铁粉对水泥砂浆的强度及其微观结构的影响

2021-05-19张广兴

国防交通工程与技术 2021年3期

张广兴

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

良好的级配能有效改善水泥基材料的综合性能，根据吴中伟教授的“中心质”假说，高强度粒子的掺入，能够提高试件的强度。就目前的研究进展来讲，适量的粉煤灰与矿渣等矿物掺合料[1-4]在水泥基材料中的应用，不仅没有降低水泥基材料的强度，还显著提高了水泥基材料的耐久性，特别是抗氯离子侵蚀性能[5]。随着研究深入，纳米材料逐渐被引入到了水泥基材料当中，如纳米二氧化硅、纳米二氧化钛及纳米碳酸钙等[6-9]，以提高水泥基材料的耐久性能，同时还利用纳米氧化铁(Fe2O3)来改善水泥基材料的强度与功能性[10-14]，甚至是碳纳米管[15]也被掺入到水泥基材料当中，提高水泥基材料的抗折性能。在这些微集料中，具有活性的颗粒能与水泥水化产物发生反应，增强颗粒间的作用强度，进一步提高水泥基材料的整体性能。目前关于铁粉对水泥基材料综合性能影响的研究还不多见，本文主要研究不同粒径的铁粉对水泥基材料强度与微结构的影响，为水泥基材料结构的优化提供可行的方法。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

水泥，采用金隅牌强度等级为42.5的P.O普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表1。

表1 试验用水泥物理力学指标

细集料为河砂，细度模数为2.6，中砂；本实验所用水为清洁的自来水。

本实验所用铁粉为商品科研用还原性铁粉，细度分别为100目、200目、300目；对每个细度的铁粉都进行了XRD测试，如图1所示。

由图1特征峰的位置可知所使用的铁的晶体结构为体心立方结构，晶格常数a=b=c=2.866。

1.2 试样制备

图1 所用铁粉的XRD特征

本实验采用JJ-5水泥胶砂进行成型搅拌，其配比如表2所示。

试件尺寸：本实验选用规格为40 mm×40 mm×160 mm(强度测试)和25 mm×25 mm×280 mm(变形测量)的三联模。

表2 水泥砂浆的配合比

SEM制样：为了保证样品的统一性，在砂浆成型过程中，取少量成型于直径10 mmPVC管中，和同批砂浆试件在同条件下养护。到指定龄期，切取1 mm厚度的薄片置于酒精溶液中终止水化，然后取出于烘箱中50 ℃烘干。

BET制样：BET样品采用SEM样品，但测试之前将其破碎为最大边长小于3 mm的小块，便于测试。

2 结果与分析

2.1 强度分析

强度数据如图2～图4所示。

图2 不同铁粉、不同掺量的试样3 d强度

图3 不同铁粉、不同掺量的试样7 d强度

图4 不同铁粉、不同掺量的试样28 d强度

由图2可知，掺入200目铁粉的3 d抗折强度都要大于其他细度铁粉的强度，且掺量3%的抗折强度最大，之后随着掺量的增加强度有小幅度的减少，但都要大于基准试样的抗折强度，而掺加100目和300目铁粉3%掺量的试样对其强度略有影响，其他掺量基本无影响；掺加铁粉使得3 d时的抗压强度都有所提高， 200目铁粉掺量大于3%时，试件强度有小幅度增加且大于掺加其他细度铁粉的强度，在掺量为23%时达到最大，较基准试样提高了48.70%。

分析图3可知，在7 d时掺200目铁粉的试样各掺量的抗折强度都与基准的空白试样相差不多，但在掺量3%时抗折强度相对较大，而掺入其他细度铁粉的试样的强度都要远小于基准的空白试样；而掺入铁粉后各试样的7 d抗压强度都明显大于基准的空白试样，其中掺入300目铁粉的试样的强度提高最多，掺量为13%时强度提高31.74%，其他掺量试样的强度相差不多，都远大于掺入其他细度铁粉的试样。

由图4可知，28 d时，相对于基准试样，只有掺入100目铁粉1%和23%的试样，其抗折强度有所提高，掺入200目铁粉的各掺量试样和掺入1%、3%的300目铁粉的抗折强度与基准相差不大，掺入300目铁粉的试样，在掺量大于3%后，随着掺量的增加抗折强度减小；在28 d时掺入铁粉的抗压强度同样还是远大于基准试样的抗压强度，且掺入1%的100目铁粉的强度最大、提高40.45%，之后随着掺量的增加强度有小幅度的减少。

