水化硅酸钙对加气混凝土干燥收缩的影响

高超 ，蒋亚清 ，2，王玉 ，潘云峰 ，2，黄万明

（1.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098；2.河海大学淮安研究院，江苏 淮安 223001；3.盐城力通建材有限公司，江苏 盐城 224100）

加气混凝土具有轻质、低导热、防火[1-3]等优良性能，加之采用非烧结工艺生产，是满足建筑工业化和建筑节能需求的基础性墙体材料，其主要水化产物为低钙硅比水化硅酸钙凝胶C-S-H（I）、托勃莫来石晶体和水石榴石。常见的粉煤灰加气混凝土中的水化硅酸钙数量及结晶度低于砂加气混凝土[4]。特定的高分散性多孔结构和矿物组成既赋予了加气混凝土满足建筑墙体保温、隔热、防火等性能需求，又导致产生加气混凝土墙体收缩开裂的通病。为提高加气混凝土抗裂性能，国内外学者开展了深入的理论研究。Hôpital等[5-6]研究发现，铝在水化硅酸钙中桥位Q2b的掺杂，使硅氧四面体分子平均链长和层间距增加，在一定条件下可促进低收缩水化产物生成；通过在硅氧四面体长链中进行元素掺杂，可显著改善水化硅酸钙的力学性能和材料的体积稳定性。

现有研究主要集聚于水化硅酸钙改性、加气混凝土吸水特性调控等方面[7]，极少涉及水化产物组成对加气混凝土干燥收缩影响的定量研究。本文通过半定量分析，构建加气混凝土基材干燥收缩值随其水化硅酸钙胶体含量和托勃莫来石含量变化的等值线图，研究加气混凝土干燥收缩性能及水化产物组成对加气混凝土干燥收缩的影响，为正确认识加气混凝土收缩机理提供参考依据[8-9]。

1 试验

1.1 原材料

砂：磨细石英粉，过0.08 mm筛，东海远洋石英砂厂；石灰：分析纯CaO，有效氧化钙含量99%，天津致远化学试剂有限公司；石膏：脱硫石膏；水泥：P·Ⅱ52.5，江苏八菱海螺水泥有限公司；水：自来水；加气混凝土砌块：干密度为501 kg/m3、抗压强度为5.3 MPa的砂加气混凝土和干密度为620 kg/m3、抗压强度为4.9 MPa的粉煤灰加气混凝土砌块，盐城力通建材有限公司提供。

1.2 水热合成试验配比

水泥-石灰-砂加气混凝土基材水热合成采用表1所示正交试验方案。

表1 正交试验因素水平

1.3 试验方法

将磨好的石英粉、水泥、石膏、生石灰和水按配比称量，然后在搅拌机中搅拌，倒入40 mm×40 mm×160 mm的试模中。试块成型后自然养护24 h脱模，放置于蒸压釜中进行水热合成，在180℃、1 MPa蒸汽压力下反应8 h。试块出釜后参照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》快速试验法测干燥收缩值。

将加气混凝土试样破碎成5～8 mm颗粒，用无水酒精浸泡24 h置换出其中的水，在60℃条件下烘干至恒重。取部分颗粒进行真空干燥和喷金处理，在JSM5610LV SEM分析仪上进行SEM及BSE分析；取部分颗粒在环氧树脂中浸泡，待固化后研磨成粉末，进行XRD和BET测试，根据测试结果参照文献[10]半定量分析试样中水化硅酸钙胶体和晶体的含量。

2 结果与分析

2.1 基材干燥收缩等值线图

水热合成获得的水泥-石灰-砂加气混凝土基材正交试验样品，经测试干燥收缩值，并采用XRD/BET法半定量分析水化硅酸钙胶体（C-S-H）和晶体（托勃莫来石）的含量，绘制图1、图2所示水泥-石灰-砂加气混凝土基材收缩值随C-S-H和托勃莫来石含量变化的等值线图。

图1 水泥-石灰-砂加气混凝土基材收缩随C-S-H胶体和托勃莫来石含量变化的等值线

图2 等值线上限线性段局部拟合

由图1可知，基材具有低收缩值的水化产物含量为：晶体（18.6±1.0）%、胶体（41.5±1.0）%，相应地，基材收缩值小于0.23 mm/m。随水化硅酸钙含量变化，基材呈现出如下收缩规律：当晶体含量小于19%时，随胶体含量增加，基材收缩表现为先减小后增大；当晶体含量大于19%时，基材收缩随胶体含量增加而减小。

由图2可知，等值线上限线性段局部即晶体含量为22%～27%、胶体含量为39%～47%时，水泥-石灰-砂加气混凝土基材收缩值近似为恒定值，保持在0.41～0.46 mm/m。并且，该直线段水化硅酸钙胶体与晶体含量具有式（1）函数关系。经数值模拟，C-S-H凝胶和托勃莫来石含量在满足该函数关系时，对基材干燥收缩的影响系数分别为4.31和-5.85。

