基于高石粉含量水工混凝土干縮與微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

吳海燕

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊830000）

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

（1）水泥。本次實(shí)驗(yàn)使用等級為P.MH42.5的中熱硅酸鹽水泥，該水泥的物理力學(xué)性能如下：水泥安定性合格、比表面積438 m2·kg-1、初凝時(shí)間266 min、終凝時(shí)間328 min、3 d和7 d以及28 d的抗折強(qiáng)度分別為5.0 MPa和6.4 MPa以及8.1 MPa、3 d和7 d以及28 d的抗壓強(qiáng)度分別為25.4 MPa和30.8 MPa以及53.4 MPa、

（2）粗集料。實(shí)驗(yàn)使用二級配石子，分別為5 mm～20 mm粒徑和20 mm～40 mm粒徑。5 mm～20 mm粒徑石子：松散和緊密的堆積密度分別為1610 kg·m-3和1670 kg·m-3、含泥量0.59%、壓碎指標(biāo)7.62%、針片狀含量2.25%。20 mm～40 mm粒徑石子：松散和緊密的堆積密度分別為1410 kg·m-3和1660 kg·m-3、飽和面干吸水率0.252%、含泥量0.31%、針片狀含量3.82%。

（3）粉煤灰。本次實(shí)驗(yàn)使用的1級粉煤灰的性能見表1。

表1 粉煤灰的性能

（4）細(xì)集料。原級配灰?guī)r人工砂，石粉的含量大約為15%。經(jīng)人工進(jìn)行水洗或者添加石粉而得出含量為12%石粉、18%石粉、20%石粉、22%石粉、25%石粉、28%石粉的人工砂，具體的物理性能見表2。

表2 人工砂性能

（5）外加劑。實(shí)驗(yàn)使用具有緩凝作用的聚羧酸高性能減水劑和引氣劑，兩種外加劑的各項(xiàng)性能見表3。

表3 外加劑性能

1.2 實(shí)驗(yàn)的方法及試樣的制備

實(shí)驗(yàn)時(shí)為確保混凝土砂率和外加劑的添加量保持不變，選擇灰?guī)r人工砂中石粉的含量為12%～28%，并運(yùn)用0.36水膠比和0.44水膠比的二級配水工混凝土來開展干縮的實(shí)驗(yàn)分析，具體的實(shí)際配合比見表4?；炷粮煽s的實(shí)驗(yàn)試件均使用（100 mm×100 mm×15 mm）棱柱體的試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件的兩端安裝埋設(shè)金屬測頭，并使用HSP-540型的混凝土收縮膨脹儀進(jìn)行測長?；炷恋母煽s實(shí)驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)方法。

表4 水工混凝土的配合比

選擇0.36水膠比和0.44水膠比，而石粉的含量則選擇15%和20%混凝土開展微觀的研究。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作用于抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的試件，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)程序養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d后將其劈開，最后取中心位置5 mm的顆粒，其中較多的集料顆粒進(jìn)行剔除，并運(yùn)用無水的乙醇進(jìn)行48 h的浸泡，進(jìn)而終止水化。選擇其中的一小部分進(jìn)行掃描電子顯微鏡的測試，然后另外的部分運(yùn)用電磁制樣粉碎機(jī)進(jìn)行磨細(xì)，然后再經(jīng)過0.08 mm篩選。為避免粉體樣吸濕與碳化，所以在制備完成之后立刻放于密封的容器內(nèi)進(jìn)行存儲，最后提供給X射線衍射、紅外光譜測試的研究分析使用。

