基于SEM和XRD微觀測(cè)試下單摻礦物摻合料透水混凝土性能分析

吳 慶,朱袁潔,許 耀,胡 杰,吳曉濤,王石林

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212005)

近年來(lái),隨著海綿城市的推廣,透水混凝土作為其建設(shè)和發(fā)展的重要組成部分,不僅緩解了城市內(nèi)澇使雨水滲入路表回歸土壤和地下水,解決水資源短缺問(wèn)題,同時(shí)增加城市透氣面積,降低地表溫度,緩解“熱島效應(yīng)”[1-2]．但是由于透水混凝土造價(jià)過(guò)高且強(qiáng)度較低,其推廣應(yīng)用受到了一定限制．而常見的粉煤灰、礦粉、硅灰等工業(yè)廢灰,可取代透水混凝土中的一部分水泥,達(dá)到廢物重新利用,緩解環(huán)境壓力,降低成本等效果[3-4],同時(shí)能夠改善混凝土拌合物的施工性能、硬化后力學(xué)性能以及混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能[5-6]．

從目前來(lái)看,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面的研究已經(jīng)有一定進(jìn)展．文獻(xiàn)[7]探究了在透水混凝土中加入粉煤灰、砂子和減水劑組合的最優(yōu)配合比,同時(shí)采用普式壓實(shí)法制作試件,得到立方體28 d抗壓強(qiáng)度約為24.23 MPa;文獻(xiàn)[8]使用堿礦渣水泥代替普通硅酸鹽水泥,同時(shí)加入電弧熔爐礦渣,得到立方體28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)35 MPa,但其經(jīng)濟(jì)性不佳;文獻(xiàn)[9]將聚合物乳液和硅灰以及高效減水劑等外加劑雙摻或多摻在透水混凝土中,結(jié)果表明:摻入高效減水劑,硅灰摻量為6%,聚合物乳液摻量為2%時(shí)透水混凝土抗壓強(qiáng)度最大;文獻(xiàn)[10]研究了單摻粉煤灰、硅灰以及雙摻粉煤灰、硅灰取代部分水泥對(duì)透水混凝土膠結(jié)層的影響,從力學(xué)性能角度看,單摻硅灰效果最佳,雙摻效果次之,單摻粉煤灰效果最差,但其所得到的透水混凝土抗壓強(qiáng)度大多在10～20 MPa之間,滿足不了輕型機(jī)動(dòng)車路面的強(qiáng)度要求．目前已有較多學(xué)者研究礦物摻合料對(duì)透水混凝土性能的影響,但研究所得到的C30強(qiáng)度等級(jí)以上透水混凝土很少,也很少有人系統(tǒng)地通過(guò)宏觀和微觀相結(jié)合的方法對(duì)比不同礦物摻合料對(duì)透水混凝土性能的影響,而對(duì)膠結(jié)層的水化反應(yīng)程度和生成產(chǎn)物相關(guān)分析更是少之又少．

故文中通過(guò)研究單摻粉煤灰、礦粉、硅灰作用下透水混凝土在7 d、28 d和56 d養(yǎng)護(hù)齡期的基本性能,同時(shí)對(duì)透水混凝土膠結(jié)層進(jìn)行SEM電鏡掃描和XRD測(cè)試,研究其微觀形貌,定性地研究其水化產(chǎn)物,進(jìn)而從微觀機(jī)理解釋宏觀差異,進(jìn)一步探究礦物摻合料對(duì)透水混凝土性能的影響．

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

本研究采用江蘇鶴林水泥有限公司提供的42.5普通硅酸鹽水泥,南京下關(guān)電廠提供的二級(jí)粉煤灰,S95級(jí)高爐礦渣粉,南京第二熱電廠提供的硅灰,其主要性能詳見表1．粗骨料采用5 mm-12 mm和12 mm-16 mm粒徑級(jí)配石灰?guī)r(兩種粒徑石子的質(zhì)量比為7 ∶3)．外加劑采用江蘇蘇博特的聚羧酸高效減水劑,具有非引氣、超塑化、高效減水和增強(qiáng)等功能．

表1 礦物摻合料參數(shù)組成Table 1 Parameter composition of mineral admixture

表2 透水混凝土的配合比Table 2 Mixture ratio of pervious concrete

針對(duì)目標(biāo)孔隙率分別為10%,15%,20%的空白組透水混凝土進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)目標(biāo)孔隙率為15%時(shí),能夠同時(shí)保證透水混凝土的透水性能和力學(xué)性能;而在空白組透水混凝土的目標(biāo)孔隙率設(shè)定為15%的前提下,研究了分別單摻 5%、10%、15%、20%、25%粉煤灰、礦粉以及硅灰(內(nèi)摻)對(duì)透水混凝土性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V物摻合料摻量為15%時(shí),透水混凝土可以獲得更好的工作性能,其透水性能能夠滿足海綿城市工程需求,且抗壓強(qiáng)度提高幅度最大．因此本試驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)孔隙率為15%,礦物摻合料摻量為15%．表2為透水混凝土的配合比．

