人工砂混凝土微观结构的试验研究

郭 煜，魏 亮，王宇鹏，刘 坤

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

1 工程概况

出于对自然资源的保护，人工砂替代天然砂充当细骨料在建筑工程中已成趋势。人工砂中石粉构成了人工砂的微细级配，是其重要的组成部分，人工砂中适量的石粉可改善细集料级配，并能起到润滑、填充细集料空隙等作用，从而能改善混凝土性能[1]。同时石粉含量影响混凝土的水化产物、微观形貌特征及孔结构特性。本文开展了不同石粉含量混凝土微观结构的研究，以期确定石粉含量对混凝土水化产物、微观形貌特征及孔结构特性的影响。

2 试验研究

为保证试验结果的可比性，试验中各试样水胶比均为0.37。按表1所列配合比制备S6、S15、S18、S30四种配比的混凝土试件，尺寸为150mm的立方体。养护至28d龄期时，用利器将试件劈开，在其中心部位取粒径10mm以下的颗粒若干，仔细地剔除含有较多集料的颗粒，用无水酒精浸泡试样2d，以防止试样继续水化。此后，将各水化样在60℃温度下烘至恒重，并挑选约3~5mm的颗粒用作SEM（扫描电镜）及压汞测试试样，用电磁制样粉碎机将其他较小颗粒磨粉至全部样品通过0.08mm筛。为防止该粉体待测样吸湿和碳化，待测样制备好后应立即放入密封容器中保存，供XRD、综合热分析、IR测试分析用。

表1 微观测试混凝土配合比

3 结果及分析

3.1 X射线衍射试验结果及分析

不同的晶体物质的晶体结构参数各异，其X射线衍射峰对应的角度不同[2]，因此可以通过X射线衍射峰的位置区分不同的晶体物质，X射线衍射峰的强度与物相的相对含量之间存在正相关关系。X射线衍射检测能够分析混凝土水化产物中的晶体成分及相对含量。图1给出了石粉含量分别为6%、15%、18%、30%的混凝土在龄期为28d的水化样XRD图。从图1中可以看出，由石粉含量为6%增大到30%时，混凝土水化样的C3S特征衍射峰强度逐渐降低，而钙矾石（AFt）和Ca（OH）2特征峰的强度逐渐增大，这是因为石粉微粒可以加速水化产物晶体的析出，一定程度上提高了体系的水化反应速率，加速C3S的消耗，使体系中AFt和Ca（OH）2的相对含量增大。

图1 不同石粉含量混凝土X射线衍射图谱

3.2 红外光谱试验结果及分析

不同物质对红外射线的吸收波长不同，红外光谱分析利用了吸收谱带的宽度和峰值处波数来确定混凝土的物相成分以及相对含量。图2给出了石粉含量分别为6%、15%、18%、30%的混凝土在龄期为28d的水化样IR图。图2中能够观测到波数为1433cm-1、2521cm-1、3447cm-1和3643cm-1的吸收带谱[3]，其中波数3447cm-1、3643cm-1对应钙矾石（AFt）、C-S-H等水化产物的吸收谱带，波数1433cm-1对应CaCO3的吸收带谱。当石粉含量从6%增大到30%时，试样的钙矾石（AFt）、C-S-H吸收谱带的透过率增大，与X射线衍射的结论相同，石粉含量增大使体系中的水化产物相对数量增多。

图2 不同石粉含量混凝土红外光谱

3.3 综合热分析试验结果及分析

在混凝土的综合热分析中，利用体系中各种物质分解温度区间的不同分析DSC曲线可以确定混凝土的物相成分[4]，再通过对应温度区间的质量变化曲线（TG曲线）可以得到相应物质的相对含量。图3显示了不同石粉含量混凝土在28d龄期的热分析曲线，其中DSC曲线中450℃左右对应的是水化产物Ca（OH）2脱去结构水的吸热峰；810℃左右伴随明显质量减少的吸热峰是因为CaCO3在800℃的吸热分解。各峰值温度下Ca（OH）2和CaCO3的失重量见表2。由表2的分析结果可知，水化产物Ca（OH）2的失重量总体上随石粉含量的增加而增加，说明石粉含量的增大加速了混凝土体系的水化反应[5]，石粉具有一定的活性，能够促进并参与体系的水化反应，使体系中水化产物数量增多[6]。

图3 不同石粉含量混凝土综合热分析曲线

表2 不同石粉含量混凝土综合热分析结果

3.4 SEM（扫描电镜）试验结果及分析

图4显示了不同石粉含量混凝土在28d龄期的水化样的SEM图，图4中能观察到大量的胶凝类物质，在石粉含量15%，龄期28d的SEM图中，能够观察到针棒状的水化产物钙矾石（AFt）；石粉含量28%，龄期28d的SEM图中，外表光滑的粉煤灰颗粒被水化凝胶产物紧密包裹[7]。可以看出，石粉含量较高时，其内部结构更为致密。这说明了随石粉含量的增多，使得硬化体微观结构的密实程度增加。由于石粉的加入，一方面部分石粉微粒具备活性，可以促进混凝土的水化反应，使得硬化体中的凝胶类产物数量增多；另一方面，石粉颗粒在混凝土中能够发挥微细集料的填充效应，有效的改善混凝土多孔结构[8]，使得整个硬化体的微观机构致密程度增加。

图4 不同石粉含量混凝土水化样的微观形貌

3.5 压汞试验结果及分析

从表3能够观察到，人工砂水工混凝土的孔隙率、平均孔径、总孔面积以及总孔体积因石粉含量的增大，出现减小的规律。石粉含量30%的人工砂混凝土的孔隙率和平均孔径分别为石粉含量6%人工砂混凝土的0.78和0.85倍。人工砂混凝土的总孔体积及总孔面积随石粉的变化趋势与孔隙率和平均孔径随石粉变化趋势类似，石粉含量30%的人工砂混凝土的总孔体积和总孔面积分别为石粉含量6%人工砂混凝土的0.74和0.63倍。由此可知，增大石粉含量能够提高混凝土的密实程度，细化内部孔结构，使得混凝土的孔隙率、平均孔径、总孔面积以及总孔体积均有所减小。

表3 不同石粉含量混凝土孔结构参数

混凝土中的孔按对混凝土性能影响分为四个等级：无害孔（＜20nm）、少害孔（20~100nm）、有害孔（100~200nm）和多害孔（＞200nm）[9]。表4的数据得出以下孔径分布规律：随石粉含量的增大，混凝土内部＜20nm孔的占比有所增加，＞100nm的孔占比逐渐减小。这说明一定量的石粉能够增加混凝土无害孔和少害孔的占比，减小有害孔和多害孔的占比。

表4 不同石粉含量混凝土试样的孔径分布

4 结语

（1）XRD、IR和综合热分析的分析结果：石粉能够参与并促进混凝土的水化反应，诱使C3S等熟料迅速消耗，使体系中钙矾石（AFt）和Ca（OH）2等水化产物的相对含量增多。

（2）SEM的分析结果：石粉微粒可以诱导水化产物在石粉外表析出晶体，使得水化产物的质量分数增大。随石粉含量的增大，未参与水化反应的石粉微粒在混凝土中起微细集料的填充效应，水化样内部结构的致密程度提高。

（3）压汞测试分析结果：混凝土的孔隙率、平均孔径、总孔面积及总孔体积随石粉含量的增大而减小。