2 結(jié)果和分析

2.1 石粉的含量對混凝土干縮的影響分析

圖1 混凝土干縮的影響

當(dāng)水膠比是0.36和0.44時(shí)，如圖1所示為石粉的含量對水工混凝土的干縮產(chǎn)生的影響。從圖1可以看出，石粉的含量的增加而導(dǎo)致混凝土的干縮率顯示為先增加后降低的發(fā)展趨勢，當(dāng)石粉的含量是22%時(shí)的干縮率為最高。通過分析認(rèn)為石粉含量在小于22%時(shí)由于石粉自身的活性效應(yīng)而參與了水化的反應(yīng)，并和C3A進(jìn)行反應(yīng)后形成碳鋁酸鹽，另外，未經(jīng)過水化的石粉則被當(dāng)作微集料而填充進(jìn)混凝土中，由此致使混凝土的平均孔徑降低而導(dǎo)致內(nèi)部的毛細(xì)管力提高，所以混凝土干縮率表現(xiàn)為最高。石粉的含量超出22%時(shí)，較多的石粉會進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土的固體顆粒密實(shí)度嚴(yán)重降低，最終影響混凝土內(nèi)的平均孔徑提高，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土表現(xiàn)為干燥失水時(shí)的毛細(xì)管力嚴(yán)重下降，由此致使干縮率的降低。此外，在水膠比相同的混凝土中，水泥漿的總量會伴隨石粉的含量增大而提高，而水泥漿的總量是對混凝土產(chǎn)生干縮最為重要的影響因素之一［1-2］。

2.2 混凝土微觀的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 X射線衍射

當(dāng)水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時(shí)的混凝土水化樣X射線衍射的結(jié)果表明，水化的產(chǎn)物主要有氫氧化鈣和鈣礬石以及未水化的C3S、C2S等物質(zhì)。而在7 d的水化樣中可以清晰的看到C3S的衍射峰，而到90 d的齡期時(shí)衍射峰基本消失，是因?yàn)樗某潭劝殡S時(shí)間的增長而提升，進(jìn)而導(dǎo)致熟料礦物大量的被消耗。另外，石粉含量為20%時(shí)要比同期含量15%時(shí)的C3S特征衍射峰的強(qiáng)度要小，并且鈣礬石與氫氧化鈣的強(qiáng)度比含量15%的水化樣強(qiáng)度要高，是由于石粉提高了水化反應(yīng)，進(jìn)而增加了鈣礬石與氫氧化鈣的數(shù)量［3-4］。

2.2.2 紅外光譜

當(dāng)水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時(shí)的混凝土水化樣的紅外光譜分析的結(jié)果表明，伴隨水化的齡期增加，各個(gè)配比的水化樣在紅外譜圖中顯示出波數(shù)3643 cm-1、3438 cm-1的吸收譜帶強(qiáng)度提高。是因?yàn)榘殡S水化的時(shí)間增加而導(dǎo)致鈣礬石和C-S-H等產(chǎn)物的含量提高而致。

2.2.3 掃描電子顯微鏡

當(dāng)水膠比為0.36和0.44，石粉含量為15%和20%時(shí)的混凝土水化樣的微觀形貌結(jié)果如下：不同的配比試樣在掃描電子顯微鏡可以看到膠凝類的物質(zhì)。在齡期7 d的掃描電子顯微鏡圖中，粉煤灰的表面比較光滑，進(jìn)一步表明粉煤灰沒有和體系進(jìn)行水化的反應(yīng)。由此說明在早期水化過程中，石粉通過對水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行誘導(dǎo)在其表面析晶，進(jìn)而促進(jìn)水化的反應(yīng)［5-6］。在后期90 d的掃描電子顯微鏡圖中，水化反應(yīng)不斷的進(jìn)行而致使凝膠類的產(chǎn)物逐步增加，一小部分沒有水化的顆粒則被凝膠包裹，硬化體微觀的結(jié)構(gòu)越來越致密。此外，在掃描電子顯微鏡下看到同一水膠比的同齡水化樣中，石粉含量20%要比15%的水化樣更加的密實(shí)，石粉的含量高時(shí)具更加高的密實(shí)度。

3 結(jié)論

（1）石粉含量的增加而導(dǎo)致混凝土的干縮率顯示為先增加后降低的發(fā)展趨勢，當(dāng)石粉的含量是22%時(shí)的干縮率為最高。

（2）通過分析認(rèn)為石粉自身的活性效應(yīng)參與了水化的反應(yīng)，并促進(jìn)了水化產(chǎn)物的增加。未經(jīng)過水化的石粉則被當(dāng)作微集料而填充進(jìn)混凝土中，由此致使混凝土的平均孔徑降低而導(dǎo)致內(nèi)部的毛細(xì)管力提高，所以混凝土干縮率表現(xiàn)為最高。

（3）水工混凝土的要求較高，特別是在穩(wěn)定性及防裂性的方面，因此用于二級配的人工砂可將石粉的含量提高到20%。