凝灰岩微粉对干混蒸压养护水泥硬化浆体性能的影响

2018-11-23叶青李宝东张泽南

新型建筑材料 2018年10期

叶青，李宝东，张泽南

（1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310023；2.浙江工业大学理学院，浙江杭州 310023）

0 引言

月球具有可供人类开发和利用的多种独特资源，又将是人类探索外太空的重要跳板。为此需要先在月球上建设基地，需要研制出低成本的建设施工方法。对多种材料的探索[1-6]表明，水泥混凝土是一种有可能适应月球环境的建筑材料。

经现有探测得知，月球表层土[1-2，7-9]主要为矿物碎屑、非晶态火山灰和月球独有的凝聚体颗粒等，部分表层土的比表面积达到300～500 m2/kg。以非晶态火山土为例，其化学成分SiO2、Al2O3、CaO 的含量分别为44.87%、25.48%、14.52%。月球表层岩石部分大多数为玄武岩、橄榄石、斜长石及钛铁矿等，其强度与地球上的同类岩石相同。20世纪70年代，美国学者Lin等[1-3]建议采用熔融法将含有水泥成分的月岩进行熔融、分离、再熔融制备铝酸盐水泥，并进行了系列研究。在月球上生产水泥是一件不容易的事，而且近期有关月球水泥研究的报道很少。由近期的研究[4-5]可知，在初次建基地时，美国还是将使用从地球带去的硅酸盐水泥。

针对月球上的真空条件和可能没有水的特殊情况，20世纪90年代，美国进行了采用干混蒸压养护法[dry-mix/steaminjection method（DMSIM）]制备水泥砂浆和混凝土的研究[3-5]。其工艺为先干拌适当比例的硅酸盐水泥、砂和石，再放入蒸汽定型釜内，以高温高压蒸汽蒸养，蒸养时间小于24 h即可完成固化，其混凝土强度达到50～70 MPa，比传统混凝土提高1倍左右，而所需的水泥量只有传统混凝土的一半。美国学者LIN与我国台湾学者SU等[2-3]合作对采用硅酸盐水泥制备的干混蒸汽砂浆和混凝土的水化机理、蒸压时间和工程性能进行了研究。

在上述研究的基础上，设想利用月球表面的火山灰质材料或硅质材料与碱性材料（硅酸盐水泥和氧化钙等）复合，通过干混蒸压养护法工艺，研制适合于月球的蒸压掺火山灰质材料或硅质材料的水泥混凝土。本文仅试验研究水泥硬化浆体性能随火山灰质材料（凝灰岩微粉）掺量的变化规律。

1 试验用原材料和试验方法

1.1 原材料

凝灰岩微粉：由取自浙江省舟山市的凝灰岩经烘干并粉磨而成，比表面积365 m2/kg，除非晶体相外还含有的晶体矿物主要为石英和钠钙长石，其XRD图谱见图1。水泥：市售P·Ⅱ 52.5水泥，28 d 抗折、抗压强度分别为 8.5、56.4 MPa，比表面积为355 m2/kg，水泥和凝灰岩微粉的化学成分见表1。水：杭州当地自来水。

表1 硅酸盐水泥和凝灰岩微粉的化学成分 %

图1 试验用凝灰岩的XRD图谱

1.2 试验设备

试验用蒸压设备为YZF-20型蒸压釜，容积为0.0085 m3，最高蒸汽压力2.5 MPa，精度为0.05 MPa，可自动控制；试验用食品粉碎机型号为HL-28，额定电压220V。

X射线衍射（XRD）仪为SCINTAGX'TRA型，使用Cu靶，电流40 mA，电压 45 kV，扫描速度4°/min，步长 0.04°，美国热电（Thermol）生产。

