凝灰?guī)r微粉對干混蒸壓養(yǎng)護水泥硬化漿體性能的影響

葉青，李寶東，張澤南

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引言

月球具有可供人類開發(fā)和利用的多種獨特資源，又將是人類探索外太空的重要跳板。為此需要先在月球上建設(shè)基地，需要研制出低成本的建設(shè)施工方法。對多種材料的探索[1-6]表明，水泥混凝土是一種有可能適應(yīng)月球環(huán)境的建筑材料。

經(jīng)現(xiàn)有探測得知，月球表層土[1-2，7-9]主要為礦物碎屑、非晶態(tài)火山灰和月球獨有的凝聚體顆粒等，部分表層土的比表面積達到300～500 m2/kg。以非晶態(tài)火山土為例，其化學(xué)成分SiO2、Al2O3、CaO 的含量分別為44.87%、25.48%、14.52%。月球表層巖石部分大多數(shù)為玄武巖、橄欖石、斜長石及鈦鐵礦等，其強度與地球上的同類巖石相同。20世紀70年代，美國學(xué)者Lin等[1-3]建議采用熔融法將含有水泥成分的月巖進行熔融、分離、再熔融制備鋁酸鹽水泥，并進行了系列研究。在月球上生產(chǎn)水泥是一件不容易的事，而且近期有關(guān)月球水泥研究的報道很少。由近期的研究[4-5]可知，在初次建基地時，美國還是將使用從地球帶去的硅酸鹽水泥。

針對月球上的真空條件和可能沒有水的特殊情況，20世紀90年代，美國進行了采用干混蒸壓養(yǎng)護法[dry-mix/steaminjection method（DMSIM）]制備水泥砂漿和混凝土的研究[3-5]。其工藝為先干拌適當(dāng)比例的硅酸鹽水泥、砂和石，再放入蒸汽定型釜內(nèi)，以高溫高壓蒸汽蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)時間小于24 h即可完成固化，其混凝土強度達到50～70 MPa，比傳統(tǒng)混凝土提高1倍左右，而所需的水泥量只有傳統(tǒng)混凝土的一半。美國學(xué)者LIN與我國臺灣學(xué)者SU等[2-3]合作對采用硅酸鹽水泥制備的干混蒸汽砂漿和混凝土的水化機理、蒸壓時間和工程性能進行了研究。

在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)想利用月球表面的火山灰質(zhì)材料或硅質(zhì)材料與堿性材料（硅酸鹽水泥和氧化鈣等）復(fù)合，通過干混蒸壓養(yǎng)護法工藝，研制適合于月球的蒸壓摻火山灰質(zhì)材料或硅質(zhì)材料的水泥混凝土。本文僅試驗研究水泥硬化漿體性能隨火山灰質(zhì)材料（凝灰?guī)r微粉）摻量的變化規(guī)律。

1 試驗用原材料和試驗方法

1.1 原材料

凝灰?guī)r微粉：由取自浙江省舟山市的凝灰?guī)r經(jīng)烘干并粉磨而成，比表面積365 m2/kg，除非晶體相外還含有的晶體礦物主要為石英和鈉鈣長石，其XRD圖譜見圖1。水泥：市售P·Ⅱ 52.5水泥，28 d 抗折、抗壓強度分別為 8.5、56.4 MPa，比表面積為355 m2/kg，水泥和凝灰?guī)r微粉的化學(xué)成分見表1。水：杭州當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

表1 硅酸鹽水泥和凝灰?guī)r微粉的化學(xué)成分 %

圖1 試驗用凝灰?guī)r的XRD圖譜

1.2 試驗設(shè)備

試驗用蒸壓設(shè)備為YZF-20型蒸壓釜，容積為0.0085 m3，最高蒸汽壓力2.5 MPa，精度為0.05 MPa，可自動控制；試驗用食品粉碎機型號為HL-28，額定電壓220V。

