养护参数对常压干热养护灰砂混凝土力学性能的影响

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(重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)

1 引 言

灰砂混凝土可制备灰砂砖、灰砂加气混凝土及各种建筑构件。制备过程中的蒸压养护能耗高、污染严重，成为阻碍灰砂混凝土制品推广和应用的重要原因[1]，且大部分厂家生产设备落后，使用较小直径、较低工作压力的蒸压釜[2]。随着各类新型建材在应用中收缩大、开裂及渗漏问题较为普遍[3]，传统灰砂混凝土制品以其强度高、耐水性好等优点[4]，又重新受到关注。在实现建筑工业化和标准化的今天，装配式建筑以其加速城市化进程、节能环保、有利于保证工程质量、降低企业成本、提高管理水平等优点，越来越受到重视[5]。因此，未来对成品砖和预制产品的需求也会不断增大。

彭小芹等[6]提出了一种新的灰砂混凝土养护工艺——常压干热养护工艺。通过掺入一种外加剂MH，使水分蒸发减缓，达到在常压高温的干燥环境中养护灰砂混凝土的目的。干热养护工艺很早就应用于水泥混凝土制品当中，但这种干热养护并不是相对湿度越低越好，它是通过控制相对湿度与干烘时间，从而加速混凝土的水化反应和排出多余有害水分，达到提高混凝土强度的目的，有时还与湿热养护相结合，养护温度一般低于100℃[7-8]。对于超高性能混凝土、活性粉末混凝土，通常有蒸压养护、蒸汽养护、热水养护等养护方式[9-10]。施韬[11]等人通过90℃热水养护，制备出抗压强度125MPa，抗折强度20MPa以上的掺矿渣的活性粉末混凝土。袁也[12]将活性粉末混凝土在90℃热水中养护2d后放入高温炉中进行干热养护，当干热养护温度为250℃，恒温6h时，抗压强度可达200MPa左右。

本文在以往研究的基础上，着重探讨了养护工艺参数如恒温温度、恒温时间、升温速率等对灰砂混凝土力学性能的影响并探讨了影响机理，制备出抗压强度为40.2MPa，抗折强度为8.3MPa的灰砂混凝土。同时结合微观测试，探讨了常压干热养护灰砂混凝土的反应机理及水化产物种类。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料及试验设备

试验所用石灰为块状生石灰，经球磨机磨细，比表面积为415m2/kg，其有效CaO含量为86.61%，消化速度5～9min，消化温度75℃；砂粉为河砂，用球磨机磨细，比表面积为431m2/kg，主要矿物为长石类物质和石英，SiO2含量为76.8%；集料为河砂，细度模数2.7；外加剂MH为一种工业级化工产品，掺入后与原材料反应生成一种中间产物，以减缓水分的蒸发速率；实验所用养护设备为CS101-BC系列电热鼓风干燥箱。

2.2 试验方法

将石灰和砂粉以Ca/Si(摩尔比)为0.25的比例混合，加入集料使粉料与集料的质量比达到0.5并混合干拌1min，然后加入MH溶液湿拌3min。其水固比(水与粉料和集料的质量比)为0.14，MH掺量为粉料(砂粉+石灰粉)质量的9%。搅拌结束后，将砂浆倒入40×40×160mm钢模中，在震动台上震动1.5min成型。静停12h后拆模，将试件置于常压干热养护箱内养护。在养护过程中，所采用的恒温温度分别为120、140、160和180℃；恒温时间为2、3、4和5h；升温速率为0.6、1.0、1.4和1.8℃/min。养护结束后，试件自然冷却到室温，根据GB/T 17671-1999 《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》测定试件的抗折强度和抗压强度。

2.3 微观检测

利用X射线衍射仪(XRD)测定常压干热养护后的灰砂混凝土的物相组成(为排除集料的影响，采用无集料的灰砂混凝土试件)，其扫描范围为10～90°，扫描速度为4°/min。采用TESCAN VEGA II 可变真空钨灯丝扫描电镜(SEM)对试件的微观形貌进行检测，该仪器配有 INCA Energy 3500 X 射线能谱仪，加速电压 20KV，放大倍数 4～100000X。在测试前，为提高分辨率，对样品进行了喷金处理。