1.3 试验方法

1.3.1 采用干混蒸汽法制备掺凝灰岩微粉的水泥硬化浆体

采用干混蒸压养护的水泥硬化浆体的试样代号为GHi，其中i为凝灰岩微粉的质量百分比（配合比见表2）。

表2 采用干混蒸汽法制备掺凝灰岩微粉的水泥硬化浆体试样混合料的配合比 g

首先，在干燥条件下借助食品粉碎机，转速10 000 r/min，将按设定比例的水泥和凝灰岩微粉充分混合成胶凝材料（或称干混合料）。用手工将上述胶凝材料[称量（m1），精度0.1 g]分别加入到三联试模（31.6 mm×31.6 mm×50.0 mm）中，并成型2批试样，人工适当捣实，尽量做到力度一致.然后放入蒸压釜内，进行蒸压养护，在140℃、0.3 MPa的蒸汽中保持3 h，再在213℃、1.9 MPa的蒸汽中保持9 h后，即可完成固化。其中一组随釜冷却12 h至室温后出釜并拆模，得到棱柱体试件，称量m2，由此可计算得到硬化浆体的（出釜）水胶比[（W/B）1，计算见式（1）]。然后将试件放入（105±5）℃的烘箱中干燥 6 h，在干燥器中冷却到室温后，进行称量（m3），再将试件浸入（20±2）℃的水中使其吸水，48 h后取出，用拧干的毛巾擦去表面润湿水，称出试件的饱和面干质量（m4），由此可计算得到硬化浆体的（饱水）水胶比[（W/B）2，计算见式（2）]，硬化浆体的非蒸发水与胶凝材料质量比[以下简称为非蒸发水胶比（Wn/B），计算见式（3）]，（干）体积密度[ρ0，计算见式（4）]和体积吸水率[φ（W），计算见式（5）]。

式（4）、（5）中 50.0 为试件的体积，cm3；1.00 为水的密度，g/cm3。

将另一组出釜试件放入（105±5）℃的烘箱中干燥6 h，在干燥器中冷却至室温，然后进行硬化浆体的轴心抗压强度试验，取3个试件的平均值作为测试结果，并换算成立方体抗压强度，换算系数为1.17。取上述抗压破碎后的硬化浆体，先进行研磨，过0.08 mm方孔筛，再进行X射线衍射（XRD）试验，以分析水泥硬化浆体中的物相。

1.3.2 采用湿拌蒸汽法制备掺凝灰岩微粉的水泥硬化浆体

采用湿拌成型并蒸压养护的水泥硬化浆体，其水胶比为0.28，试样代号为SHi，是本文的对比试样，其中i为凝灰岩微粉的质量百分比。配合比见表3。

表3 采用湿拌蒸汽法制备掺凝灰岩微粉水泥硬化浆体混合料试样的配合比g

根据表3配合比，分别称量水泥和凝灰岩微粉，总质量共计500 g，在干燥条件下借助食品粉碎机将它们充分混合成胶凝材料。然后采用水泥净浆的拌制方法（GB/T 1346—2011）制备湿拌凝灰岩水泥浆体。把上述浆体分2层加入到三联模中适当捣实并成型2批试样。一批放入标准养护箱养护12h，再放入蒸压釜中进行蒸压养护（140℃，0.3 MPa）3 h，再在213℃，1.9 MPa的蒸汽中保持9 h，其它物理性能的测试、计算与干混蒸压养护法制得硬化浆体相同；另一批（试样代号为NHi）放入标准养护箱养护24 h后拆模，然后在20℃水中养护至28 d，并进行抗压强度测试。

2 试验结果与讨论

2.1 水胶比

对于经湿拌蒸压养护后的水泥硬化浆体,其水胶比按加水搅拌时的水胶比（0.28）而定，但对于经干混蒸压养护后水泥硬化浆体的水胶比就不易定，其初始水胶比为0，因此以（出釜）水胶比和（饱水）水胶比来替代。

图2为干混蒸压养护（GH）和湿拌蒸压养护（SH）水泥硬化浆体的水胶比随凝灰岩微粉掺量的变化规律。

图2 水泥浆体水胶比随凝灰岩微粉掺量的变化规律

由图2可见，对于经干混蒸压养护后掺凝灰岩微粉的水泥浆体，在凝灰岩微粉掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，其（出釜）水胶比（W/B）1分别为 0.169、0.173、0.172、0.172、0.171、0.169、0.166，均小于 0.18，分别为本组空白试样 GH0的 1.02、1.02、1.02、1.01、1.00、0.98 倍，在凝灰岩微粉掺量不大于50%时其水胶比均略大于空白试样，且在凝灰岩微粉掺量为10%时，其水胶比达到最大值；在凝灰岩微粉掺量大于50%时其水胶比小于空白试样。其（饱水）水胶比（W/B）2分别为 0.241、0.215、0.207、0.198、0.193、0.188、0.187，均小于0.25，分别为本组空白试样GH0的0.89、0.86、0.82、0.80、0.78、0.78倍，其水胶比均小于空白试样，且随凝灰岩微粉掺量的增加呈逐渐减小的趋势。

