高石粉含量的水工混凝土水化产物微观结构研究

李树国

(盘锦市盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124000)

1 研究方法

1.1 原材料性能

1)水泥。对于大体积水工构筑物，混凝土配制时应尽可能使用低水化热、质量好的水泥，有效防止早期水化热聚集可能引起的开裂问题[1-2]。本试验选用浑河P·MH 42.5级中热硅酸盐水泥，经检测各项性能指标均符合标准要求，水泥物理力学性能，见表1。

表1 水泥物理力学性能

2)粉煤灰。以高质量粉煤灰等量替代水泥不仅可以保证后期强度，还有利于减缓水化反应速度，有效改善混凝土抗裂性[3]。本试验采用绥中电厂生产的Ⅰ级粉煤灰作为矿物掺合料，经检测各性能指标符合Ⅰ级标准要求，粉煤灰性能指标，见表2。

表2 粉煤灰性能指标

3)粗、细集料。试验选用粒径5～20mm和20～40mm两种级配碎石，石粉含量忽略不计，含泥量<1.0%，泥块含量<0.5%，针片状含量<8%，经检测各项性能指标均符合标准要求，粗骨料基本性能，见表3。

表3 粗骨料基本性能

细集料选用灰岩人工砂，原配中石粉含量约17%，通过人工添加或者水洗的方式配制14%、17%、20%、22%、24%、27%、30%石粉含量的人工砂，人工砂物理性能，见表4。

表4 人工砂物理性能

4)外加剂。采用粉煤灰等量替代水泥时，掺入适量减水剂可以有效减少泌水离析以及胶凝材料用量，改善混凝土流动性及和易性[4-6]。因此，本试验选用苏博特GYQ-Ⅲ型高效引气剂和XK-540P型聚羧酸减水剂，这两种外加剂技术成熟且质量稳定，已被广泛应用于水利工程领域，经检测两种外加剂性能均符合标准要求，掺外加剂性能指标，见表5。

表5 掺外加剂性能指标

1.2 配合比设计

试验过程中保持外加剂掺量和混凝土砂率不变，设计0.36、0.45两种水胶比和14%～30%七种石粉含量的灰岩人工砂，试验配合比，见表6。按表6中的配合比制备300mm×150mm×150mm混凝土试样。干缩试验时，先将金属测头埋设于试件两端，采用《水工混凝土试验规程》推荐的方法和HSP-540型收缩膨胀仪测长，从而确定各组试件的收缩率。

表6 试验配合比

续表6 试验配合比

1.3 试验方法

试验采用S2-1、S4-1、S2-2、S4-2四组混凝土试样进行微观试验，即水胶比0.36和0.45，石粉含量为17%和22%。混凝土的配制过程主要有原材料称量、投料搅拌、时间控制等，首先，依据设计配合比精准称量原材料；然后，按粗细集料→凝胶材料→水与外加剂混合液的顺序依次投料，搅拌均匀后将拌合物倒出，分层装入模具并机械振捣密实，在室内静置24h后脱模并放入标养室养护7d、28d、90d；最后，将养护至不同龄期的试样取出劈开，在中心处取出5mm的立方体芯样，剔除集料较多的颗粒后浸入无水乙醇48h，其主要作用是终止水化[7]。

本试验利用扫描电子显微镜对其中的一小部分进行观测，并利用电磁制样粉碎机将剩余部分试样磨细，过0.08mm筛。为防止粉样碳化或吸湿，把磨细后的试样立即放置干燥容器密封，以备红外光谱测试和X射线衍射使用。

2 结果分析

2.1 混凝土干缩特征

不同石粉含量、不同水胶比的水工混凝土干缩特性，混凝土干缩率变化曲线，见图1。试验表明，混凝土干缩率随石粉含量的增加整体表现出先上升后下降的变化趋势，24%石粉含量组干缩率最高。这是因为石粉含量<24%条件下，在水化过程中石粉发挥活性效应与C3A反应生成碳铝酸盐；此外，未参与水化的石粉发挥微集料填充效应，提高了混凝土内部的毛细管力，有效降低了内部平均孔径，因此干缩率逐渐提高。石粉掺量>24%情况下，过量的石粉会大大降低混凝土密实度，从而提高平均孔径，干燥失水时混凝土表现出毛细管力和干缩率下降的特征。相同水胶比时，随石粉含量的增大水泥浆总量逐渐提高，混凝土干缩受水泥浆总量的影响也较为显著[8-9]。

(a)水胶比0.36 (b)水胶比0.45

2.2 混凝土微观结构

1)红外光谱。采用红外光谱激发17%、22%石粉含量和0.36、0.45水胶比试样，结果显示在红外图谱中各组试样吸收谱带的强度均随着水化龄期的增加而增大，这是由于水化时间越长则C-S-H凝胶、钙矾石等水化产物含量就越高，所以吸收谱带强度越越高[10]。

2)X射线衍射。采用X射线衍射17%、22%石粉含量和0.36、0.45水胶比试样，结果发现水化产物中有未水化的C3S、C2S、钙矾石以及氢氧化钙等物质。养护龄期为7d时，混凝土试样出现清晰的C3S衍射蜂，养护龄期达到90d时未发现明显衍射峰，随养护龄期延长水化程度不断提高，从而消耗了大量的熟料矿物[11]。同时，20%石粉含量试样的C3S衍射峰要比同期15%含量小，氢氧化钙和钙矾石强度也较高，这是因为石粉的活性效应加速了水化反应，从而使得氢氧化钙和钙矾石数量明显增加。

3)扫描电子显微镜。。采用电子显微镜扫描17%、22%石粉含量和0.36、0.45水胶比试样，结果发现电子显微镜扫描的不同配比试样均发现有凝胶类物质。养护龄期为7d时，电子显微镜扫描的试样表面较为光滑，由此表明粉煤灰未参与水化，早期水化过程中石粉的活性效应显著，通过在表面形成结晶可促进水化反应；随着养护龄期的延长，水化产物不断增多，凝胶会包裹少部分未水化的颗粒[12-15]。另外，同龄期同一水胶比试样的电子显微镜扫描图显示，相比于17%石粉含量的试样22%含量的试样更加密实，即22%石粉含量的混凝土具有更高的密实度。

3 结 论

1)混凝土干缩率随石粉含量的增加表现出先增大后减小的变化趋势，24%石粉含量的混凝土试样干缩率最大。

2)石粉含量<24%条件下，在水化过程中石粉发挥活性效应与C3A反应生成碳铝酸盐；未参与水化的石粉发挥微集料填充效应，提高了混凝土内部的毛细管力，有效降低了内部平均孔径，因此干缩率逐渐提高。

3)混凝土吸收谱带的强度均随着水化龄期的增加而增大，这是由于水化时间越长则C-S-H凝胶、钙矾石等水化产物含量就越高，所以吸收谱带强度越越高。随着龄期的延长，石粉的活性效应加速了水化反应，从而使得氢氧化钙和钙矾石数量明显增加。此外，水工混凝土对防裂性及稳定性等要求较高，在混凝土配制过程中所使用的人工砂石粉含量最高≥24%。