高強(qiáng)頁巖陶粒與水泥石界面作用機(jī)理研究

高強(qiáng)頁巖陶粒與水泥石界面作用機(jī)理研究

輕集料混凝土具有輕量、保溫、隔熱、滅火、耐寒等優(yōu)點(diǎn)。這是一種才華橫溢的新型建筑材料。隨著現(xiàn)代施工對(duì)混凝土性能要求的提高,高強(qiáng)、高性能已成為輕集料混凝土的主要發(fā)展方向。高強(qiáng)與高性能輕集料混凝土的制備一般要求采用低吸水率、高強(qiáng)的輕集料,該類輕集料表面往往有一層結(jié)構(gòu)較致密光滑的外殼,它的存在對(duì)水泥石與集料之間界面的粘結(jié)性能有負(fù)面影響,但此前對(duì)此缺乏深入研究。文獻(xiàn)對(duì)輕集料的自養(yǎng)護(hù)作用進(jìn)行了研究,但沒有對(duì)輕集料與水泥石之間的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入討論。采用背散射電子成像技術(shù)(BEI)和X射線能譜(EDXA)方法對(duì)輕集料與水泥石之間界面過渡區(qū)的元素分布特征進(jìn)行研究,測算出界面區(qū)寬度,探討了輕集料與水泥石兩相之間的作用機(jī)理,并利用壓汞測孔和顯微硬度法分析了粉煤灰、礦渣的摻入對(duì)界面結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。1實(shí)驗(yàn)1.1級(jí)粉煤灰的生產(chǎn)采用湖北華新水泥公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、武漢冶金礦渣公司生產(chǎn)的比表面積580m2/kg的磨細(xì)礦渣、漢川電廠生產(chǎn)的比表面積380m2/kg的Ⅱ級(jí)粉煤灰。輕集料是湖北宜昌寶珠陶粒公司生產(chǎn)的800級(jí)圓球形高強(qiáng)頁巖陶粒,其筒壓強(qiáng)度為6.8MPa,吸水率4.1%。1.2模具的養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)將經(jīng)過預(yù)濕處理的5～10mm圓球形頁巖陶粒與不同組成的水泥凈漿拌合(配比見表1),然后將試樣裝入《30mm×100mm的圓柱體模具中成型。1d后脫模,將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中,養(yǎng)護(hù)至90d齡期。為消除離析對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,先切掉試件上下兩端各20mm左右,然后從中間部位切取《30mm×15mm的薄片2～3個(gè),薄片兩端拋光后分別用于EDXA、BEI和顯微硬度測試。取其中一薄片破開后選擇輕集料與水泥石連在一起的試塊,仔細(xì)剝掉輕集料后采用壓汞法(MIP)測試距離輕集料表面3～5mm范圍內(nèi)水泥石的孔結(jié)構(gòu)特征。2結(jié)果與討論2.1試樣jm2元素含量分布輕集料與水泥石中的元素面分布如圖1所示,由圖1可見,輕集料與水泥石主要含有Ca、Si、Al、Na、K、S等元素。輕集料中Si、Al、Fe等元素含量較高,水泥石中Ca、Si等元素較多。輕集料是富Si相,水泥石是富Ca相。圖1可清楚觀察到高強(qiáng)頁巖陶粒外殼要比內(nèi)部致密得多。采用EDXA測試Ca、Si、Al、Na、K、S等各種元素在界面區(qū)的含量變化,圖2是試樣JM2在掃描方向上Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Fe等元素的分布情況。由圖2可見,沿著掃描方向,Na、Al、Si、K、Fe的含量由高至低,而S、Ca的含量由低變高,至水泥石基體各元素含量逐漸趨于穩(wěn)定,這表明界面區(qū)的Ca含量低于水泥石基體。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)(圖3),輕集料內(nèi)部孔中含有大量Ca元素。筆者認(rèn)為,輕集料孔中的Ca是界面區(qū)水泥石中Ca2+向輕集料遷移的結(jié)果。經(jīng)過預(yù)濕處理的輕集料內(nèi)部含有自由水,輕集料內(nèi)部孔溶液中Ca2+等離子濃度較低,而水泥石一側(cè)隨著水泥水化,溶液中Ca2+等離子濃度較高,在兩相之間孔溶液離子濃度差的驅(qū)動(dòng)下,水泥石孔溶液中離子半徑較小的離子如Na+、K+、Ca2+等向具有多孔結(jié)構(gòu)的輕集料一側(cè)遷移,而輕集料中的水向水泥石方向擴(kuò)散。