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 孔隙率測(cè)定

將試塊在水中浸泡24 h后,測(cè)量其水中質(zhì)量m1,然后將試塊風(fēng)干24 h后,測(cè)其質(zhì)量m2,根據(jù)式(1)計(jì)算透水混凝土的孔隙率P．

(1)

式中:V0為試件的體積;ρw為水的密度．

(2) 透水系數(shù)測(cè)定

透水混凝土透水系數(shù)的測(cè)定是參照 JIS A 1218《土壤透水性試驗(yàn)》[11]進(jìn)行,該方法基于達(dá)西定律,透水系數(shù)可根據(jù)式(2)計(jì)算得到:

(2)

式中:Q為時(shí)間t秒內(nèi)滲出的水量，mm3;t為滲透時(shí)間，s;Δh為測(cè)壓管水頭差，mm;L為滲流長(zhǎng)度，mm;A為試件的橫截面積，mm2．

(3) 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

抗壓強(qiáng)度按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[12]進(jìn)行,以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值．

(4) SEM和XRD微觀測(cè)試

SEM-EDS由美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的QUANTA200測(cè)得,分辨率可達(dá)1.0 nm,可觀察粗骨料之間硬化膠結(jié)材料的微觀形貌．XRD由日本理學(xué)D/max-RB型衍射儀測(cè)得,主要是對(duì)透水混凝土研磨成的粉末進(jìn)行,測(cè)試范圍為0～80°,掃描速度為6°/min,可確定透水混凝土試樣的物相成分．用SEM附帶的EDS能譜分析確定C-S-H凝膠中Ca和Si的摩爾含量,并計(jì)算Ca/Si．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單摻摻合料對(duì)透水混凝土孔隙率和透水系數(shù)的影響

圖1，2為單摻15%的粉煤灰、礦粉、硅灰透水混凝土的實(shí)測(cè)孔隙率和透水系數(shù)．

由圖1，2可以看出,各齡期摻合料透水混凝土孔隙率和透水系數(shù)都小于空白組試塊．本研究屬于等質(zhì)量替代,礦物摻合料的密度均小于水泥,故而礦物摻合料摻入會(huì)使膠凝材料的體積增大,填充集料間的較大孔隙,使得透水混凝土的有效孔隙率降低,進(jìn)而導(dǎo)致透水系數(shù)降低．

圖1 相同摻量不同摻合料下實(shí)測(cè)孔隙率Fig.1 Measured porosity with the samedosage of different admixtures

圖2 相同摻量不同摻合料下透水系數(shù)Fig.2 Permeability coefficient with the samedosage of different admixtures

此外,礦物摻合料的種類不同透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)也不相同．摻入粉煤灰、礦粉以及硅灰的透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)依次遞減．這是由于粉煤灰、礦粉以及硅灰的細(xì)度依次遞減,而細(xì)度越大,礦物摻合料越容易發(fā)生團(tuán)聚,使其堆積密度降低,進(jìn)而使膠凝材料的體積增大,透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)減?。瑫r(shí)可以看出無(wú)論是空白組還是摻加礦物摻合料的透水混凝土,其孔隙率和透水系數(shù)均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小．這是因?yàn)橥杆炷林兴嗟乃潭入S著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大,無(wú)定型態(tài)的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)含量增多,膠凝材料的孔隙率減小而變得致密進(jìn)而使透水混凝土的連通孔隙率和透水系數(shù)降低．

2.2 單摻摻合料對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為單摻15%的粉煤灰、礦粉、硅灰的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度變化．

圖3 相同摻量不同摻合料下抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength with the samedosage of different admixtures

