淺析活性粉末材料對混凝土性能的影響

東莞市全鑫混凝土攪拌有限公司 廣東省東莞市 523270

摘要：隨著近年來對材料特性認(rèn)識的不斷深入和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，活性粉末混凝土配合比設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)制度以及力學(xué)性能等相關(guān)研究已經(jīng)相對完善，耐久性研究工作正在開展。與其他材料相同，混凝土材料也具有由其組成及結(jié)構(gòu)決定的某種特性?；钚苑勰┗炷潦怯啥喾N不同的原材料經(jīng)過配合比設(shè)計(jì)、成型、養(yǎng)護(hù)等工序配制而成的，它的各項(xiàng)宏觀性能與材料的微觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)成等特性也是緊密相關(guān)的。因此，研究和掌握活性粉末混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)展變化的規(guī)律，對活性粉末混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行機(jī)理分析，能夠?yàn)榛钚苑勰┗炷恋墓こ虘?yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：活性粉末；混凝土；研究方向

前言

混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)主要指骨料相、水泥石的微結(jié)構(gòu)以及混凝土內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，而由于骨料在混凝土內(nèi)基本無變化，因此，對混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)的研究主要集中在水泥石的微結(jié)構(gòu)以及混凝土內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，對水泥石微結(jié)構(gòu)的研究可分為微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)、物相組成等方面。目前，國內(nèi)外學(xué)者對普通混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較深入的研究。

1.活性粉末混凝土微觀研究主要方法

材料的宏觀特性是由其微觀性質(zhì)決定的，混凝土材料的微觀研究為其宏觀性能的機(jī)理分析提供了理論依據(jù)。目前活性粉末混凝土的微觀研究方法主要有：（1）采用壓汞法（MIP）、氣體吸附法（BET）以及核磁共振法（NMR）測定孔結(jié)構(gòu)；（2）利用掃描電子顯微鏡（SEM）、環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察其微觀形貌；（3）使用X射線能譜儀（EDS）、X射線衍射（XRD）、熱重分（TGA）等測試手段對活性粉末混凝土進(jìn)行成分分析。

2.活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)分析

混凝土的孔結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響著混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能以及抗凍性、抗?jié)B性等耐久性能萬。現(xiàn)有研究認(rèn)為：混凝土中的孔隙可分為對耐久性有利孔和不利孔，其中對耐久性最有利的孔隙是半徑為0.1nm

表1 不同水泥用量的大摻量礦物活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)

水泥用量/（kg/m3）200300400

平均孔徑/nm9.311.613.3

孔隙率/%5.234.985.11

Marcel Cheyrezy等研究了養(yǎng)護(hù)條件對活性粉末混凝土孔徑在3.75～100nm之間累計(jì)隙率的影響，其中累計(jì)孔隙率以試件體積的百分比形式表示。結(jié)果表明，活性粉末混凝土的累計(jì)孔隙率低于9%，而熱養(yǎng)護(hù)顯著地降低了活性粉末混凝土的孔隙率。熱壓養(yǎng)護(hù)溫度在150～200℃時(shí)活性粉末混凝土的孔隙度最小。

Nguyen Van Tuan等研究了摻量為20%的谷殼灰（RHA）或硅粉（SF）活性粉末混凝土1d、7d、28d以及91d齡期的孔徑分布和孔隙率，并以不摻兩種活性物質(zhì)的活性粉末混凝土作為對照組（REF）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種活性摻合料都能顯著地改善活性粉末混凝土的孔結(jié)構(gòu)，只是SF對孔徑分布和孔隙率的改善作用更強(qiáng)一些。這主要是因?yàn)椋海?）兩種化學(xué)組成相似的極細(xì)顆粒所產(chǎn)生的填充效應(yīng)以及火山灰效應(yīng)使得這兩種活性粉末混凝土具有比REF組更小的孔徑以及更低的孔隙率；（2）由于平均粒徑為0.1～0.15μm的SF比平均粒徑為5.6μm的RHA小得多，因而SF的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)比RHA要好。氣體吸附法在活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用較少，國內(nèi)幾乎沒有利用此法研究活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)。也有少量學(xué)者運(yùn)用核磁共振法研究活性粉末混凝土的孔結(jié)構(gòu)?；钚苑勰┗炷恋亩嗫仔灾饕怯梢欢ㄩ撝狄詢?nèi)的孔組成的。

上述研究均表明活性粉末混凝土的孔隙率極低，這主要是因?yàn)榛钚苑勰┗炷林袚饺肓舜罅康幕钚該胶狭?，而高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)則能促進(jìn)活性摻合料的火山灰反應(yīng)，進(jìn)一步改善活性粉末混凝土的孔結(jié)構(gòu)。另一方面，活性粉末混凝土材料比普通混凝土材料更加致密，而現(xiàn)有活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)的測試方法都具有一定的局限性。為此，有關(guān)活性粉末混凝土孔結(jié)構(gòu)的測試方法還有待進(jìn)一步研究。