3 试验结果与讨论

3.1 常压干热养护制度对强度的影响

图1为不同MH掺量的灰砂混凝土随养护时间的延长其质量损失率的变化。所用养护制度为升温速率1℃/min，恒温温度140℃，恒温时间5h。从图中可以看出，MH掺量为0%时，灰砂混凝土在养护2h后质量损失率达到6.2%，之后稍有增加但变动幅度不大。这说明MH掺量为0%时，灰砂混凝土保水性能差，水分蒸发剧烈，养护前期(0～2h)就已经蒸发掉大部分水分。随着MH掺量增大到(6%、9%和12%)，单位时间内质量损失率均随之减小。试验结果说明，MH确实起到了保水作用，随着MH掺量的增大，灰砂混凝土的保水性能增强。

图1 MH掺量对灰砂混凝土质量损失率的影响Fig.1 Effect of MH dosage on the weight loss percentage of lime-sand concrete

以钙硅比0.25、水固比0.14、胶集比0.5、MH掺量9%为基准的配合比进行试验，在升温速率为0.6℃/min和恒温时间为5h的条件下，恒温温度对灰砂混凝土强度的影响结果如图2所示。

图2 恒温温度对灰砂混凝土强度的影响Fig.2 Effect of isothermal temperature on the strength of lime-sand concrete

从图2中可以看出：随恒温温度的升高，抗压与抗折强度呈现先增大后减小的趋势。当恒温温度为140℃时，试件的抗压强度和抗折强度均达到最高值，分别为40.7MPa和8.2MPa。这可能是因为恒温温度小于140℃时，水分蒸发较为平缓，化学反应速度是影响强度的主要因素，故随恒温温度升高，化学反应加快，水化产物增多，强度随之提高；当温度继续升高(>140℃)，水分蒸发愈发剧烈，水分蒸发速度超过了物质的反应速度，致使反应还未进行完全就已经失去了作为反应介质的水分，从而导致强度降低。由以上试验结果可知140℃左右为水分蒸发和强度发展的平衡节点，故常压干热养护的恒温温度选择140℃为宜。

图3为恒温温度140℃，升温速率0.6℃/min时，灰砂混凝土强度随恒温时间从2h延长到5h的变化。从图2可以看出：随恒温时间的延长强度呈现增长趋势，到4h后增长趋势减缓。

图3 恒温时间对灰砂混凝土强度的影响Fig.3 Effect of isothermal period on the strength of lime-sand concrete

当恒温时间为4h时，抗压强度可达38.8MPa，抗折强度可达8.4MPa，当恒温时间继续延长到5h时，强度增长缓慢，抗压强度达到40.7MPa，抗折强度达到8.2MPa。这比传统蒸压灰砂砖所需的恒温温度(175～200℃)低，恒温时间(6h)短且强度更高。综合本试验结果，恒温时间选4h或5h较为适宜。

图4为恒温温度和恒温时间分别为140℃和5h的条件下，升温速率对灰砂混凝土强度发展的影响曲线图。由图可见：随升温速率增大，抗压强度和抗折强度呈现下降趋势，当升温速率达到1.8℃/min时，强度下降幅度增大。

图4 升温速率对灰砂混凝土强度的影响Fig.4 Effect of heating rate on the strength of lime-sand concrete

由此可知，当升温速率较低时(0.6℃/min)，试件表面与内部的温度梯度不明显，不易产生热应力，对强度发展有利；当升温速率过大，试件表面温度上升较内部温度上升快，温差过大容易产生热应力，从而对试件强度发展不利。

