鐵粉對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度及其微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響

張廣興

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

良好的級(jí)配能有效改善水泥基材料的綜合性能，根據(jù)吳中偉教授的“中心質(zhì)”假說(shuō)，高強(qiáng)度粒子的摻入，能夠提高試件的強(qiáng)度。就目前的研究進(jìn)展來(lái)講，適量的粉煤灰與礦渣等礦物摻合料[1-4]在水泥基材料中的應(yīng)用，不僅沒(méi)有降低水泥基材料的強(qiáng)度，還顯著提高了水泥基材料的耐久性，特別是抗氯離子侵蝕性能[5]。隨著研究深入，納米材料逐漸被引入到了水泥基材料當(dāng)中，如納米二氧化硅、納米二氧化鈦及納米碳酸鈣等[6-9]，以提高水泥基材料的耐久性能，同時(shí)還利用納米氧化鐵(Fe2O3)來(lái)改善水泥基材料的強(qiáng)度與功能性[10-14]，甚至是碳納米管[15]也被摻入到水泥基材料當(dāng)中，提高水泥基材料的抗折性能。在這些微集料中，具有活性的顆粒能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，增強(qiáng)顆粒間的作用強(qiáng)度，進(jìn)一步提高水泥基材料的整體性能。目前關(guān)于鐵粉對(duì)水泥基材料綜合性能影響的研究還不多見(jiàn)，本文主要研究不同粒徑的鐵粉對(duì)水泥基材料強(qiáng)度與微結(jié)構(gòu)的影響，為水泥基材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供可行的方法。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥，采用金隅牌強(qiáng)度等級(jí)為42.5的P.O普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用水泥物理力學(xué)指標(biāo)

細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，中砂；本實(shí)驗(yàn)所用水為清潔的自來(lái)水。

本實(shí)驗(yàn)所用鐵粉為商品科研用還原性鐵粉，細(xì)度分別為100目、200目、300目；對(duì)每個(gè)細(xì)度的鐵粉都進(jìn)行了XRD測(cè)試，如圖1所示。

由圖1特征峰的位置可知所使用的鐵的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=b=c=2.866。

1.2 試樣制備

圖1 所用鐵粉的XRD特征

本實(shí)驗(yàn)采用JJ-5水泥膠砂進(jìn)行成型攪拌，其配比如表2所示。

試件尺寸：本實(shí)驗(yàn)選用規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm(強(qiáng)度測(cè)試)和25 mm×25 mm×280 mm(變形測(cè)量)的三聯(lián)模。

表2 水泥砂漿的配合比

SEM制樣：為了保證樣品的統(tǒng)一性，在砂漿成型過(guò)程中，取少量成型于直徑10 mmPVC管中，和同批砂漿試件在同條件下養(yǎng)護(hù)。到指定齡期，切取1 mm厚度的薄片置于酒精溶液中終止水化，然后取出于烘箱中50 ℃烘干。

BET制樣：BET樣品采用SEM樣品，但測(cè)試之前將其破碎為最大邊長(zhǎng)小于3 mm的小塊，便于測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

圖2 不同鐵粉、不同摻量的試樣3 d強(qiáng)度

圖3 不同鐵粉、不同摻量的試樣7 d強(qiáng)度

圖4 不同鐵粉、不同摻量的試樣28 d強(qiáng)度

由圖2可知，摻入200目鐵粉的3 d抗折強(qiáng)度都要大于其他細(xì)度鐵粉的強(qiáng)度，且摻量3%的抗折強(qiáng)度最大，之后隨著摻量的增加強(qiáng)度有小幅度的減少，但都要大于基準(zhǔn)試樣的抗折強(qiáng)度，而摻加100目和300目鐵粉3%摻量的試樣對(duì)其強(qiáng)度略有影響，其他摻量基本無(wú)影響；摻加鐵粉使得3 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度都有所提高， 200目鐵粉摻量大于3%時(shí)，試件強(qiáng)度有小幅度增加且大于摻加其他細(xì)度鐵粉的強(qiáng)度，在摻量為23%時(shí)達(dá)到最大，較基準(zhǔn)試樣提高了48.70%。

分析圖3可知，在7 d時(shí)摻200目鐵粉的試樣各摻量的抗折強(qiáng)度都與基準(zhǔn)的空白試樣相差不多，但在摻量3%時(shí)抗折強(qiáng)度相對(duì)較大，而摻入其他細(xì)度鐵粉的試樣的強(qiáng)度都要遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)的空白試樣；而摻入鐵粉后各試樣的7 d抗壓強(qiáng)度都明顯大于基準(zhǔn)的空白試樣，其中摻入300目鐵粉的試樣的強(qiáng)度提高最多，摻量為13%時(shí)強(qiáng)度提高31.74%，其他摻量試樣的強(qiáng)度相差不多，都遠(yuǎn)大于摻入其他細(xì)度鐵粉的試樣。