在相同凝灰岩微粉掺量的条件下，经干混蒸压养护后水泥硬化浆体的水胶比明显低于经湿拌蒸压养护后水泥硬化浆体的水胶比，因此其密实度大于后者。

2.2 非蒸发水胶比

图3为干混蒸压养护和湿拌蒸压养护水泥硬化浆体的非蒸发水胶比（Wn/B）随凝灰岩微粉掺量的变化规律。

图3 水泥浆体非蒸发水胶比随凝灰岩微粉掺量的变化规律

由图3可见，凝灰岩微粉掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，在经干混蒸压养护后其硬化浆体的非蒸发水胶比分别为本组空白试样 GH0 的 0.88、，0.79、0.70、0.62、0.53、0.46倍，且随凝灰岩微粉掺量的增加而逐渐降低。而且在相同凝灰岩微粉掺量的条件下其非蒸发水胶比与经湿拌蒸压养护后非蒸发水胶比的比值分别为0.973、0.976、0.966、0.951、0.949、0.946、0.950，即前者小于后者，但很接近。

由此可知，经干混蒸压养护后水泥浆体的非蒸发水胶比随凝灰岩微粉掺量的增加而依次降低，在凝灰岩微粉掺量相同的条件下经干混蒸压养护后水泥硬化浆体的非蒸发水胶比略小于经湿拌蒸压养护后的非蒸发水胶比。

2.3 体积密度

图4为干混蒸压养护和湿拌蒸压养护水泥硬化浆体的体积密度随凝灰岩微粉掺量的变化规律。

由图4可见，在凝灰岩微粉掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，经干混蒸压养护后水泥浆体的体积密度分别为本组空白试样 GH0 的 1.01、1.00、0.99、0.97、0.95、0.93倍，在凝灰岩微粉掺量不大于20%时其体积密度均略大于空白试样，在凝灰岩微粉掺量大于20%时其体积密度均小于空白试样，且依次降低。同理，经湿拌蒸压养护后水泥浆体的体积密度分别为本组空白试样SH0 的 0.99、0.97、0.95、0.93、0.91、0.90倍，随着凝灰岩微粉掺量的增加，其体积密度均小于空白试样，且依次降低。

图4 水泥硬化浆体体积密度随凝灰岩微粉掺量的变化规律

由此可知，经干混蒸压养护制得的水泥硬化浆体的体积密度随着凝灰岩微粉掺量的增加而先略有增加后依次降低；在相同掺量条件下，其体积密度均高于经湿拌蒸压养护制得的水泥硬化浆体。

2.4 体积吸水率

图5为干混蒸压养护和湿拌蒸压养护水泥硬化浆体的体积吸水率随凝灰岩微粉掺量的变化规律。

图5 水泥硬化浆体体积吸水率随凝灰岩微粉掺量的变化规律

由图5可见，在凝灰岩微粉掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，经干混蒸压养护后水泥浆体的体积吸水率分别为本组空白试样 GH0 的 0.98、0.99、1.05、1.10、1.17、1.26倍，在凝灰岩微粉掺量不大于20%时其体积吸水率均略小于空白试样，在凝灰岩微粉掺量大于20%时其体积吸水率均明显大于空白试样，且依次增大。在相同凝灰岩微粉掺量的条件下其体积吸水率与经湿拌蒸压养护后体积吸水率的比值分别为0.84、0.82、0.82，0.85、0.88、0.88、0.90，即前者明显小于后者。

体积吸水率约等于开口孔的孔隙率，体积吸水率越大则开口孔隙率就越大。由此可知，经干混蒸压养护制得的水泥硬化浆体的体积吸水率随着凝灰岩微粉掺量的增加而先略有降低后依次增加；在相同掺量的条件下，其体积吸水率均明显低于经湿拌蒸压养护制得的水泥硬化浆体的体积吸水率。

2.5 抗压强度

图6为经干混蒸压养护后与经湿拌蒸压养护后、经湿拌标准养护28 d时水泥硬化浆体的强度随凝灰岩微粉掺量的变化规律。

图6 水泥硬化浆体抗压强度随凝灰岩微粉掺量的变化规律

由图6可知：

（1）经湿拌标准养护（NH）28 d掺凝灰岩微粉的水泥浆体，在凝灰岩微粉掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，其抗压强度分别为本组空白试样NH0的0.97、0.87、0.75、0.64、0.54、0.44倍，其抗压强度均小于空白试样，并随凝灰岩微粉掺量的增加而依次降低。究其原因，在湿拌标准养护至28 d龄期时，水泥的水化程度大约为80%，凝灰岩微粉在此养护条件下更多起到的是填充的作用，因此其强度随凝灰岩微粉掺量的增加而依次降低。

