永圣渡槽混凝土水化硬化與微觀結構分析

高 杰，周鐵軍，陳崇德

（1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門448156；2.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設與管理局，武漢430071）

1 工程概述

永圣渡槽位于湖北省漳河灌區(qū)四干渠北干23+000～23+600處，跨越永圣河，灌溉面積1.13萬hm2，設計流量11.24m3/s，渡槽全長555m，縱坡0.0012，采用15m跨排架支撐簡支梁結構，槽身橫斷面為矩型結構。主要建筑物級別為4級，次要建筑物和臨時建筑物級別為5級。

2 C30槽身混凝土原材料與配合比試驗

2.1 原材料

本工程原材料選用三峽牌P.O 42.5水泥，其基本物理性能與化學成分滿足GB 175—2007 《通用硅酸鹽水泥》、SL 677—2014 《水工混凝土施工規(guī)范》要求；所用Ⅱ級粉煤灰滿足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對Ⅱ級粉煤灰的相關要求；砂石骨料性能滿足SL 677—2014 《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。而且原材料的基本性能也滿足永圣渡槽重建工程對原材料的技術要求［1］。

2.2 配合比試驗

配合比如表1。其拌合物的初始坍落度100～130mm，硬化混凝土干縮變形性能較?。?8d干縮率3.1×10-4），且抗?jié)B等級W8、抗凍等級F50以上、抗硫酸鹽侵蝕等級FS90以上。各項性能均滿足永圣渡槽重建工程對槽身混凝土性能的設計要求［2］。

表1 永圣渡槽槽身混凝土配合比

3 C30槽身混凝土水化硬化與微觀結構試驗

3.1 試驗方法

按表1制備C30混凝土試件，標準養(yǎng)護至7，28d，破型后取部分碎塊，剔除其中的粗骨料，選取砂漿顆粒，并用斧頭等銳器破碎至10mm以下，在無水酒精中浸泡至少48h，以中止水泥的水化。此后，將各水化樣在60 ℃溫度下烘至恒重，并挑選大小約5～8mm的顆粒用作SEM測試試樣，用DF-4型電磁制樣粉碎機將其他顆粒磨至全部細粉通過0.080mm的方孔篩，并保存在干燥器中以防止細粉碳化，細粉試樣供XRD、TG-DTG、IR等微觀驗試分析使用。

3.2 XRD圖譜

混凝土在不同水化各齡期試樣（7，28d）的XRD圖譜結果如圖1。

圖1 水化齡期試樣的XRD圖譜

3.3 TG-DTG測試

C30混凝土各齡期（7，28d）試樣的測試結果如圖2。

圖2 不同齡期水化樣TG-DTG-DSC曲線

3.4 IR測試

C30混凝土各齡期（7，28d）水化樣的紅外光譜分析（IR）測試結果如圖3。

圖3 在不同齡期水化樣IR圖譜

3.5 SEM測試

C30槽身混凝土在不同齡期（7，28d）試樣的水化產(chǎn)物形貌及微觀結構，測試結果如圖4。

圖4 不同齡期水化試樣SEM圖

4 C30混凝土水化硬化與微觀結構試驗結果

從圖1可看出，混凝土中水化產(chǎn)物主要為Ca（OH）2，AFt等，而CaCO3，CaMg（CO3）2及SiO2是骨料中原有成分，由骨料帶入。水化樣中還檢測到一定C3S等水泥熟料礦物。隨著水化齡期的延長，試樣中水化產(chǎn)物AFt的衍射峰強度增加、而Ca（OH）2，C3S的衍射峰強度逐漸減少，表明水泥中C3S等熟料礦物的水化繼續(xù)進行，生成了更多的水化產(chǎn)物，其體系強度和耐久性持續(xù)增長［3］。