由圖3可知,在4類透水混凝土中,空白組的透水混凝土的7 d強(qiáng)度最大,摻礦粉的7 d抗壓強(qiáng)度與空白組相差無(wú)幾,摻硅灰的次之,而摻粉煤灰的最?。?dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到28 d時(shí),摻礦粉和摻硅灰的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)了空白組,但摻粉煤灰的28 d抗壓強(qiáng)度仍小于空白組．而當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到56 d時(shí),摻入摻合料的透水混凝土的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)了空白組．可以看出,摻入礦物摻合料雖然會(huì)使透水混凝土的早期強(qiáng)度有所降低,但是能夠較大幅度地提升透水混凝土的中后期強(qiáng)度,對(duì)透水混凝土的長(zhǎng)期性能發(fā)展有利．同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),礦物摻合料的種類不同,對(duì)透水混凝土中后期抗壓強(qiáng)度的提高作用也不相同．在粉煤灰、礦粉和硅灰3種礦物摻合料中,發(fā)現(xiàn)礦粉和硅灰的增強(qiáng)效果在28 d時(shí)即已顯現(xiàn),而粉煤灰直到56 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)才開始發(fā)揮增強(qiáng)作用,其中礦粉對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用最為顯著,56 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)其抗壓強(qiáng)度可達(dá)31.8 MPa．與粉煤灰、硅灰相比,礦粉中SiO2、Al2O3等活性成分含量較高,在火山灰效應(yīng)下,有效地抑制了Ca(OH)2在界面富集,改善了集料與水泥漿體界面結(jié)構(gòu),同時(shí)堿度的降低抑制了膨脹性晶體鈣礬石的形成,從而提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度．

2.3 單摻摻合料下透水混凝土的微觀分析

文中采用X衍射分析和掃描電鏡實(shí)驗(yàn),從微觀的角度檢測(cè)粉煤灰、礦粉和硅灰在透水混凝土中不同齡期的反應(yīng)產(chǎn)物,從而分析摻合料對(duì)透水混凝土性能影響的微觀機(jī)理,其中SEM圖片的放大倍數(shù)為10 000倍,標(biāo)尺為10 μm．

(1) SEM-EDS

普通硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物是大量無(wú)定形水化硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣凝膠(C-A-H)以及少量片層狀的氫氧化鈣(CH)晶體、少量呈柱狀的鈣礬石(AFt)和不規(guī)則花瓣?duì)钏蜾X酸鈣(AFm)等[11]．圖4，5分別為不摻摻合料(M0)以及摻入15%粉煤灰(M1),15%礦粉(M2),15%硅灰(M3)保濕養(yǎng)護(hù)28 d、56 d測(cè)得的SEM圖,表3為4類透水混凝土樣品水化28 d、56 d時(shí)各區(qū)域的EDS元素分析結(jié)果．研究表明Ca/Si可以作為混凝土水化結(jié)晶程度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土Ca/Si在1.5～2.0之間,多數(shù)情況接近1.5[12]．

圖4 透水混凝土水化28 d的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of 28 d pervious concrete

圖5 透水混凝土水化56 d的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5 SEM images of 56 d pervious concrete

M0樣品28 d時(shí),晶體呈柱狀及片層狀,結(jié)構(gòu)疏松多孔,由表3得出A區(qū)域水化產(chǎn)物由O、Ca、Si、Al和C元素組成,可推斷存在C-S-H、C-A-H和CaCO3等水化產(chǎn)物,其中Ca/Si為1.8,大于1.5,結(jié)晶程度低．在56 d時(shí)生成了板條狀、棒狀、管狀和絮狀等形態(tài)的C-S-H凝膠相互穿插,E區(qū)域水化產(chǎn)物Ca/Si降為1.6,結(jié)構(gòu)相對(duì)致密,透水性能降低,抗壓強(qiáng)度增大[13]．

表3 透水混凝土硬化體(28 d、56 d)樣品中各區(qū)域的EDS元素分析結(jié)果Table 3 EDS elemental analysis results of various areas in the sample of permeable concrete (28 d, 56 d)

M1樣品28 d時(shí)晶體無(wú)序排布且較疏松,表面含有一定量粉煤灰顆粒,晶體之間存在少量空隙,由表3得出B區(qū)域水化產(chǎn)物由O、Al、Ca和Si元素組成,可推斷存在C-S-H、C-A-H、SiO2和Al2O3等水化產(chǎn)物,其中Ca/Si為1.9,結(jié)晶度較低,造成摻粉煤灰透水混凝土早期抗壓強(qiáng)度較低[14]．而M1樣品水化56 d時(shí),生成大量絮狀C-S-H凝膠,此時(shí)F區(qū)域水化產(chǎn)物Ca/Si降至1.5,盡管晶體間仍存在空隙,但結(jié)構(gòu)較28 d致密,此時(shí)透水混凝土抗壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)．

M2樣品28 d晶體堆積相對(duì)密實(shí),團(tuán)簇分布,相互間留有空隙,由表3可知C區(qū)域水化產(chǎn)物由O、Al、Ca、Si和C元素組成,可推斷存在C-S-H、C-A-H、SiO2、Al2O3和CaCO3等水化產(chǎn)物,其中Ca/Si為1.5,這從微觀角度證明了摻入礦粉可以提高透水混凝土早期抗壓強(qiáng)度．而在56 d時(shí)晶體排布整齊,結(jié)構(gòu)致密緊湊,此時(shí)G區(qū)域水化產(chǎn)物Ca/Si降至1.1,少于M0和M1樣品56 d時(shí)的Ca/Si,說(shuō)明摻入礦粉的透水混凝土后期生成C-S-H凝膠較摻粉煤灰和不摻摻合料透水混凝土多,抗壓強(qiáng)度最大．