X射線衍射（XRD）儀為SCINTAGX'TRA型，使用Cu靶，電流40 mA，電壓 45 kV，掃描速度4°/min，步長 0.04°，美國熱電（Thermol）生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

1.3.1 采用干混蒸汽法制備摻凝灰?guī)r微粉的水泥硬化漿體

采用干混蒸壓養(yǎng)護的水泥硬化漿體的試樣代號為GHi，其中i為凝灰?guī)r微粉的質(zhì)量百分比（配合比見表2）。

表2 采用干混蒸汽法制備摻凝灰?guī)r微粉的水泥硬化漿體試樣混合料的配合比 g

首先，在干燥條件下借助食品粉碎機，轉(zhuǎn)速10 000 r/min，將按設(shè)定比例的水泥和凝灰?guī)r微粉充分混合成膠凝材料（或稱干混合料）。用手工將上述膠凝材料[稱量（m1），精度0.1 g]分別加入到三聯(lián)試模（31.6 mm×31.6 mm×50.0 mm）中，并成型2批試樣，人工適當(dāng)搗實，盡量做到力度一致.然后放入蒸壓釜內(nèi)，進行蒸壓養(yǎng)護，在140℃、0.3 MPa的蒸汽中保持3 h，再在213℃、1.9 MPa的蒸汽中保持9 h后，即可完成固化。其中一組隨釜冷卻12 h至室溫后出釜并拆模，得到棱柱體試件，稱量m2，由此可計算得到硬化漿體的（出釜）水膠比[（W/B）1，計算見式（1）]。然后將試件放入（105±5）℃的烘箱中干燥 6 h，在干燥器中冷卻到室溫后，進行稱量（m3），再將試件浸入（20±2）℃的水中使其吸水，48 h后取出，用擰干的毛巾擦去表面潤濕水，稱出試件的飽和面干質(zhì)量（m4），由此可計算得到硬化漿體的（飽水）水膠比[（W/B）2，計算見式（2）]，硬化漿體的非蒸發(fā)水與膠凝材料質(zhì)量比[以下簡稱為非蒸發(fā)水膠比（Wn/B），計算見式（3）]，（干）體積密度[ρ0，計算見式（4）]和體積吸水率[φ（W），計算見式（5）]。

式（4）、（5）中 50.0 為試件的體積，cm3；1.00 為水的密度，g/cm3。

將另一組出釜試件放入（105±5）℃的烘箱中干燥6 h，在干燥器中冷卻至室溫，然后進行硬化漿體的軸心抗壓強度試驗，取3個試件的平均值作為測試結(jié)果，并換算成立方體抗壓強度，換算系數(shù)為1.17。取上述抗壓破碎后的硬化漿體，先進行研磨，過0.08 mm方孔篩，再進行X射線衍射（XRD）試驗，以分析水泥硬化漿體中的物相。

1.3.2 采用濕拌蒸汽法制備摻凝灰?guī)r微粉的水泥硬化漿體

采用濕拌成型并蒸壓養(yǎng)護的水泥硬化漿體，其水膠比為0.28，試樣代號為SHi，是本文的對比試樣，其中i為凝灰?guī)r微粉的質(zhì)量百分比。配合比見表3。

表3 采用濕拌蒸汽法制備摻凝灰?guī)r微粉水泥硬化漿體混合料試樣的配合比g

根據(jù)表3配合比，分別稱量水泥和凝灰?guī)r微粉，總質(zhì)量共計500 g，在干燥條件下借助食品粉碎機將它們充分混合成膠凝材料。然后采用水泥凈漿的拌制方法（GB/T 1346—2011）制備濕拌凝灰?guī)r水泥漿體。把上述漿體分2層加入到三聯(lián)模中適當(dāng)搗實并成型2批試樣。一批放入標(biāo)準養(yǎng)護箱養(yǎng)護12h，再放入蒸壓釜中進行蒸壓養(yǎng)護（140℃，0.3 MPa）3 h，再在213℃，1.9 MPa的蒸汽中保持9 h，其它物理性能的測試、計算與干混蒸壓養(yǎng)護法制得硬化漿體相同；另一批（試樣代號為NHi）放入標(biāo)準養(yǎng)護箱養(yǎng)護24 h后拆模，然后在20℃水中養(yǎng)護至28 d，并進行抗壓強度測試。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 水膠比

