摻料對陶粒混凝土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)影響分析

摘 要：粉煤灰和石膏粉復(fù)合摻入陶粒混凝土是一種新型材料，可以達(dá)到廢渣利用、減少污染、提高強(qiáng)度等目的，為節(jié)能環(huán)保做出貢獻(xiàn)。通過改變粉煤灰和石膏粉摻量的配合比，進(jìn)行多齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析石膏粉摻量對摻粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度的影響，并結(jié)合掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）技術(shù)，對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻量為 40%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨著石膏粉的摻量增加呈先上升后下降的趨勢，石膏粉摻量為22% ，試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；22%的石膏粉和40%的粉煤灰復(fù)摻可以提高其抗壓強(qiáng)度，使其微觀結(jié)構(gòu)更加緊密，對強(qiáng)度有利的水化產(chǎn)物較多，反之微觀結(jié)構(gòu)變得蓬松，其水化產(chǎn)物減少；強(qiáng)度較高的試樣界面過渡區(qū)（interface transition zone，ITZ）更加緊密。

關(guān)鍵詞：陶?；炷?；粉煤灰；石膏粉；齡期；抗壓強(qiáng)度；微觀分析

中圖分類號：X7" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-4939（2025）01-0125-08

The influence of admixtures on the compressive strength and

microstructure of ceramsite concrete

BU Changming1，2，YANG Haiyan2，3，LU Xinyu2，3，ZHU Dongxu2，3，SUN Yi2，3，ZHONG Yongli2，3， LI Yan2，3

（1.State Key Laboratory of Bridge Engineering Structural Dynamics and Key Laboratory of" Bridge Earthquake

Resistance Technology， 400067 Chongqing， China; 2.Chongqing University of Science and Technology， School of

Civil and Hydraulic Engineering， 401331 Chongqing， China; 3.Chongging Key Laboratory of Disaster Prevention

and Reduction in Power Transmission Engineering， 401331 Chongqing， China）

Abstract：Ceramsite concrete with fly ash and gypsum powder is a new kind of materials，which can achieve the purpose of waste residue utilization，reduce pollution，improve strength，and make contribution to energy conservation and environmental protection.In this paper，through changing the mix proportion of fly ash and gypsum powder，the multi-age compressive strength F-040-G-000 is carried out to analyze the influence of fly ash and gypsum powder on the compressive strength of ceramsite concrete，and combined with the scanning electron microscope （SEM） technology，the microstructure is analyzed.The results show that when the content of fly ash is 40%，the compressive strength of the specimen first increases and then decreases with the increase of the content of gypsum powder.When the content of gypsum powder is 22%，the compressive strength of the specimen reaches the maximum.Appropriate amounts of gypsum powder and fly ash can improve the later compressive strength，make its microstructure more compact，and more hydration products are beneficial to the strength，on the contrary，the microstructure is better；the interface transition zone （ITZ） of the F-040-G-000 block with higher strength is more compact.

Key words：ceramsite concrete;fly ash;gypsum powder;age;compressive strength；microscopic analysis

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的不斷發(fā)展，因其具有高效率、規(guī)范化、環(huán)保等特點(diǎn)，“十四五”時(shí)期國家大力推廣裝配式建筑和綠色建筑。陶?；炷翐碛休p質(zhì)、高強(qiáng)、抗震性能好、保溫性能好等特點(diǎn)，可用于生產(chǎn)裝配式構(gòu)件，對改善施工環(huán)境有著重要的意義［1］。

粉煤灰 （fly ash，F(xiàn)A） 是一種工業(yè)廢渣，將粉煤灰摻入陶粒混凝土可降低生產(chǎn)成本，減少污染，做到廢物利用，符合綠色混凝土的發(fā)展趨勢。由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)，將其摻入陶?；炷梁?，可以提高其后期強(qiáng)度［2-4］，同時(shí)粉煤灰的微集料效應(yīng)可以使?jié){體內(nèi)部更均勻、微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)［5-6］?；鹕交曳磻?yīng)指活性SiO2等與氫氧化鈣等物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)［7］，如式（1）所示?；鹕交曳磻?yīng)所需的氫氧化鈣等物質(zhì)由水泥水化反應(yīng)生成，以硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡寫C3S）水化為例［8］，如式（2）所示。