隨著輕集料中水的逐漸消耗殆盡和水泥石結(jié)構(gòu)日趨密實(shí),離子遷移和水分?jǐn)U散變得困難,兩相的孔溶液離子濃度達(dá)到平衡。輕集料內(nèi)水分?jǐn)U散至界面區(qū)對(duì)水泥石起到養(yǎng)護(hù)作用,而界面區(qū)Ca2+向輕集料方向遷移使界面區(qū)Ca的含量小于水泥石基體。2.2輕集料表面化學(xué)組成分析由于界面區(qū)Ca2+發(fā)生遷移,因此提出以在由輕集料至水泥石方向上Si元素含量的突然變化作為判斷兩相界面的判據(jù),分析Si元素沿輕集料向水泥石方向由高變低直至穩(wěn)定所經(jīng)歷的區(qū)間長度,進(jìn)而測試各試樣水泥石與輕集料之間的界面寬度。將放大倍數(shù)調(diào)整至10000倍,選擇5μm或10μm作為掃描步長,從輕集料表面開始,向水泥石基體方向進(jìn)行線掃描,分析每1μm2區(qū)域的化學(xué)組成,結(jié)果見表2。由表2可知,在距離輕集料表面20～30μm的區(qū)間內(nèi),Ca、Si、Fe、Al等元素的含量變化明顯。在20～30μm處CaO、SiO2的含量基本穩(wěn)定,由此可知輕集料與水泥石之間的界面寬度約為20～30μm。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)計(jì)算出各試樣在界面區(qū)的硅鈣比(S/C),由圖4可知各試樣界面區(qū)的S/C高于基體,這是由于界面區(qū)中Ca2+離子向多孔結(jié)構(gòu)的輕集料方向遷移較易,而基體中的Ca2+向界面區(qū)遷移受基體相對(duì)致密的水泥石結(jié)構(gòu)抑制,離子遷移速度比較緩慢造成的。2.3充填材料對(duì)土壤有機(jī)溶劑的孔結(jié)構(gòu)和顯微硬度的影響由圖4可見,在距離集料表面5～30μm的界面區(qū)內(nèi),未摻加粉煤灰和礦渣的JM2的S/C最低,說明各試樣中JM2的界面區(qū)Ca、CH含量最高。在摻加粉煤灰和礦渣的試樣中,吸附在輕集料表面及在界面區(qū)的粉煤灰與礦渣顆粒隨著Ca2+由界面區(qū)向集料方向遷移,將在界面區(qū)與CH作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而消耗掉部分CH,因此,隨著粉煤灰、礦渣的摻入,JM3、JM4、JM5界面區(qū)S/C增加。礦物外加劑與水泥水化產(chǎn)物CH發(fā)生在界面區(qū)的化學(xué)反應(yīng)以及輕集料內(nèi)水分的養(yǎng)護(hù)作用將使包裹在輕集料周圍的水泥石結(jié)構(gòu)變得非常致密,從距離輕集料表面5mm以內(nèi)的部位取水泥石樣進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析可以證實(shí)。由表3可見,4個(gè)試樣中,JM2水泥石的平均孔徑最大,在摻入粉煤灰和礦渣后,各試樣中100nm以上的孔所占比例減少,而10nm以內(nèi)的孔所占比例顯著增加,如復(fù)合摻加粉煤灰和磨細(xì)礦渣的JM5試樣100nm以上孔所占比例僅為6.08%,而10nm以下孔所占比例達(dá)到了33.45%。通過礦物外加劑的火山灰作用和輕集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用,使得反應(yīng)所生成的產(chǎn)物填充在水泥石中的毛細(xì)孔中,使水泥石中大孔所占比例降低、小孔數(shù)量增多、平均孔徑和孔隙率降低。礦物外加劑的摻入使界面區(qū)水泥石的結(jié)構(gòu)變得致密,其顯微硬度也隨著礦物外加劑的摻入而有所提高。由圖5可知,各試樣界面區(qū)的顯微硬度均高于水泥石基體。摻加粉煤灰、礦渣之后,界面區(qū)和基體水泥石的顯微硬度有較大的增加,說明在輕集料內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用和礦物外加劑的協(xié)同作用下,輕集料與水泥石之間的界面得到增強(qiáng)。3水泥水體界面區(qū)的形態(tài)特征a.輕集料是富硅相,水泥石是富鈣相,沿著集料向水泥石方向,Na、Al、Si、K、Fe的含量由高至低,而S、Ca的含量由低變高,至水泥石基體各元素含量逐漸趨于穩(wěn)定。界面區(qū)S/C大于水泥石基體,輕集料與水泥石之間界面區(qū)的寬度約為20～30μm。b.在水泥水化硬化階段,輕集料與水泥石之間的孔溶液存在離子濃度差