综上所述，在水泥砂浆试样中掺入铁粉，只有在掺入200目铁粉时初期的抗折强度有所提高，掺入铁粉的试样在其他龄期，其抗折强度都没有太大的提高，甚至部分掺量的试样强度会有所降低；而铁粉的掺入对抗压强度的影响较为明显，掺入铁粉后各个龄期的抗压强度都有较大程度的提高。

2.2 变形分析

由表3可知，在养护龄期为7 d时，相对于基准试样来说，在水泥砂浆中掺入100目和300目的铁粉，会使得试块的体积有所收缩，但经过28 d的养护后，掺入铁粉的试样都相对基准试样来说产生了体积的膨胀，体积由收缩变为膨胀，变形量较大。掺入200目铁粉的砂浆试验初期就会发生体积的膨胀，随着龄期的增加，变形量变化不大，在掺量为3%时变形量最小，较基准变形量减少了10%。

表3 铁粉细度与掺量对试样相对变形量的影响 mm

同时，将变形量的结果与强度结果对比可以发现，变形量较小的试样其强度也相对较大，分析原因为，变形量少的试样说明铁粉在砂浆内部的反应产物进入到了孔隙之中，结构变得更加密实，使得其强度也较高。

2.3 XRD分析

图5为3 d时，基准与掺3%铁粉试样的XRD图谱。一般情况下，水泥水化后生成的产物主要为Aft/Afm和Ca(OH)2，而由于Aft形成较少，在图谱中只可以明显的看到Ca(OH)2峰(a)和C-S-H的弥散峰(b)；在掺入铁粉后，促进了C-S-H晶体的形成，发现了C-S-H的晶体峰(c)；还有类似片沸石结构的物质生成 (d和e)；同时砂浆内部还有铁粉反应后的生成物Fe2O3(e)以及未反应的单价铁(f)的存在，100目铁粉的平均粒径最大，峰值也就越高。

图5 3 d龄期不同试样的XRD图谱

分析图6可知，28 d时空白试样的C-S-H的峰高要比3 d时低得多，而掺入铁粉后C-S-H的弥散峰(b)就要高于空白试样的峰高，说明铁粉的掺入对水化硅酸钙的进一步反应有所影响，且随着产量的增加，C-S-H晶体的峰(c)也就越高；同时，掺入1%和3%铁粉的试样几乎没有了单价铁的存在，说明反应比较完全，而掺量为23%的试样还有较多的单价铁剩余(f)。

综合分析图7可知，龄期28 d时，掺入300目铁粉的试样对C-S-H晶体形成的促进作用最大；同时生成的类似片沸石结构所对应的峰值也较高。综合图6～图8可知，掺入100目和200目铁粉的试样，各个掺量都有铁粉的剩余，而掺入300目的铁粉试样只有在掺量为23%时有较多的铁粉剩余。

图6 28 d龄期100目铁粉不同掺量试样的XRD图谱

图7 28 d龄期300目铁粉不同掺量试样的XRD图谱

图8 28 d龄期200目铁粉不同掺量试样的XRD图谱

2.4 SEM分析

根据强度的测试结果，对龄期为3 d、掺量均为3%的部分试样进行了SEM测试，如图9所示。

对比以上四种试样的表面微观形貌图可知，3 d时，各试样都具有不同程度的孔隙或坑槽，结构并不密实；相对来说，掺入3%的200目铁粉试样的表面孔隙最少，且表面有絮状的物质，结合XRD的测试结果分析可能是铁粉反应生成的氧化物；掺入100目铁粉和300目铁粉的表面相对来说较为疏松，且有部分孔隙；而没有掺加铁粉的试样表面十分疏松，有较多明显的孔隙，同时还产生了裂缝。因此对于早龄期水泥砂浆试样，掺入3%的200目铁粉，能够部分填充水泥砂浆的内部孔隙，使其结构更加密实，增强其早龄期的强度。

由图10可以看出，在水泥砂浆试样中掺入100目铁粉的试样其表面最密实，只有少量的坑槽；掺入200目铁粉的表面比较疏松，坑槽相对来说较大，数量也较多；而掺入300目铁粉的试样表面有较大的孔隙同时存在着相对明显的裂缝。