磨细粉煤灰对混凝土ITZ微观结构的影响

宋 超，肖伯强

(中交二航局六分公司，湖北武汉430017)

材料的组成一定时，材料宏观性能主要取决于材料的内部结构［1］。混凝土是一种非均质的准脆性材料，在混凝土的集料和浆体之间存在一厚度约为20μm ～ 40μm 的薄区——界面过渡区 (Interficial Transition Zone，ITZ)［2］。ITZ 的组成和结构对混凝土的强度和耐久性有重要的影响，对界面过渡区的改善将对混凝土的各项性能产生明显的影响，特别是对于混凝土抗拉强度和断裂能。相关资料显示［3］，界面过渡区对抗拉强度的影响程度可以达到将近40%。普通混凝土ITZ的w/b要大于本体浆体并且存在大量取向的Ca(OH)2和AFt晶粒，导致空隙率非常大［4］，为溶液渗透和离子传质提供通道。矿物掺合料如粉煤灰等，可与Ca(OH)2发生二次水化反应，降低ITZ中晶体含量，同时反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，填充在集料和水泥浆之间的空隙中，细化颗粒和孔隙，提高混凝土的密实性，增强ITZ的粘结强度［5］。粉煤灰的活性效应主要受颗粒形貌和级配的影响。利用MS2000和SEM对普通Ⅱ级粉煤灰和磨细Ⅱ级粉煤灰的颗粒形貌和级配进行测试，并分析研究两者对混凝土的ITZ结构的作用影响。

1 试验原材料

原材料包括:42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1;普通Ⅱ级粉煤灰和磨细Ⅱ级粉煤灰，其物理性能见表2;S75级矿粉，其物理性能见表3。

表1 42.5级普通硅酸盐水泥物理性能

表2 两种Ⅱ级粉煤灰物理性能 /%

表3 S75级矿粉物理性能

2 结果与分析

2.1 粉煤灰粒度测试

从图1可以看出，磨细Ⅱ级粉煤灰和普通Ⅱ级粉煤灰相比，普通Ⅱ级粉煤灰的粒径分布较窄，中颗粒较多，细颗粒和粗颗粒含量相对较小，主要分布在10μm～100μm;而磨细Ⅱ级粉煤灰是原状粉煤灰在机械力作用下产生的，海绵状玻璃体粗颗粒被碾碎，在粉磨过程中也会发生自粉磨现象，导致体系内部存在大量细小的碎屑，同时存在含量较高的部分未被碾碎粗颗粒，因此在整体上来看磨细粉煤灰的颗粒分布较宽。

图1 粉煤灰累计粒径分布

2.2 粉煤灰的微观形貌

从图2、3可以看出，通过SEM观察可以观察到，相比于普通Ⅱ级粉煤灰的颗粒形状规则，多为光滑致密的球状颗粒，颗粒间的黏连较少，吸附力较小;磨细Ⅱ级粉煤灰的颗粒在机械力作用下被粉碎，球形度较差，多为形状不规则的半月形碎片，且颗粒表面粗糙、缺陷较多，存在大量粉末碎屑，化学活性较高。

图2 普通级粉煤灰的SEM

图3 磨细级粉煤灰的SEM

2.3 粉煤灰混凝土微观形貌

对比图4、5可以看出，磨细粉煤灰混凝土的表面结构要比普通粉煤灰混凝土致密，主要是由于磨细Ⅱ级粉煤灰的颗粒分布较宽，可与水泥、矿粉颗粒形成最紧密堆积，有利于混凝土结构致密化;普通Ⅱ级粉煤灰的颗粒分布较窄，颗粒粒径组成单一，不能形成最紧密堆积，导致颗粒间空隙较多，不利于混凝土结构的紧密连接。

图4 普通粉煤灰混凝土的表面SEM

图5 磨细粉煤灰混凝土的表面SEM

由图6可以看出，到28d时普通粉煤灰混凝土在ITZ内部及附近仍有一定数量的针状、片状微晶和部分未水化的粉煤灰颗粒，ITZ的结构疏松、空隙率较大。这主要是因为普通粉煤灰颗粒表面光滑致密，水泥和水分无法进入到微珠内部，微珠表面的活性硅首先与Ca(OH)2反应然后反应逐步向内部扩展，水化进程缓慢，到28d时普通粉煤灰仍未水化完全。

相比于普通粉煤灰混凝土，从图7中可以观察到，磨细粉煤灰混凝土的ITZ内部界面含有大量C-S-H凝胶包裹在集料周围，并填充在集料与水泥石之间的空隙内。磨细粉煤灰混凝土结构密实，已经不能明显观察到粉煤灰颗粒的形貌。磨细粉煤灰的颗粒球形度较差，颗粒比表面积显著增大且表面缺陷较多，加之矿粉的协同促进作用，到28d时水化凝胶已经大量填充在ITZ内部，降低ITZ的空隙率，增强了界面过渡区的密度，减少了微晶在界面过渡区的富集有利于混凝土的强度、耐久性等显著提高。

图6 普通粉煤灰混凝土ITZ的28d SEM

图7 磨细粉煤灰混凝土ITZ的28d SEM

3 结论

通过对比普通Ⅱ级粉煤灰和磨细Ⅱ级粉煤灰、普通粉煤灰混凝土和磨细粉煤灰混凝土的微观结构性能，研究发现:(1)普通Ⅱ级粉煤灰多为表面光滑、形状规则的球形颗粒，颗粒粒径分布较窄;磨细Ⅱ级粉煤灰颗粒多为表面粗糙、形状不规则的颗粒，颗粒分布较宽;(2)磨细粉煤灰活性要高于普通Ⅱ粉煤灰，到28d时磨细粉煤灰混凝土的ITZ结构要比普通粉煤灰混凝土的ITZ结构致密。

［1］ 龙广成，谢友均，刘宝举.超高性能混凝土的试验研究［J］.新型建筑材料.2007(4):12-14.

［2］ (加)Sidney Mindess，(美)J.Francis Young，(美)David Darwin 著，混凝土(第二版)［M］.吴科如等译.北京:化学工业出版社，2004:268-270.

［3］ Neubauer，C.M.，Jennings，H.M.，and Garboczi，E.J.，A Three-Phase Model of the Elastic and Shrinkage Properties of Mortar［J］.J.of Advanced Cement-Based Materials.1996，20(4):6-15.

［4］ 万惠文.含RA、FA的绿色混凝土结构与性能研究.［D］.武汉:武汉理工大学，2004.

［5］ 沈旦申，张荫济.粉煤灰效应的探讨［J］.硅酸盐学报，1981，9(1):57-63.