石膏粉 （gypsum powder，GP） 包括天然石膏粉、工業(yè)副產(chǎn)品石膏粉以及廢棄物拆除所得石膏粉，在混凝土中有著廣泛的應(yīng)用，相關(guān)的試驗(yàn)研究表明，使用石膏粉加入混凝土是可行的［9］。石膏粉與反應(yīng)最快的鋁酸三鈣（C3A）生成鈣礬石（Aft）［10］，其產(chǎn)生的微膨脹效應(yīng)可以有效抑制自收縮產(chǎn)生的微小裂縫［11-12］。

石膏粉的單獨(dú)摻入會(huì)使拌和物脫水，導(dǎo)致試樣的孔隙結(jié)構(gòu)變大［13］，不利于抗壓強(qiáng)度的提高，而粉煤灰的微集料效應(yīng)可以很好地填充孔隙結(jié)構(gòu)；粉煤灰摻入會(huì)降低試樣的膨脹效應(yīng)，而適量的石膏粉可以消除這些負(fù)面影響；粉煤灰的活性可以被石膏粉中的硫酸根離子激發(fā)，石膏的耐水性可以被粉煤灰水化形成的水硬性礦物改善［14］，同時(shí)加入粉煤灰和石膏粉的試樣，可以相互促進(jìn)其水化產(chǎn)物的生成，有利于強(qiáng)度的提高，有積極的作用［15-16］。但將兩者同時(shí)作為外摻料的研究數(shù)據(jù)不夠豐富，因此，將兩者同時(shí)摻入陶?；炷吝M(jìn)行研究是非常必要的。

本研究將粉煤灰和石膏粉同時(shí)作為外摻料，分析石膏粉摻量對摻粉煤灰陶?；炷粮鼾g期抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)合掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）技術(shù)，對不同配合比試樣 28d齡期的密實(shí)性、水化產(chǎn)物等微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，從微觀結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證、解釋宏觀抗壓強(qiáng)度的變化趨勢。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：水泥使用重慶華新鹽井水泥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥P.C42.5R，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）中對硅酸鹽水泥的各種要求。

陶粒：采用重慶財(cái)山陶粒廠生產(chǎn)的黏土陶粒，其具體性能參數(shù)見表 1。

粉煤灰：采用Ⅰ級粉煤灰，其物理性能指標(biāo)見表2。測定結(jié)果符合國家

標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）中關(guān)于用于混凝土的粉煤灰的各種要求。

石膏粉：本研究所使用的石膏粉為工業(yè)副產(chǎn)品石膏，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 9776—2008）的各種要求。

試驗(yàn)原材料如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 12—2019）和前期配合比試配試驗(yàn)，確定試驗(yàn)所用配合比見表3，試樣編號采用F-A-G-B形式，F(xiàn)代表粉煤灰，A代表粉煤灰占水泥質(zhì)量的比例，G代表石膏粉，B代表石膏粉占水泥質(zhì)量的比例。粉煤灰和石膏粉按水泥質(zhì)量的一定比例外摻（外摻即把粉煤灰和石膏粉當(dāng)作外加劑摻入，不減少水泥的用量，增加膠凝材料總量）。

1.3 試樣的制備

陶粒是內(nèi)部有很多孔隙的一種粗骨料，取代普通混凝土中的碎石或卵石骨料，形成陶?；炷粒渥畲筇攸c(diǎn)是外表堅(jiān)硬，而內(nèi)部有許多的微孔，能在短時(shí)間內(nèi)吸收一定量的水分［18］。骨料的4種含水狀態(tài)包括全干狀態(tài)、氣干狀態(tài)、飽和面干狀態(tài)和濕潤狀態(tài)（圖2）。全干狀態(tài)是指骨料在干燥箱烘至恒重的狀態(tài)，內(nèi)、外部均不含水；氣干狀態(tài)指骨料內(nèi)部含有一定的水分，而表面是干燥無水的，骨料在干燥的環(huán)境中堆放時(shí)往往為氣干狀態(tài)；飽和面干狀態(tài)指骨料的內(nèi)、外部均達(dá)到飽和狀態(tài)，外部無明水，當(dāng)骨料處于這種狀態(tài)時(shí)，對混凝土中的水的用量影響最?。粷駶櫊顟B(tài)指骨料內(nèi)部達(dá)到飽和且外部有明顯水膜的狀態(tài)。在拌制混凝土?xí)r，由于骨料含水狀態(tài)不同，將影響混凝土的用水量，為了避免用水量影響混凝土強(qiáng)度，因此，在混凝土拌合前應(yīng)將陶粒提前預(yù)濕。其具體操作方法如下，將陶粒完全浸泡在水中24h，使其充分吸收水量，直至達(dá)到飽和狀態(tài)，試驗(yàn)前，將陶粒取出，風(fēng)干表面水分，使其達(dá)到飽和面干的狀態(tài)。在計(jì)算混凝土中各材料的配合比時(shí)，以飽和面干骨料為基準(zhǔn)。將稱量好的原材料攪拌均勻后加入飽和面干陶粒，攪拌至均勻，再加入稱量好的水，繼續(xù)攪拌均勻，直至拌合物狀態(tài)良好，裝入模具。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)

