高强页岩陶粒与水泥石界面作用机理研究

高强页岩陶粒与水泥石界面作用机理研究

轻集料混凝土具有轻量、保温、隔热、灭火、耐寒等优点。这是一种才华横溢的新型建筑材料。随着现代施工对混凝土性能要求的提高,高强、高性能已成为轻集料混凝土的主要发展方向。高强与高性能轻集料混凝土的制备一般要求采用低吸水率、高强的轻集料,该类轻集料表面往往有一层结构较致密光滑的外壳,它的存在对水泥石与集料之间界面的粘结性能有负面影响,但此前对此缺乏深入研究。文献对轻集料的自养护作用进行了研究,但没有对轻集料与水泥石之间的相互作用机理进行深入讨论。采用背散射电子成像技术(BEI)和X射线能谱(EDXA)方法对轻集料与水泥石之间界面过渡区的元素分布特征进行研究,测算出界面区宽度,探讨了轻集料与水泥石两相之间的作用机理,并利用压汞测孔和显微硬度法分析了粉煤灰、矿渣的掺入对界面结构与性能的影响规律。1实验1.1级粉煤灰的生产采用湖北华新水泥公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥、武汉冶金矿渣公司生产的比表面积580m2/kg的磨细矿渣、汉川电厂生产的比表面积380m2/kg的Ⅱ级粉煤灰。轻集料是湖北宜昌宝珠陶粒公司生产的800级圆球形高强页岩陶粒,其筒压强度为6.8MPa,吸水率4.1%。1.2模具的养护和养护将经过预湿处理的5～10mm圆球形页岩陶粒与不同组成的水泥净浆拌合(配比见表1),然后将试样装入《30mm×100mm的圆柱体模具中成型。1d后脱模,将试样放入标准养护箱中,养护至90d龄期。为消除离析对试验结果的影响,先切掉试件上下两端各20mm左右,然后从中间部位切取《30mm×15mm的薄片2～3个,薄片两端抛光后分别用于EDXA、BEI和显微硬度测试。取其中一薄片破开后选择轻集料与水泥石连在一起的试块,仔细剥掉轻集料后采用压汞法(MIP)测试距离轻集料表面3～5mm范围内水泥石的孔结构特征。2结果与讨论2.1试样jm2元素含量分布轻集料与水泥石中的元素面分布如图1所示,由图1可见,轻集料与水泥石主要含有Ca、Si、Al、Na、K、S等元素。轻集料中Si、Al、Fe等元素含量较高,水泥石中Ca、Si等元素较多。轻集料是富Si相,水泥石是富Ca相。图1可清楚观察到高强页岩陶粒外壳要比内部致密得多。采用EDXA测试Ca、Si、Al、Na、K、S等各种元素在界面区的含量变化,图2是试样JM2在扫描方向上Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Fe等元素的分布情况。由图2可见,沿着扫描方向,Na、Al、Si、K、Fe的含量由高至低,而S、Ca的含量由低变高,至水泥石基体各元素含量逐渐趋于稳定,这表明界面区的Ca含量低于水泥石基体。进一步研究发现(图3),轻集料内部孔中含有大量Ca元素。笔者认为,轻集料孔中的Ca是界面区水泥石中Ca2+向轻集料迁移的结果。经过预湿处理的轻集料内部含有自由水,轻集料内部孔溶液中Ca2+等离子浓度较低,而水泥石一侧随着水泥水化,溶液中Ca2+等离子浓度较高,在两相之间孔溶液离子浓度差的驱动下,水泥石孔溶液中离子半径较小的离子如Na+、K+、Ca2+等向具有多孔结构的轻集料一侧迁移,而轻集料中的水向水泥石方向扩散。随着轻集料中水的逐渐消耗殆尽和水泥石结构日趋密实,离子迁移和水分扩散变得困难,两相的孔溶液离子浓度达到平衡。轻集料内水分扩散至界面区对水泥石起到养护作用,而界面区Ca2+向轻集料方向迁移使界面区Ca的含量小于水泥石基体。2.2轻集料表面化学组成分析由于界面区Ca2+发生迁移,因此提出以在由轻集料至水泥石方向上Si元素含量的突然变化作为判断两相界面的判据,分析Si元素沿轻集料向水泥石方向由高变低直至稳定所经历的区间长度,进而测试各试样水泥石与轻集料之间的界面宽度。将放大倍数调整至10000倍,选择5μm或10μm作为扫描步长,从轻集料表面开始,向水泥石基体方向进行线扫描,分析每1μm2区域的化学组成,结果见表2。由表2可知,在距离轻集料表面20～30μm的区间内,Ca、Si、Fe、Al等元素的含量变化明显。在20～30μm处CaO、SiO2的含量基本稳定,由此可知轻集料与水泥石之间的界面宽度约为20～30μm。根据表2的数据计算出各试样在界面区的硅钙比(S/C),由图4可知各试样界面区的S/C高于基体,这是由于界面区中Ca2+离子向多孔结构的轻集料方向迁移较易,而基体中的Ca2+向界面区迁移受基体相对致密的水泥石结构抑制,离子迁移速度比较缓慢造成的。2.3充填材料对土壤有机溶剂的孔结构和显微硬度的影响由图4可见,在距离集料表面5～30μm的界面区内,未掺加粉煤灰和矿渣的JM2的S/C最低,说明各试样中JM2的界面区Ca、CH含量最高。在掺加粉煤灰和矿渣的试样中,吸附在轻集料表面及在界面区的粉煤灰与矿渣颗粒随着Ca2+由界面区向集料方向迁移,将在界面区与CH作用发生化学反应,从而消耗掉部分CH,因此,随着粉煤灰、矿渣的掺入,JM3、JM4、JM5界面区S/C增加。矿物外加剂与水泥水化产物CH发生在界面区的化学反应以及轻集料内水分的养护作用将使包裹在轻集料周围的水泥石结构变得非常致密,从距离轻集料表面5mm以内的部位取水泥石样进行孔结构分析可以证实。由表3可见,4个试样中,JM2水泥石的平均孔径最大,在掺入粉煤灰和矿渣后,各试样中100nm以上的孔所占比例减少,而10nm以内的孔所占比例显著增加,如复合掺加粉煤灰和磨细矿渣的JM5试样100nm以上孔所占比例仅为6.08%,而10nm以下孔所占比例达到了33.45%。通过矿物外加剂的火山灰作用和轻集料的内养护作用,使得反应所生成的产物填充在水泥石中的毛细孔中,使水泥石中大孔所占比例降低、小孔数量增多、平均孔径和孔隙率降低。矿物外加剂的掺入使界面区水泥石的结构变得致密,其显微硬度也随着矿物外加剂的掺入而有所提高。由图5可知,各试样界面区的显微硬度均高于水泥石基体。掺加粉煤灰、矿渣之后,界面区和基体水泥石的显微硬度有较大的增加,说明在轻集料内养护作用和矿物外加剂的协同作用下,轻集料与水泥石之间的界面得到增强。3水泥水体界面区的形态特征a.轻集料是富硅相,水泥石是富钙相,沿着集料向水泥石方向,Na、Al、Si、K、Fe的含量由高至低,而S、Ca的含量由低变高,至水泥石基体各元素含量逐渐趋于稳定。界面区S/C大于水泥石基体,轻集料与水泥石之间界面区的宽度约为20～30μm。b.在水泥水化硬化阶段,轻集料与水泥石之间的孔溶液存在离子浓度差