粉煤灰水泥水化微观分析

苏力辉

(河北省交通规划设计院试验检测室)

1 引言

粉煤灰替代水泥掺入到混凝土中，不仅可以提高固体废弃物的资源化利用率，还可以减少水泥水化放热量，改善混凝土力学及耐久性能，具有技术、经济双重效益。然而，限于过去测试手段和传统观念的局限性，对水泥基材料低尺度下，水化浆体主要产物C-S-H的组成、结构、表面形貌及微观力学特性、水泥-粉煤灰材料体系中微结构形成和劣化过程中粉煤灰临界掺量以及水泥基材料宏观性能与微结构结构间的内在联系上还没有系统的研究，对这些问题的深入解析，对水泥基材料的研究、工程应用以及高值化利用粉煤灰均具有重要的现实意义。针对上述问题，对不同掺量粉煤灰水泥基材料微结构形成和水化过程中的微观性能进行了系统深入的研究，并最终确定粉煤灰-水泥体系中粉煤灰的作用，文中粉煤灰均以FA表示。

2 实验仪器

试验筛，搅拌机(行星式搅拌机，符合《行星式水泥胶砂搅拌机》JC/T 681要求)，试模(由三个水平的槽模组成，可同时成型三条40 mm×40 mm×160 mm的棱形试件)。试验采用JSM-6510A/JSM-6510LA扫描电子显微镜。

3 实验方法

按照实验室设计配合比制作40 mm×40 mm×160 mm的试件，试件成型后在标准条件下分别养护14 d，然后放置在微观电子显微镜下进行扫描并采集图像，主要观察水泥的水化产物。

表1 实验室配合比

4 实验结果分析

可以看出无任何外加剂的水泥在14 d的时候水化并不完全，表面有较多的孔隙和裂缝，在水化物中存在少量的排列较为疏松的Ca(OH)2，砂浆表面可以观察到一点点针状或刺状的CSH。此时混凝土收缩收到阻碍，很容易产生裂缝。

在掺有10%粉煤灰的式样的微观图像中，可以看见少量的球形的粉煤灰颗粒分布在砂浆表面，粉煤灰表面水化产物较少;此外还有一定量的针状钙矾石晶体，它们大量填充在砂浆表面的裂缝和孔隙中，还可以观察到表面的CSH和镶嵌其中的Ca(OH)2，把较小的粉煤灰颗粒掩盖起来。从而增加了砂浆的整体性和整体强度。从添加20%FA和30%粉煤灰的试验中，球状粉煤灰颗粒进一步增多，表面水化产物依旧很少。砂浆表面很难见到裂缝、孔隙，它们都被粉煤灰颗粒所填充。大量的粒状和针状CSH、针状Aft连成一个致密的布状物，它的整体性较好，试件上六角形Ca(OH)2很难发现，因为随着粉煤灰增多，大量的Ca(OH)2产物被消耗掉。通过本组扫描电镜试验可以得出下列结论:随着粉煤灰掺量的增加，砂浆中的柱状和针状Aft也开始出现并开始增多。由于Aft会产生微胀现象，所以对水泥砂浆的自生收缩和干燥收缩会产生有利影响，增加水泥砂浆的强度，抑制裂缝的产生。另一方面，随着粉煤灰添加量的增大，试件中的Ca(OH)2量也会相应的减小。由于Ca(OH)2会比较脆弱，因此会对砂浆试件的自生收缩和干燥收缩产生不利影响。由于粉煤灰具有以上特性，因此适当的添加粉煤灰会改善砂浆表面的密实度，增加试件强度，防止裂缝的产生。

不掺外加料的砂浆在养护28 d后的扫描电镜照片，从水化产物看，试件表面上存在许多柱状的CSH，有少量的针状Aft堆积在砂浆表面上的裂缝与孔隙中。它们相互堆积，形成有一定强度的整体，试件表面裂缝，孔隙与14 d的扫描电镜照片相比有很大程度减少，因此试件强度有了很大程度上的提高。从而得出结论:又经过了14 d养护的砂浆试件，进一步水化，表面生成了更多的CSH和Aft等水化产物并分布于砂浆拌合及反应过程中形成的裂缝中，这些水化物连成一个整体，使结构致密性更好，强度进一步更高。

在砂浆中掺入10%、20%，30%的粉煤灰的微观电镜扫描照片。从10%FA微观照片可以看出，和空白组相似，针状和柱状CSH、Aft进一步增多，且尺寸逐渐变大、更加明显。但是在照片上观察不到Ca(OH)2的存在，说明Ca(OH)2已被反应完全。图中的球形颗粒为粉煤灰颗粒，与14 d的形貌不同的是:14 d时的粉煤灰颗粒表面基本上是光滑的，而在28 d的试件表面的粉煤灰颗粒则有一定的水化物存在，但并不是覆盖所有的颗粒，28 d时颗粒表面相差较大，有的颗粒表面已布满了胶凝物质，而部分只是少量未覆盖完全，很少一部分还保持光滑。这时分布在粉煤灰颗粒表面的是CSH凝胶，随着龄期的增长，凝胶层会继续向着粉煤灰内部发展，直到反应掉所有粉煤灰颗粒。整体来看，28 d的砂浆表面更加紧密，不像14 d时有明显的裂缝和孔隙。从20%FA和30%FA图片中也可以观察到相似的结论，可以看到更大量的CSH凝胶覆盖在粉煤灰颗粒表面，砂浆表面也被大量的CSH凝胶所覆盖。此外还可以发现，14 d龄期的针状的Aft数量已经减少了大半，存在的也一般变短、变粗。Copeland等人很早就指出了钙矾石具有不稳定性的特点:由于晶体的比表面积较大而不能稳定存在，而是溶于砂浆孔洞中的溶液中在进行重结晶，填补了水泥水化而引起的孔洞，增加了浆体的密实度。

5 结论

从实验中我们可以得出结论:(1)适当的添加粉煤灰可以增加混凝土强度，防止裂缝的产生。(2)粉煤灰的加入可以减少水泥水化热。(3)最适宜的粉煤灰含量为20%-30%。

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