《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019），在溫度為（20±2）℃的恒溫養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)7、14、28 d，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測試強(qiáng)度，試樣規(guī)格為100mm×100mm×100mm，每組3塊，共3組，按式 （3） 計(jì)算抗壓強(qiáng)度，取計(jì)算結(jié)果平均值（表4）。

fc=FA

（3）

式中：fc為試樣抗壓強(qiáng)度（MPa）；

F為試樣破壞荷載（N）；

A為試樣受壓面積（mm2）。

28d試樣破壞后，對不同配比的試樣進(jìn)行采樣，將采集的樣品放無水乙醇里終止水化后在45℃條件下干燥24h，冷卻后取出，用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行微觀圖片采集［17］，分析試樣微觀結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度分析

分別在7、14、28 d對不同配合比的試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，圖3為石膏粉含量為 22%時(shí)不同粉煤灰含量下試樣的各齡期抗壓強(qiáng)度，圖4為粉煤灰含量為40%時(shí)不同石膏粉含量的試樣各齡期抗壓強(qiáng)度，圖5為試樣在不同齡期的抗壓強(qiáng)度。

如圖 3所示，在每個(gè)齡期，F(xiàn)-130-G-022試樣的強(qiáng)度都小于F-040-G-022試樣的強(qiáng)度，表明過多的粉煤灰會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度，在14 d時(shí)兩者強(qiáng)度差值更大，約相差35%。由于石膏粉摻入后生成鈣礬石延緩了水泥的水化，火山灰反應(yīng)所需的氫氧化鈣等物質(zhì)不足，導(dǎo)致火山灰反應(yīng)延遲，同時(shí)還存在大量未反應(yīng)的粉煤灰，導(dǎo)致前期強(qiáng)度提升緩慢。試樣在14d后，開始了火山灰反應(yīng)，生成了大量的C-S-H凝膠，從而提高了強(qiáng)度。

對比圖 4中的數(shù)據(jù)，可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，22%的石膏粉加入，小幅度的降低了陶粒混凝土的早期強(qiáng)度，較未摻入石膏粉的強(qiáng)度降低了約2.3%，分析是由于石膏粉的存在延緩了水泥的水化，雖然對粉煤灰有一定的激發(fā)效應(yīng)，但粉煤灰反應(yīng)所需的物質(zhì)不足。在齡期為14 d的時(shí)候，2個(gè)配比的陶?；炷猎嚇訌?qiáng)度相差約3%。28d時(shí)，加入22%的石膏粉的試樣強(qiáng)度高于未摻入石膏粉配比的試樣的強(qiáng)度約4.0%，說明22%的石膏粉的加入對陶粒混凝土試樣的后期強(qiáng)度有一定的優(yōu)化效果，原因是隨著粉煤灰的效應(yīng)增加，石膏粉的存在會(huì)激發(fā)和產(chǎn)出更多的水化產(chǎn)物，使微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)（圖8b）。44%石膏粉的加入很大程度降低了陶?；炷恋脑缙趶?qiáng)度，較未摻入石膏粉的試樣強(qiáng)度降低了約45%。在齡期為14 d的時(shí)候，2個(gè)配比的陶?；炷猎嚇訌?qiáng)度相差 33%。在齡期 28 d時(shí)，加入44%石膏粉的試樣強(qiáng)度仍低于未摻入石膏粉配比的試樣的強(qiáng)度，約38%，44%石膏粉摻量的試樣的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于摻22%石膏粉和未摻石膏粉的試樣的強(qiáng)度。