對于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的水泥硬化漿體,其水膠比按加水?dāng)嚢钑r的水膠比（0.28）而定，但對于經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥硬化漿體的水膠比就不易定，其初始水膠比為0，因此以（出釜）水膠比和（飽水）水膠比來替代。

圖2為干混蒸壓養(yǎng)護（GH）和濕拌蒸壓養(yǎng)護（SH）水泥硬化漿體的水膠比隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律。

圖2 水泥漿體水膠比隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律

由圖2可見，對于經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后摻凝灰?guī)r微粉的水泥漿體，在凝灰?guī)r微粉摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，其（出釜）水膠比（W/B）1分別為 0.169、0.173、0.172、0.172、0.171、0.169、0.166，均小于 0.18，分別為本組空白試樣 GH0的 1.02、1.02、1.02、1.01、1.00、0.98 倍，在凝灰?guī)r微粉摻量不大于50%時其水膠比均略大于空白試樣，且在凝灰?guī)r微粉摻量為10%時，其水膠比達到最大值；在凝灰?guī)r微粉摻量大于50%時其水膠比小于空白試樣。其（飽水）水膠比（W/B）2分別為 0.241、0.215、0.207、0.198、0.193、0.188、0.187，均小于0.25，分別為本組空白試樣GH0的0.89、0.86、0.82、0.80、0.78、0.78倍，其水膠比均小于空白試樣，且隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加呈逐漸減小的趨勢。

在相同凝灰?guī)r微粉摻量的條件下，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥硬化漿體的水膠比明顯低于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后水泥硬化漿體的水膠比，因此其密實度大于后者。

2.2 非蒸發(fā)水膠比

圖3為干混蒸壓養(yǎng)護和濕拌蒸壓養(yǎng)護水泥硬化漿體的非蒸發(fā)水膠比（Wn/B）隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律。

圖3 水泥漿體非蒸發(fā)水膠比隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律

由圖3可見，凝灰?guī)r微粉摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，在經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后其硬化漿體的非蒸發(fā)水膠比分別為本組空白試樣 GH0 的 0.88、，0.79、0.70、0.62、0.53、0.46倍，且隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而逐漸降低。而且在相同凝灰?guī)r微粉摻量的條件下其非蒸發(fā)水膠比與經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后非蒸發(fā)水膠比的比值分別為0.973、0.976、0.966、0.951、0.949、0.946、0.950，即前者小于后者，但很接近。

由此可知，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥漿體的非蒸發(fā)水膠比隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而依次降低，在凝灰?guī)r微粉摻量相同的條件下經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥硬化漿體的非蒸發(fā)水膠比略小于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的非蒸發(fā)水膠比。

2.3 體積密度

圖4為干混蒸壓養(yǎng)護和濕拌蒸壓養(yǎng)護水泥硬化漿體的體積密度隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律。

由圖4可見，在凝灰?guī)r微粉摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥漿體的體積密度分別為本組空白試樣 GH0 的 1.01、1.00、0.99、0.97、0.95、0.93倍，在凝灰?guī)r微粉摻量不大于20%時其體積密度均略大于空白試樣，在凝灰?guī)r微粉摻量大于20%時其體積密度均小于空白試樣，且依次降低。同理，經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后水泥漿體的體積密度分別為本組空白試樣SH0 的 0.99、0.97、0.95、0.93、0.91、0.90倍，隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加，其體積密度均小于空白試樣，且依次降低。