從圖2可看出，在C30渡槽槽身混凝土不同齡期的各水化樣（7，28d）的DTG曲線上，存在兩個質(zhì)量變化較為明顯的峰，分別位于430 ℃與795 ℃，這些峰在DSC曲線上均對應為吸熱峰。結合原料的化學成分及水化硬化研究結果（XRD、IR及SEM），認為：①430℃伴有明顯質(zhì)量損失的吸熱峰對應體系中Ca（OH）2脫去結構水。②795 ℃溫度范圍內(nèi)的吸熱質(zhì)量損失峰為CaCO3的吸熱分解峰，而CaCO3有兩個來源：其一由水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2碳化而形成的；其二來自于混凝土的骨料（石灰?guī)r碎石）。③熱重曲線表明試樣質(zhì)量在整個試驗過程中（溫度從室溫至1000 ℃）持續(xù)減少，這是由于整個試驗過程中水化樣不斷失去水分而引起 （自由水和結構水）［4］。④在DTG曲線上，430 ℃的峰對應Ca（OH）2的分解（Ca（OH）2的質(zhì)量為PCH），795 ℃之間的峰對應CaCO3由Ca （OH）2碳化形成，發(fā)生碳化的Ca（OH）2量為PCalcite，則各水化試樣中Ca（OH）2的總量PT如式（1）：

式中 PCH=LCH×74/18；PCalcite=LCalcite×74/44。

根據(jù)圖2的TG-DTG-DSC測試結果，按式（1）可得到各水化樣中Ca （OH）2分解產(chǎn)生的質(zhì)量損失量LCH，CaCO3分解產(chǎn)生的質(zhì)量損失量LCalcite，如表2。

表2 混凝土在各齡期水化樣結果

從表2看出，混凝土中Ca（OH）2的含量較低，這是由于試驗研究所取試樣中含有相當數(shù)量的骨料 （混凝土中帶入），對水泥石中的Ca（OH）2有稀釋作用，從而使其含量下降；另一方面由于試樣在制備過程中發(fā)生了碳化，Ca（OH）2轉(zhuǎn)變成CaCO3所致；再者由于粉煤灰的二次水化反應能消耗部分Ca（OH）2等（盡管在28d齡期時，二次水化反應程度可能較低）。另外，水化樣中Ca（OH）2的含量隨著齡期的延長而減小，7d齡期時，水化樣中Ca（OH）2的含量為3.9%，而28齡期的水化樣中Ca（OH）2的含量為1.9%。這是因為隨著水化齡期的延長，混凝土中粉煤灰也在一定程度上發(fā)生二次水化反應，消耗部分Ca（OH）2，同時生成一定的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，從而促進了混凝土力學性能的增長［5］。

需要指出的是，由于所測的水化試樣均取自于混凝土，因而不可避免地含有一定量的集料，因此，表2中CaCO3含量的變化很可能是由于所取水化試樣中石灰石含量不同引起的［6］。

從圖3看出，混凝土水化產(chǎn)物有水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠、鈣礬石（AFt）、水化鋁酸鈣（CAH）等物質(zhì)，而且，隨著水化齡期的增長，C-S-H，Aft，CAH等水化物對應的IR特征峰逐漸增強，表明體系中水化產(chǎn)物數(shù)量增多，這是由于水泥的水化程度逐漸增大，生成了更多的水化產(chǎn)物，從而混凝土內(nèi)部結構致密程度逐漸增大，這必將改善其硬化體宏觀性能［7］。

從圖4 SEM測試結果看出，混凝土的水化產(chǎn)物除含有氫氧化鈣、鈣礬石等晶體物質(zhì)外 （XRD、TGDTG-DSC），還含有較多數(shù)量的凝膠類產(chǎn)物（水化硅酸鈣等）。且隨著齡期從7d增長到28d，混凝土的內(nèi)部致密程度有所提升，表明隨著齡期的延長，混凝土體系的水化持續(xù)進行，不僅水泥繼續(xù)水化，而且粉煤灰在28d左右也逐漸參與二次水化反應，生成了更多的水化產(chǎn)物（圖4（c）和（d）中，粉煤灰顆粒表面有少量的水化物），使混凝土結構密實度增加、孔隙率減小，因而，其力學性能和耐久性均得到提高［8］。

5 結語

（1）槽身混凝土的水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣、鈣礬石等，此外，粉煤灰也能發(fā)生二次水化反應（28d齡期時，反應程度不高），消耗了一定量的氫氧化鈣，同時生成了更多的水化產(chǎn)物。

（2）隨著齡期的延長，混凝土體系的水化持續(xù)進行，不僅水泥繼續(xù)水化，而且粉煤灰也逐漸參與二次水化反應，生成了更多的水化產(chǎn)物，使混凝土結構密實度增加、孔隙率減小，因而，其力學性能和耐久性均得到提高。

（3）現(xiàn)場試驗所用的原材料及推薦的永圣渡槽槽身混凝土配合比可用于工程施工中。