由圖5可知：7d時(shí)，F(xiàn)-040-G-000配合比試樣的強(qiáng)度最高，F(xiàn)-040-G-044配合比試樣的強(qiáng)度最低；28d時(shí)，F(xiàn)-040-G-022配合比試樣的強(qiáng)度最高，F(xiàn)-040-G-044配合比試樣的強(qiáng)度最低。F-040-G-044試樣的強(qiáng)度相對較低可能是由以下3點(diǎn)原因造成：①44%的石膏粉加入會(huì)延緩水泥前期的水化，但對粉煤灰有―定激發(fā)效果，能夠在一定程度促進(jìn)粉煤灰水化，但后期限制了兩者的進(jìn)一步水化；②由于石膏粉的激發(fā)效應(yīng)，粉煤灰的水化作用在早期消耗了更多的氫氧化鈣，導(dǎo)致氫氧化鈣不足，不足以生成膨脹型水化產(chǎn)物鈣礬石；③存在很多未完全反應(yīng)的石膏粉。

40%的粉煤灰和22%的石膏粉復(fù)合摻入，使試樣的7d強(qiáng)度低于單獨(dú)摻入40%的粉煤灰的強(qiáng)度，但試樣的14、28d 的強(qiáng)度均升高，分別升高約 3%和5%?？梢酝ㄟ^復(fù)摻40%左右的粉煤灰和22%左右的石膏粉來提高外摻料混凝土的強(qiáng)度［15］。

所有試樣破壞的過程均相似，在破壞時(shí)，試樣都會(huì)在角部或側(cè)邊先出現(xiàn)微裂縫或者在中間出現(xiàn)斜裂縫，順著裂縫出現(xiàn)的地方開始破壞，表面脫落，直至完全被壓壞，破壞時(shí)可以明顯聽到混凝土壓碎的聲音。圖 6展示了F-130-G-022配比試樣破壞時(shí)的裂縫發(fā)展，裂縫首先側(cè)邊開始，然后發(fā)展到左下角，隨后產(chǎn)生較大的斜裂縫，至試樣的左邊部分和中間靠下部分開始脫落，最后整個(gè)試樣破壞。從裂縫發(fā)展過程來看，裂縫并非沿著一條直線破壞，這是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部的骨料存在不均勻性。

從抗壓破壞面（圖7）可以看出，試樣的破壞，即內(nèi)部骨料陶粒的破壞，陶?；径紡臄嗝鎵簤模@也是陶?；炷翉?qiáng)度低于普通碎石混凝土的原因，陶粒內(nèi)部存在很多的孔隙，在輕質(zhì)的同時(shí)，強(qiáng)度也有一定的降低。

2.2 微觀分析

掃描電鏡是利用電子槍發(fā)射電子束經(jīng)聚焦后在試樣表面做光柵狀掃描，通過檢測電子與試樣相互作用產(chǎn)生的信號對試樣表面的成分、形貌及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行觀察和分析［19］。將 28d 抗壓強(qiáng)度測定試樣破型壓碎后，選取混凝土小試樣，試樣應(yīng)盡量平整、小塊，將試樣放進(jìn)密封瓶用無水乙醇浸泡，阻止試樣繼續(xù)水化，在進(jìn)行微觀試驗(yàn)前，將試樣從瓶中取出，在45℃下烘干至恒重，然后將試樣置于SEM試樣載物片上進(jìn)行噴金處理，在掃描電鏡下觀察，通過掃描電鏡分析確定了界面過渡區(qū)（interface transition zone，ITZ）和水化產(chǎn)物。圖 8為輕骨料混凝土水化產(chǎn)物形貌，放大倍數(shù)為2 000×，圖 9為輕骨料混凝土界面過渡區(qū)微觀形貌，放大倍數(shù)為150×。

從水化產(chǎn)物形貌圖片來看，F(xiàn)-130-G-022試樣生成了大量的C-S-H水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣晶體和鈣礬石晶體，C-S-H來源包括第一次水化反應(yīng)生成大量的C-S-H、粉煤灰和石膏粉中的氫氧化鈣反應(yīng)、粉煤灰和第一次水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣晶體充分反應(yīng)生成。石膏粉和水泥里的氯酸三鈣生成大量的鈣礬石晶體，附著在水泥漿體和裂縫上，如圖 8 （a）?？梢钥吹紽-130-G-022和F-040-G-044試樣內(nèi)存在大量未參與火山灰反應(yīng)的氫氧化鈣晶體，其沒有膠結(jié)能力，對強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)。圖 8可以看見未反應(yīng)的粉煤灰填充了一定的孔隙，降低混凝土的孔隙率，其微集料效應(yīng)使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，和已有文獻(xiàn)［20］結(jié)論對應(yīng)。