M3樣品水化28 d時(shí)產(chǎn)生柱狀、針狀晶體和大量無(wú)定形物相等不規(guī)則排布,結(jié)構(gòu)相對(duì)松散,抗壓強(qiáng)度不高,與宏觀分析中結(jié)論相符．在56 d時(shí),C-S-H凝膠增多,但分布不均,結(jié)構(gòu)表面存在凹坑,此時(shí)H區(qū)域水化產(chǎn)物由O、Al、Ca和Si元素組成,可推斷存在C-S-H、C-A-H、SiO2和Al2O3等水化產(chǎn)物,其中Ca/Si為1.3,比摻礦粉透水混凝土Ca/Si高,這與摻硅灰透水混凝土抗壓強(qiáng)度比摻礦粉低相一致．

(2) XRD

XRD主要用于分析透水混凝土水化反應(yīng)前后漿體中的晶體變化,以此定性分析摻合料加入透水混凝土中水化反應(yīng)效果．

圖6 透水混凝土水化產(chǎn)物XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of permeable concretehydration products

圖6(a)為M0、M1、M2、M3水化28 d時(shí)硬化體粉末的XRD圖譜．4種樣品的主要特征峰位置基本一樣,即為主要水化產(chǎn)物C-S-H和CH的特征峰．由于M1、M2和M3樣品中摻入礦物摻合料,其在39.42θ．處有SiO2的主特征峰,在43.18θ．處有Al2O3的主特征峰．比較4種樣品在29.42θ．處的C-S-H主特征峰的峰強(qiáng)度,有明顯的差異,M2樣品的C-S-H主特征峰的峰強(qiáng)度(288)明顯高于其他3個(gè)樣品的,表明此漿體中有新的C-S-H晶體產(chǎn)生,使摻礦粉透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最高．M1、M2、M3樣品中富含活性SiO2和Al2O3,其可以與水泥堿性的水化產(chǎn)物CH發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H,而從C-S-H、C-A-H含量變化可以看出,礦粉、硅灰的火山灰反應(yīng)主要在早期,而粉煤灰的火山灰反應(yīng)主要在后期．

圖6(b)為M0、M1、M2、M3水化56 d時(shí)硬化體粉末的XRD圖譜．56 d的4種樣品在29.42θ．處的C-S-H主特征峰均超過(guò)了28 d時(shí),表明隨著齡期的延長(zhǎng),樣品的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,生成了較多C-S-H晶體,其晶體程度也逐步提高,抗壓強(qiáng)度也較同類透水混凝土28 d時(shí)高．同時(shí)也可以看出,M1在56 d時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)峰強(qiáng)度較28 d相比均顯著增加,這表明粉煤灰里的活性物質(zhì)SiO2和Al2O3在后期水泥的水化反應(yīng)中發(fā)揮作用[15-16]．M2樣品在56 d時(shí)C-S-H主特征峰的峰強(qiáng)度較其他樣品高出很多,說(shuō)明摻礦粉透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最高．

3 結(jié)論

通過(guò)研究單摻15%的粉煤灰、礦粉和硅灰的透水混凝土在7 d、28 d和56 d養(yǎng)護(hù)齡期的基本性能,同時(shí)對(duì)試塊進(jìn)行SEM電鏡掃描和XRD測(cè)試,可以得到以下結(jié)論:

(1) 摻入粉煤灰、礦粉以及硅灰的透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)依次遞減,其孔隙率和透水系數(shù)均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減?。?/p>

(2) 單摻15%的粉煤灰、礦粉和硅灰的透水混凝土與不摻摻合料的透水混凝土相比,單摻粉煤灰會(huì)降低透水混凝土7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度,提高56 d抗壓強(qiáng)度,摻入礦粉和硅灰可提高透水混凝土7 d、28 d、56 d的抗壓強(qiáng)度,其中礦粉對(duì)透水混凝土56 d抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最佳,可達(dá)31.8 MPa．

(3) 根據(jù)SEM掃描電鏡和XRD圖譜分析可知,礦粉、硅灰的火山灰反應(yīng)主要在早期,而粉煤灰的火山灰反應(yīng)主要在后期．摻入15%礦粉的透水混凝土表面晶體排布整齊,水化反應(yīng)更徹底,生成大量C-S-H凝膠,內(nèi)部微孔被填充,結(jié)構(gòu)變得致密,進(jìn)而使得透水混凝土透水性能降低,抗壓強(qiáng)度最大,與宏觀分析結(jié)果一致．