0.27 mm/m，粉煤灰加氣混凝土基材的收縮值略小，為0.22 mm/m，將以上數值與對應的加氣混凝土干燥收縮值對比計算，即可得基材收縮占加氣混凝土收縮的貢獻率分別為：砂加氣混凝土基材占57.4%，粉煤灰加氣混凝土基材占42.3%。從以上推導角度考慮，務必重視基材收縮的影響。

為定量表征基材收縮和加氣混凝土收縮的關系，從立體維度推導至單維度，可由式（2）計算基材收縮導致的加氣混凝土干燥收縮值：

式中：ε——基材收縮導致的加氣混凝土干燥收縮值，mm/m；

εm——基材干燥收縮值，mm/m；

Vm——加氣混凝土中基材的體積率。

2類加氣混凝土的微觀形貌分別見圖4、圖5。

圖4 砂加氣混凝土的微觀形貌

圖5 粉煤灰加氣混凝土的微觀形貌

對比圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，砂加氣混凝土中的托勃莫來石呈現(xiàn)規(guī)則的片狀，而粉煤灰加氣混凝土中的托勃莫來石則為葉片狀，表現(xiàn)為典型的元素摻雜形貌。由于粉煤灰中含有約30%的Al2O3，參與水熱合成反應，并在水化硅酸鈣橋位摻雜，而過多的Al2O3又會對水熱反應產生抑制作用，因而在相同的蒸壓養(yǎng)護條件下，砂加氣混凝土中水化硅酸鈣膠體含量比粉煤灰加氣混凝土高。

雖然粉煤灰加氣混凝土基材具有較低的收縮率，但粉煤灰加氣混凝土的收縮值卻較高。也就是說，粉煤灰加氣混凝土因孔隙水干燥導致的收縮較砂加氣混凝土大。為探明加氣混凝土中的孔在水分傳輸中的作用，通過對2類加氣混凝土BSE圖像的宏觀孔進行定量表征，發(fā)現(xiàn)砂加氣混凝土宏觀孔隙率為5.9%，而粉煤灰加氣混凝土宏觀孔隙率高達13.8%。

2.3 基于水化產物組成的加氣混凝土工藝優(yōu)化

綜合國內外研究成果及作者已有定量分析數據可知，當水化產物達到一定數量后，加氣混凝土的力學性能增幅較小。因此，以目標強度、干燥收縮值和耐久性為指標，進行加氣混凝土性能設計，對優(yōu)化生產工藝，提高產品綜合性能，具有重要的意義。

由圖1可知，控制加氣混凝土膠體含量為40%～43%、晶體含量17%～20%，加氣混凝土基材收縮值為0.23～0.28 mm/m。例如，對B05級加氣混凝土，基材體積率為0.25～0.30，則基材產生的收縮值僅為0.14～0.19 mm/m。顯而易見，調控水化產物含量和組成，可有效減少加氣混凝土干燥收縮。

加氣混凝土在特定溫度和蒸汽壓力下的水熱反應速率通常為固定值，且在正常工藝條件下硅質材料的反應程度小于50%，因而宜通過優(yōu)化硅質材料顆粒級配、鈣硅摩爾比、水熱合成溫度和壓力，賦予加氣混凝土在滿足預期的物理、力學性能和耐久性的同時，具備較低的干燥收縮，以提高墻體抗裂性能。

3 結論

（1）通過定量水化硅酸鈣晶體和膠體含量，構建加氣混凝土基材收縮值隨水化產物含量變化的等值線圖，為正確認識加氣混凝土干燥收縮機理及進行加氣混凝土性能設計提供了理論參考依據。

（2）水泥-石灰-砂加氣混凝土基材收縮值在晶體含量為22%～27%、膠體含量為39%～47%范圍內穩(wěn)定在0.41～0.46 mm/m，膠體和晶體在該區(qū)間內對基材干燥收縮的影響系數分別為4.31和-5.85。

（3）砂加氣混凝土和粉煤灰加氣混凝土中水化硅酸鈣膠體含量相近，前者與后者的晶體質量比為1.22，水化硅酸鈣對2種加氣混凝土干燥收縮的貢獻率分別為57.4%和42.3%。