如圖8（a）和圖8（c） 所示，試樣內(nèi)部有很多明顯的裂縫存在，其微觀結(jié)構(gòu)也較為蓬松，而圖8（b）和圖8（d）幾乎沒有裂縫和空隙存在，且其微觀結(jié)構(gòu)也較為緊密，圖8（b）可以看到大量層狀的水化硅酸鈣凝膠，這些晶體穿插在混凝土的空隙中，形成較致密的微觀結(jié)構(gòu)。

如圖9所示，試樣的骨料和水泥漿體之間都形成了一條多孔的帶狀區(qū)域，并且沿著骨料周圍分布［21］，且連接密實(shí)度不同。

2.3 強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析

如圖 8（a）和圖8（c），可以看見較多的裂縫和空隙，且其結(jié)構(gòu)較蓬松，圖8（b）和圖8（d） 的微觀圖片顯示出的孔隙結(jié)構(gòu)較好，水化產(chǎn)物較多，水泥漿體裂縫較少，有相對緊密的微觀結(jié)構(gòu)，石膏粉的加入促進(jìn)了水泥和粉煤灰的早期水化作用，石膏粉又生成了鈣礬石晶體，對前期強(qiáng)度有提升；而后期粉煤灰繼續(xù)進(jìn)行二次反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，少量的未反應(yīng)石膏粉和粉煤灰顆粒完全填充孔隙，降低孔隙率，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度較高。

如圖 8 （c） 顯示出較蓬松的微觀結(jié)構(gòu)、較多的水泥漿體裂縫和孔隙，其對應(yīng)的混凝土試樣強(qiáng)度較低。相反的，強(qiáng)度較高的混凝土試樣其微觀圖片顯示出較緊密的微觀結(jié)構(gòu)和較多的對強(qiáng)度有利的水化產(chǎn)物。

骨料和漿體的連接區(qū)域有一定微裂縫的試樣抗壓強(qiáng)度較很低，如圖9（c）所示，而圖9（b）和圖9（d）顯示的界面過渡區(qū)則比較密實(shí)，抗壓強(qiáng)度較高。

混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)對其抗壓強(qiáng)度有著重要的影響，混凝土試樣抗壓強(qiáng)度隨著微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)下降而提高，包括裂縫、孔隙等。有效水化產(chǎn)物越多，界面過渡區(qū)越緊密，其抗壓強(qiáng)度越高。

3 結(jié) 論

本研究通過將粉煤灰和石膏粉同時(shí)作為外摻料，研究了外摻粉煤灰和石膏粉的陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度隨齡期變化情況，利用掃描電子顯微鏡觀察了各個(gè)配合比試樣28d的水化產(chǎn)物形貌及微觀結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證、解釋宏觀抗壓強(qiáng)度變化趨勢，得出以下主要結(jié)論。

1）粉煤灰摻量為40%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨著石膏粉的摻量增加呈先上升后下降的趨勢，石膏粉摻量為22%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

2）40%的粉煤灰和22%的石膏粉復(fù)摻可以提高其 28d 抗壓強(qiáng)度，較40%粉煤灰和44%石膏粉復(fù)摻試樣28d強(qiáng)度提高約67.5%；較40%粉煤灰和0%石膏粉復(fù)摻試樣28d強(qiáng)度提高約4%。

3）22%石膏粉和40%粉煤灰摻入可以相互促進(jìn)其水化產(chǎn)物的生成，粉煤灰前后期都進(jìn)行一定的水化反應(yīng)，石膏粉在前期激發(fā)粉煤灰活性，同時(shí)充分發(fā)生反應(yīng)消耗大部分，既保證了前期的強(qiáng)度，又不影響后期的水化反應(yīng)。

4）復(fù)摻石膏粉和粉煤灰可以使試樣微觀結(jié)構(gòu)緊密，沒有明顯的微裂縫、氫氧化鈣晶體和孔隙，且界面過渡區(qū)連接密實(shí)。

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（編輯 呂茵）