圖4 水泥硬化漿體體積密度隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律

由此可知，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體的體積密度隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加而先略有增加后依次降低；在相同摻量條件下，其體積密度均高于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體。

2.4 體積吸水率

圖5為干混蒸壓養(yǎng)護和濕拌蒸壓養(yǎng)護水泥硬化漿體的體積吸水率隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律。

圖5 水泥硬化漿體體積吸水率隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律

由圖5可見，在凝灰?guī)r微粉摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后水泥漿體的體積吸水率分別為本組空白試樣 GH0 的 0.98、0.99、1.05、1.10、1.17、1.26倍，在凝灰?guī)r微粉摻量不大于20%時其體積吸水率均略小于空白試樣，在凝灰?guī)r微粉摻量大于20%時其體積吸水率均明顯大于空白試樣，且依次增大。在相同凝灰?guī)r微粉摻量的條件下其體積吸水率與經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后體積吸水率的比值分別為0.84、0.82、0.82，0.85、0.88、0.88、0.90，即前者明顯小于后者。

體積吸水率約等于開口孔的孔隙率，體積吸水率越大則開口孔隙率就越大。由此可知，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體的體積吸水率隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加而先略有降低后依次增加；在相同摻量的條件下，其體積吸水率均明顯低于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體的體積吸水率。

2.5 抗壓強度

圖6為經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后與經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后、經(jīng)濕拌標(biāo)準養(yǎng)護28 d時水泥硬化漿體的強度隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律。

圖6 水泥硬化漿體抗壓強度隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律

由圖6可知：

（1）經(jīng)濕拌標(biāo)準養(yǎng)護（NH）28 d摻凝灰?guī)r微粉的水泥漿體，在凝灰?guī)r微粉摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，其抗壓強度分別為本組空白試樣NH0的0.97、0.87、0.75、0.64、0.54、0.44倍，其抗壓強度均小于空白試樣，并隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而依次降低。究其原因，在濕拌標(biāo)準養(yǎng)護至28 d齡期時，水泥的水化程度大約為80%，凝灰?guī)r微粉在此養(yǎng)護條件下更多起到的是填充的作用，因此其強度隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而依次降低。

（2）經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護（SH）后摻凝灰?guī)r微粉的水泥漿體，在上述凝灰?guī)r微粉摻量的條件下，其抗壓強度分別為本組空白試樣 SH0 的 1.07、1.05、1.01、0.92、0.79、0.68 倍，在凝灰?guī)r微粉摻量不大于30%時其抗壓強度均大于空白試樣，且在凝灰?guī)r微粉摻量為10%時其抗壓強度達到最大值；在凝灰?guī)r微粉摻量大于30%時其抗壓強度均小于空白試樣，且依次降低。究其原因，在濕拌成型12 h后再在140℃的蒸汽中保持3 h和在213℃的蒸汽中保持9 h養(yǎng)護后，水泥的水化程度已接近100%，在氫氧化鈣含量充足的條件下凝灰?guī)r微粉中非晶態(tài)的SiO2和結(jié)晶態(tài)的石英等礦物均能與氫氧化鈣作用而水化生成水化硅酸鈣。因此其強度在凝灰?guī)r微粉摻量不大于30%時其抗壓強度均大于空白試樣，在凝灰?guī)r微粉摻量大于30%時其抗壓強度均小于空白試樣，且依次降低。

經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護（GH）后摻凝灰?guī)r微粉的水泥漿體，在上述凝灰?guī)r微粉摻量的條件下，其抗壓強度分別為分別為本組空白試樣GH0 的 1.11、1.08、1.00、0.86、0.72、0.62 倍，在凝灰?guī)r微粉摻量不大于30%時其抗壓強度均大于空白試樣，且在凝灰?guī)r微粉摻量為10%時其抗壓強度達到最大值；在凝灰?guī)r微粉摻量大于30%時其抗壓強度均小于空白試樣，且依次降低。其強度發(fā)展規(guī)律與上述經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的水泥硬化漿體強度隨凝灰?guī)r微粉摻量的變化規(guī)律相似，但在相同凝灰?guī)r微粉摻量條件下其強度均高于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的強度。究其原因，主要是經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后摻凝灰?guī)r微粉的水泥漿體的密實度高和水膠比低。