3.活性粉末混凝土的微觀形貌分析

研究活性粉末混凝土微觀結(jié)構(gòu)變化最直觀的方法就是觀察其微觀形貌。觀察活性粉末混凝土微觀形貌最常用的測試手段是SEM和ESEM。SEM是直接利用樣品表面材料的性能進(jìn)行微觀成像，其放大倍數(shù)可達(dá)20萬倍，測試時(shí)需要對樣品進(jìn)行干燥、導(dǎo)電等一系列處理并在真空下進(jìn)行觀察；使用ESEM進(jìn)行微觀形貌觀察時(shí)，樣品無需特別制備，在低真空狀態(tài)下就可以對樣品進(jìn)行觀察。利用SEM對摻入鋼纖維、PP（聚丙烯）纖維的活性粉末混凝土在經(jīng)歷不同高溫后的力學(xué)特性進(jìn)行了初步分析（圖1）。結(jié)果表明：（1）當(dāng)溫度低于200℃時(shí)，基體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，當(dāng)溫度在200～800℃之間時(shí)，基體密實(shí)度隨著溫度的升高而降低；（2）鋼纖維與基體的粘結(jié)處裂紋隨溫度的升高而逐漸增大；（3）溫度低于165℃時(shí)，PP纖維在基體內(nèi)呈亂向分布狀態(tài)，并與基體粘結(jié)緊密，界面區(qū)完整密實(shí)；當(dāng)溫度達(dá)到165℃以上時(shí) PP纖維熔化使基體內(nèi)形成大量孔道。

鞠楊等在“單根纖維效應(yīng)”的理論基礎(chǔ)上研究了活性粉末混凝土的纖維粘結(jié)破壞機(jī)理，采用8字型的200MPa級活性粉末混凝土試件，并利用SEM觀察了不同鋼纖維摻量下8字型試件中單根鋼纖維被拔出時(shí)的細(xì)觀表面形貌。分析結(jié)果表明，鋼纖維從活性粉末混凝土基體中拔出時(shí)表面粘結(jié)的碎屑數(shù)量和分布隨活性粉末混凝土基體中鋼纖維摻量的變化情況與宏觀試驗(yàn)結(jié)果十分吻合。

通過對短切碳纖維活性粉末混凝土的受壓力學(xué)性能研究，并利用ESEM觀察活性粉末混凝土破壞時(shí)碳纖維的3種破壞形態(tài)（剪斷、拔出、拔斷）。其中拔出和拔斷都發(fā)揮了碳纖維的高抗拉強(qiáng)度，證明了碳纖維的摻入對活性粉末混凝土能夠起到增強(qiáng)作用。對不同養(yǎng)護(hù)制度下（表2）的活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行分析，并分別利用SEM，ESEM觀察不同養(yǎng)護(hù)制度下活性粉末混凝土的微觀形貌。結(jié)果表明：（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度最低，28d齡期時(shí)微觀圖中仍然可以觀察到硅灰顆粒的存在；（2）熱水養(yǎng)護(hù)方式對活性粉末混凝土的早期強(qiáng)度影響較大，對28d強(qiáng)度幾乎無影響，且微觀圖像中觀察到的C-S-H凝膠呈彼此獨(dú)立的紡錘狀；（3）高溫養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)對活性粉末混凝土任何齡期強(qiáng)度發(fā)展的促進(jìn)作用均要優(yōu)于熱水養(yǎng)護(hù)，但高溫養(yǎng)護(hù)的后期強(qiáng)度下降明顯，而蒸汽養(yǎng)護(hù)則呈緩慢增長態(tài)勢，從微觀圖像中可以觀察到這兩種養(yǎng)護(hù)方式下的C-S-H凝膠分別為相互交錯(cuò)的網(wǎng)狀和片狀。

表2 試件的養(yǎng)護(hù)制度和強(qiáng)度

名稱養(yǎng)護(hù)制度

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)——

熱水養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 48h+90℃熱水養(yǎng)護(hù)96h+標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 72h+90℃熱水養(yǎng)護(hù)72h+標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 96h+90℃熱水養(yǎng)護(hù)48h+標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

90℃熱水養(yǎng)護(hù)48h+標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

高溫養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 96h+90℃熱水養(yǎng)護(hù)48h+200℃干熱養(yǎng)護(hù)12h

蒸汽養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 96h+200℃蒸汽養(yǎng)護(hù)16h+常溫養(yǎng)護(hù)

4.目前研究存在的問題及進(jìn)一步的研究方向