在保证强度的前提下，适当提高升温速率，可以缩短养护时间，降低能耗，对生产有利。综合考虑以上因素，升温速率宜选择1.0℃/min或1.4℃/min。

充分考虑各工艺参数对灰砂混凝土强度的影响，试验推荐养护制度为恒温温度140℃、恒温时间5h、升温速率1℃/min，此时抗压强度可达40.2MPa，抗折强度为8.3MPa。

3.2 常压干热养护灰砂混凝土的微观结构分析

图5为石灰粉、砂粉和灰砂混凝土(无集料)的XRD图谱，结合利用SEM对灰砂混凝土进行了微观形貌分析。灰砂混凝土(无集料)的养护制度为：恒温温度140℃、恒温时间5h、升温速率1℃/min。

图5 原材料及灰砂混凝土的XRD图谱 ① 石灰粉； ② 砂粉； ③ 灰砂混凝土(无集料)Fig.5 XRD patterns of raw material and lime-sand concrete

从图5曲线①可见，石灰粉中的主要成分为CaO。曲线②表明，砂粉中主要含有SiO2以及长石类物质。与原材料的XRD谱图相比，曲线③中SiO2衍射峰、长石衍射峰均有所减弱，这说明部分SiO2和长石类物质已经参与了反应，还残余有Ca(OH)2。曲线①中出现了新的衍射峰，5、6为NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O衍射峰，7、8为沸石类物质(CaAl2Si2O8·4H2O、Na6[AlSiO4]6·4H2O)衍射峰。

可以认为，MH加入后与砂粉中的SiO2反应生成了一种粘稠的硅酸盐，这种硅酸盐可以保证水分在较高温度时缓慢蒸发，使反应得以顺利进行。升温后MH及所生成的硅酸盐与Ca(OH)2发生反应，生成了NaCaHSiO4[13]、Na2Ca2Si2O7·H2O等物质。同时，在MH和所生成的硅酸盐的作用下，砂粉中长石类铝硅酸盐矿物发生溶解形成硅酸盐、铝酸盐和硅铝酸盐复杂体系，再进一步与Ca(OH)2等物质反应，生成了沸石类的水化产物[14,15]。水化产物相互交联逐渐增多，将集料和未反应的砂粉等紧紧结合在一起，进一步干燥脱水后形成硬化体。

图6为灰砂混凝土经粉碎后的SEM照片，从图6a和6b可以看出，灰砂混凝土是由20μm左右的晶体状颗粒及尺寸更为细小的片状颗粒堆积而成，前者可能为未反应完全的石英粉(主要成分SiO2)，而后者则为NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O和沸石类水化产物。这些水化产物将集料包裹在其中，形成致密的结构，从而保证了灰砂混凝土的力学性能。在更高的放大倍数下(图c和图d)，可以观察到呈片状的水化产物相互交错堆积并连接成一个整体，这些产物的形成促进了灰砂混凝土强度的发展。

图6 灰砂混凝土粉碎后的SEM照片Fig.6 SEM photo of lime-sand concrete

1.通过掺入一种外加剂MH，可以减缓灰砂混凝土的水分蒸发速率，从而使常压干热养护工艺得以实现，适宜的掺量为粉料质量的9%左右。

2.在灰砂混凝土的钙硅比为0.25、水固比0.14、胶集比0.5、MH掺量9%时，推荐常压干热养护制度为恒温温度140℃、恒温时间5h、升温速率1℃/min。混凝土抗压强度达40.2MPa，抗折强度为8.3MPa。

3.通过XRD分析得出反应产物是以NaCaHSiO4、Na2Ca2Si2O7·H2O和沸石类为主的水化产物，通过SEM观察到水化产物呈片状相互交联堆积，将集料包裹在其中，形成了致密的结构。

4.与传统蒸压养护工艺相比，灰砂混凝土常压干热养护工艺有以下优势：低钙硅比减少了石灰用量，从而降低了原材料成本；与蒸压养护相比，常压干热养护的养护温度低，恒温时间短，有利于降低生产能耗；无需蒸压釜，设备投资少，在降低生产成本的同时提高了安全性。