由此可知，在凝灰?guī)r微粉摻量相等的條件下經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后的漿體抗壓強度要高于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的漿體強度，且明顯高于經(jīng)濕拌標(biāo)準養(yǎng)護28 d后的漿體強度。

2.6 XRD分析

圖7為經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后不同凝灰?guī)r微粉摻量水泥硬化漿體的XRD圖譜。

圖7 經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后不同凝灰?guī)r微粉摻量水泥硬化漿體的XRD圖譜

由圖7可見，對于不摻凝灰?guī)r微粉的水泥試樣GH0，其（半）結(jié)晶相為氫氧化鈣、水化硅酸三鈣（C6S2H3）、水化硅酸二鈣（C2SH2）、硬硅鈣石（C6S6H）和水石榴石（C3ASH4～C3AS2H2）等，水泥熟料礦物已水化。

對于摻10%凝灰?guī)r微粉的水泥試樣GH10，其（半）結(jié)晶相為水化硅酸三鈣、水化硅酸二鈣、硬硅鈣石和水石榴石等，水泥熟料礦物已水化，氫氧化鈣晶體還存在。對于摻20%凝灰?guī)r微粉的水泥試樣GH20，其（半）結(jié)晶相為托勃莫來石（C5S6H5），硬硅鈣石和水石榴石等，氫氧化鈣晶體已不存在。對于試樣GH40，其（半）結(jié)晶相為托勃莫來石，白鈣沸石，硬硅鈣石和水石榴石等，還有少量未發(fā)生水化反應(yīng)的石英和奧長石存在。對于試樣GH60，其（半）結(jié)晶相為白鈣沸石、托勃莫來石和水石榴石等，還有大量未發(fā)生水化反應(yīng)的石英和奧長石存在。

由此可知，經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護后，水泥熟料礦物已水化；在摻20%凝灰?guī)r微粉時氫氧化鈣晶體已不存在；在摻40%凝灰?guī)r微粉時已有少量未發(fā)生水化反應(yīng)的石英和奧長石存在；在摻60%凝灰?guī)r微粉時，已有大量未發(fā)生水化反應(yīng)的石英和奧長石存在。隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加，依次出現(xiàn)的水化硅酸鈣的產(chǎn)物為水化硅酸三鈣，水化硅酸二鈣，硬硅鈣石，托勃莫來石和白鈣沸石。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體，其抗壓強度和體積密度均隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而先有增加后依次降低，其非蒸發(fā)水膠比和水膠比均隨凝灰?guī)r微粉摻量的增加而依次降低，其體積吸水率隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加而先略有降低后依次增加。

（2）在相同凝灰?guī)r微粉摻量的條件下，其抗壓強度高于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后的漿體強度，且明顯高于經(jīng)濕拌標(biāo)準養(yǎng)護28 d后的漿體強度；其水膠比和體積吸水率明顯低于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護后水泥硬化漿體的水膠比和體積吸水率；其體積密度均高于經(jīng)濕拌蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體的體積密度。

（3）在經(jīng)干混蒸壓養(yǎng)護制得的水泥硬化漿體中，水泥熟料礦物已水化；在摻20%凝灰?guī)r微粉時氫氧化鈣晶體已不存在；在摻40%凝灰?guī)r微粉時已有少量未發(fā)生水化反應(yīng)的石英和奧長石存在。隨著凝灰?guī)r微粉摻量的增加，依次出現(xiàn)的水化硅酸鈣的產(chǎn)物為水化硅酸三鈣，水化硅酸二鈣，硬硅鈣石，托勃莫來石和白鈣沸石。