（2）经湿拌蒸压养护（SH）后掺凝灰岩微粉的水泥浆体，在上述凝灰岩微粉掺量的条件下，其抗压强度分别为本组空白试样 SH0 的 1.07、1.05、1.01、0.92、0.79、0.68 倍，在凝灰岩微粉掺量不大于30%时其抗压强度均大于空白试样，且在凝灰岩微粉掺量为10%时其抗压强度达到最大值；在凝灰岩微粉掺量大于30%时其抗压强度均小于空白试样，且依次降低。究其原因，在湿拌成型12 h后再在140℃的蒸汽中保持3 h和在213℃的蒸汽中保持9 h养护后，水泥的水化程度已接近100%，在氢氧化钙含量充足的条件下凝灰岩微粉中非晶态的SiO2和结晶态的石英等矿物均能与氢氧化钙作用而水化生成水化硅酸钙。因此其强度在凝灰岩微粉掺量不大于30%时其抗压强度均大于空白试样，在凝灰岩微粉掺量大于30%时其抗压强度均小于空白试样，且依次降低。

经干混蒸压养护（GH）后掺凝灰岩微粉的水泥浆体，在上述凝灰岩微粉掺量的条件下，其抗压强度分别为分别为本组空白试样GH0 的 1.11、1.08、1.00、0.86、0.72、0.62 倍，在凝灰岩微粉掺量不大于30%时其抗压强度均大于空白试样，且在凝灰岩微粉掺量为10%时其抗压强度达到最大值；在凝灰岩微粉掺量大于30%时其抗压强度均小于空白试样，且依次降低。其强度发展规律与上述经湿拌蒸压养护后的水泥硬化浆体强度随凝灰岩微粉掺量的变化规律相似，但在相同凝灰岩微粉掺量条件下其强度均高于经湿拌蒸压养护后的强度。究其原因，主要是经干混蒸压养护后掺凝灰岩微粉的水泥浆体的密实度高和水胶比低。

由此可知，在凝灰岩微粉掺量相等的条件下经干混蒸压养护后的浆体抗压强度要高于经湿拌蒸压养护后的浆体强度，且明显高于经湿拌标准养护28 d后的浆体强度。

2.6 XRD分析

图7为经干混蒸压养护后不同凝灰岩微粉掺量水泥硬化浆体的XRD图谱。

图7 经干混蒸压养护后不同凝灰岩微粉掺量水泥硬化浆体的XRD图谱

由图7可见，对于不掺凝灰岩微粉的水泥试样GH0，其（半）结晶相为氢氧化钙、水化硅酸三钙（C6S2H3）、水化硅酸二钙（C2SH2）、硬硅钙石（C6S6H）和水石榴石（C3ASH4～C3AS2H2）等，水泥熟料矿物已水化。

对于掺10%凝灰岩微粉的水泥试样GH10，其（半）结晶相为水化硅酸三钙、水化硅酸二钙、硬硅钙石和水石榴石等，水泥熟料矿物已水化，氢氧化钙晶体还存在。对于掺20%凝灰岩微粉的水泥试样GH20，其（半）结晶相为托勃莫来石（C5S6H5），硬硅钙石和水石榴石等，氢氧化钙晶体已不存在。对于试样GH40，其（半）结晶相为托勃莫来石，白钙沸石，硬硅钙石和水石榴石等，还有少量未发生水化反应的石英和奥长石存在。对于试样GH60，其（半）结晶相为白钙沸石、托勃莫来石和水石榴石等，还有大量未发生水化反应的石英和奥长石存在。

由此可知，经干混蒸压养护后，水泥熟料矿物已水化；在掺20%凝灰岩微粉时氢氧化钙晶体已不存在；在掺40%凝灰岩微粉时已有少量未发生水化反应的石英和奥长石存在；在掺60%凝灰岩微粉时，已有大量未发生水化反应的石英和奥长石存在。随着凝灰岩微粉掺量的增加，依次出现的水化硅酸钙的产物为水化硅酸三钙，水化硅酸二钙，硬硅钙石，托勃莫来石和白钙沸石。