通过定量基材中水化硅酸钙胶体和托勃莫来石晶体含量，利用等值线图获取基材干燥收缩值数据，可为优化蒸压工艺参数、原材料配比及按性能设计加气混凝土提供参考。

2.2 水化硅酸钙组成对加气混凝土干燥收缩的影响

根据试验结果，砂加气混凝土和粉煤灰加气混凝土砌块的干燥收缩值分别为0.47、0.52mm/m，均符合GB11968—2006《蒸压加气混凝土砌块》标准要求。

2类加气混凝土的XRD图谱见图3。

图3 加气混凝土的XRD图谱

经定量分析，砂加气混凝土砌块和粉煤灰加气混凝土砌块中水化硅酸钙胶体质量含量相近，分别为41%和40%；砂加气混凝土砌块则明显比粉煤灰加气混凝土砌块中含有更多的托勃莫来石，分别为22%和18%，前者与后者的晶体质量比为1.22。查图1可得，砂加气混凝土基材干燥收缩值为0.27 mm/m，粉煤灰加气混凝土基材的收缩值略小，为0.22 mm/m，将以上数值与对应的加气混凝土干燥收缩值对比计算，即可得基材收缩占加气混凝土收缩的贡献率分别为：砂加气混凝土基材占57.4%，粉煤灰加气混凝土基材占42.3%。从以上推导角度考虑，务必重视基材收缩的影响。

为定量表征基材收缩和加气混凝土收缩的关系，从立体维度推导至单维度，可由式（2）计算基材收缩导致的加气混凝土干燥收缩值：

式中：ε——基材收缩导致的加气混凝土干燥收缩值，mm/m；

εm——基材干燥收缩值，mm/m；

Vm——加气混凝土中基材的体积率。

2类加气混凝土的微观形貌分别见图4、图5。

图4 砂加气混凝土的微观形貌

图5 粉煤灰加气混凝土的微观形貌

对比图4、图5可以发现，砂加气混凝土中的托勃莫来石呈现规则的片状，而粉煤灰加气混凝土中的托勃莫来石则为叶片状，表现为典型的元素掺杂形貌。由于粉煤灰中含有约30%的Al2O3，参与水热合成反应，并在水化硅酸钙桥位掺杂，而过多的Al2O3又会对水热反应产生抑制作用，因而在相同的蒸压养护条件下，砂加气混凝土中水化硅酸钙胶体含量比粉煤灰加气混凝土高。

虽然粉煤灰加气混凝土基材具有较低的收缩率，但粉煤灰加气混凝土的收缩值却较高。也就是说，粉煤灰加气混凝土因孔隙水干燥导致的收缩较砂加气混凝土大。为探明加气混凝土中的孔在水分传输中的作用，通过对2类加气混凝土BSE图像的宏观孔进行定量表征，发现砂加气混凝土宏观孔隙率为5.9%，而粉煤灰加气混凝土宏观孔隙率高达13.8%。

2.3 基于水化产物组成的加气混凝土工艺优化

综合国内外研究成果及作者已有定量分析数据可知，当水化产物达到一定数量后，加气混凝土的力学性能增幅较小。因此，以目标强度、干燥收缩值和耐久性为指标，进行加气混凝土性能设计，对优化生产工艺，提高产品综合性能，具有重要的意义。

由图1可知，控制加气混凝土胶体含量为40%～43%、晶体含量17%～20%，加气混凝土基材收缩值为0.23～0.28 mm/m。例如，对B05级加气混凝土，基材体积率为0.25～0.30，则基材产生的收缩值仅为0.14～0.19 mm/m。显而易见，调控水化产物含量和组成，可有效减少加气混凝土干燥收缩。

加气混凝土在特定温度和蒸汽压力下的水热反应速率通常为固定值，且在正常工艺条件下硅质材料的反应程度小于50%，因而宜通过优化硅质材料颗粒级配、钙硅摩尔比、水热合成温度和压力，赋予加气混凝土在满足预期的物理、力学性能和耐久性的同时，具备较低的干燥收缩，以提高墙体抗裂性能。

3 结论

（1）通过定量水化硅酸钙晶体和胶体含量，构建加气混凝土基材收缩值随水化产物含量变化的等值线图，为正确认识加气混凝土干燥收缩机理及进行加气混凝土性能设计提供了理论参考依据。

（2）水泥-石灰-砂加气混凝土基材收缩值在晶体含量为22%～27%、胶体含量为39%～47%范围内稳定在0.41～0.46 mm/m，胶体和晶体在该区间内对基材干燥收缩的影响系数分别为4.31和-5.85。

（3）砂加气混凝土和粉煤灰加气混凝土中水化硅酸钙胶体含量相近，前者与后者的晶体质量比为1.22，水化硅酸钙对2种加气混凝土干燥收缩的贡献率分别为57.4%和42.3%。