由圖4可知，28 d時(shí)，相對(duì)于基準(zhǔn)試樣，只有摻入100目鐵粉1%和23%的試樣，其抗折強(qiáng)度有所提高，摻入200目鐵粉的各摻量試樣和摻入1%、3%的300目鐵粉的抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)相差不大，摻入300目鐵粉的試樣，在摻量大于3%后，隨著摻量的增加抗折強(qiáng)度減?。辉?8 d時(shí)摻入鐵粉的抗壓強(qiáng)度同樣還是遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)試樣的抗壓強(qiáng)度，且摻入1%的100目鐵粉的強(qiáng)度最大、提高40.45%，之后隨著摻量的增加強(qiáng)度有小幅度的減少。

綜上所述，在水泥砂漿試樣中摻入鐵粉，只有在摻入200目鐵粉時(shí)初期的抗折強(qiáng)度有所提高，摻入鐵粉的試樣在其他齡期，其抗折強(qiáng)度都沒(méi)有太大的提高，甚至部分摻量的試樣強(qiáng)度會(huì)有所降低；而鐵粉的摻入對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較為明顯，摻入鐵粉后各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度都有較大程度的提高。

2.2 變形分析

由表3可知，在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，相對(duì)于基準(zhǔn)試樣來(lái)說(shuō)，在水泥砂漿中摻入100目和300目的鐵粉，會(huì)使得試塊的體積有所收縮，但經(jīng)過(guò)28 d的養(yǎng)護(hù)后，摻入鐵粉的試樣都相對(duì)基準(zhǔn)試樣來(lái)說(shuō)產(chǎn)生了體積的膨脹，體積由收縮變?yōu)榕蛎洠冃瘟枯^大。摻入200目鐵粉的砂漿試驗(yàn)初期就會(huì)發(fā)生體積的膨脹，隨著齡期的增加，變形量變化不大，在摻量為3%時(shí)變形量最小，較基準(zhǔn)變形量減少了10%。

表3 鐵粉細(xì)度與摻量對(duì)試樣相對(duì)變形量的影響 mm

同時(shí)，將變形量的結(jié)果與強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，變形量較小的試樣其強(qiáng)度也相對(duì)較大，分析原因?yàn)?，變形量少的試樣說(shuō)明鐵粉在砂漿內(nèi)部的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入到了孔隙之中，結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，使得其強(qiáng)度也較高。

2.3 XRD分析

圖5為3 d時(shí)，基準(zhǔn)與摻3%鐵粉試樣的XRD圖譜。一般情況下，水泥水化后生成的產(chǎn)物主要為Aft/Afm和Ca(OH)2，而由于Aft形成較少，在圖譜中只可以明顯的看到Ca(OH)2峰(a)和C-S-H的彌散峰(b)；在摻入鐵粉后，促進(jìn)了C-S-H晶體的形成，發(fā)現(xiàn)了C-S-H的晶體峰(c)；還有類(lèi)似片沸石結(jié)構(gòu)的物質(zhì)生成 (d和e)；同時(shí)砂漿內(nèi)部還有鐵粉反應(yīng)后的生成物Fe2O3(e)以及未反應(yīng)的單價(jià)鐵(f)的存在，100目鐵粉的平均粒徑最大，峰值也就越高。

圖5 3 d齡期不同試樣的XRD圖譜

分析圖6可知，28 d時(shí)空白試樣的C-S-H的峰高要比3 d時(shí)低得多，而摻入鐵粉后C-S-H的彌散峰(b)就要高于空白試樣的峰高，說(shuō)明鐵粉的摻入對(duì)水化硅酸鈣的進(jìn)一步反應(yīng)有所影響，且隨著產(chǎn)量的增加，C-S-H晶體的峰(c)也就越高；同時(shí)，摻入1%和3%鐵粉的試樣幾乎沒(méi)有了單價(jià)鐵的存在，說(shuō)明反應(yīng)比較完全，而摻量為23%的試樣還有較多的單價(jià)鐵剩余(f)。

綜合分析圖7可知，齡期28 d時(shí)，摻入300目鐵粉的試樣對(duì)C-S-H晶體形成的促進(jìn)作用最大；同時(shí)生成的類(lèi)似片沸石結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的峰值也較高。綜合圖6～圖8可知，摻入100目和200目鐵粉的試樣，各個(gè)摻量都有鐵粉的剩余，而摻入300目的鐵粉試樣只有在摻量為23%時(shí)有較多的鐵粉剩余。

圖6 28 d齡期100目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

圖7 28 d齡期300目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

圖8 28 d齡期200目鐵粉不同摻量試樣的XRD圖譜

2.4 SEM分析

根據(jù)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，對(duì)齡期為3 d、摻量均為3%的部分試樣進(jìn)行了SEM測(cè)試，如圖9所示。

對(duì)比以上四種試樣的表面微觀(guān)形貌圖可知，3 d時(shí)，各試樣都具有不同程度的孔隙或坑槽，結(jié)構(gòu)并不密實(shí)；相對(duì)來(lái)說(shuō)，摻入3%的200目鐵粉試樣的表面孔隙最少，且表面有絮狀的物質(zhì)，結(jié)合XRD的測(cè)試結(jié)果分析可能是鐵粉反應(yīng)生成的氧化物；摻入100目鐵粉和300目鐵粉的表面相對(duì)來(lái)說(shuō)較為疏松，且有部分孔隙；而沒(méi)有摻加鐵粉的試樣表面十分疏松，有較多明顯的孔隙，同時(shí)還產(chǎn)生了裂縫。因此對(duì)于早齡期水泥砂漿試樣，摻入3%的200目鐵粉，能夠部分填充水泥砂漿的內(nèi)部孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，增強(qiáng)其早齡期的強(qiáng)度。

由圖10可以看出，在水泥砂漿試樣中摻入100目鐵粉的試樣其表面最密實(shí)，只有少量的坑槽；摻入200目鐵粉的表面比較疏松，坑槽相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，數(shù)量也較多；而摻入300目鐵粉的試樣表面有較大的孔隙同時(shí)存在著相對(duì)明顯的裂縫。

圖9 摻不同細(xì)度鐵粉試樣的SEM

圖10 齡期28 d不同細(xì)度鐵粉摻量為1%的試樣SEM

由圖11可知，摻入100目鐵粉和200目鐵粉的密實(shí)性都較好，而摻入300目鐵粉的表面卻產(chǎn)生了較為明顯的裂縫。通過(guò)對(duì)比圖4和圖6可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，摻入鐵粉的各試樣都變得更加密實(shí)，大的孔隙幾乎消失，這是因?yàn)殡S著齡期的增加，摻入試樣中的鐵粉也逐漸反應(yīng)完成，生成物導(dǎo)致了體積的膨脹，填滿(mǎn)了部分的孔隙。

由圖12可知，三種試樣雖然密實(shí)性都較好，但都有不同程度的裂紋和分層現(xiàn)象出現(xiàn)，分析原因可能是，鐵粉摻量過(guò)大，導(dǎo)致其體積膨脹大于水泥砂漿試樣中的孔隙體積，從而出現(xiàn)了脹裂的情況。

圖11 齡期28 d不同細(xì)度鐵粉摻量3%的試樣SEM

從上述分析可得，并非是在水泥砂漿中摻入的鐵粉越多，對(duì)其性能的影響越好，在摻入1%鐵粉時(shí)其膨脹產(chǎn)物并不足以填滿(mǎn)水泥砂漿試樣中的孔隙，而在摻量23%時(shí)則會(huì)產(chǎn)生不同程度的脹裂，在摻量為3%時(shí)其生成產(chǎn)物能夠較好的填充孔隙且不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖12 齡期28 d不同細(xì)度鐵粉摻量23%的試樣SEM

3 結(jié)論

(1)在水泥砂漿試樣中摻入鐵粉，鐵粉的摻入對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響較為明顯，摻入鐵粉后各個(gè)齡期的強(qiáng)度都有較大程度的提高，特別是在28 d時(shí)，摻量在1%的100目鐵粉的強(qiáng)度最大，與基準(zhǔn)相比能提高40.45%。

(2)鐵粉的摻入對(duì)試樣的變形也有一定的影響，在早齡期的水泥砂漿試樣中，摻加100目、300目鐵粉的試樣體積收縮。

(3)通過(guò)XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿水化后的主要產(chǎn)物為Ca(OH)2和C-S-H及Fe2O3。

(4)通過(guò)SEM分析，對(duì)于早齡期水泥砂漿試樣，摻入3%的200目鐵粉，能夠部分填充水泥砂漿的內(nèi)部孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，增強(qiáng)其早齡期的強(qiáng)度；而在28 d時(shí)，隨著鐵粉摻量的增加密實(shí)性也得到提高。