蒸压混凝土水泥石界面研究

李昊洋，柯昌君，江盼，王淑英

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

水泥石界面的理论研究工作始于20世纪50年代。法国的J.Farran首先从岩相学、矿物学以及晶体学等多方面调研后发现，在浆体与集料之间的区域，水化产物的组成及形貌与基体部分不同，结构相对疏松，强度较低，并首先提出在集料颗粒外存在Transition Ring(过渡环)的概念。随后Barnes等人提出界面模型，第七届水泥化学会议上Grandet和Olliver报告了用X射线衍射法测定混合料试件断裂面的Ca(OH)2晶体取向性。我国也早在1982年由解松善[1]提出了界面区的微观模型和“效应圈”的观点。胡明德[2]利用XRD(X射线衍射)法和SEM(扫描电镜)研究了集料与硅酸盐水泥石界面的组成，对水泥石界面的微观组成进行了详细的研究，并对掺不同外加剂情况下的界面粘结强度进行了分析。在普通的混凝土中，界面过渡区并非是一个易于分辨的结构均匀区域，而是在各骨料粒子之间以及同一粒子的不同部分其结构都在发生变化。对于混凝土界面过渡区形成原因的研究，有2种较有代表性的观点，一种是以组成材料变形性能的不一致性为基础，即在20世纪60年代流行的“水泥浆体收缩”假说，另一种观点是以在新拌混凝土中各种颗粒沉降的不均匀性为基础的“界面过渡层”假说[3～11]。实际上，这2种机理往往是同时共存并相互影响的。

目前,对于蒸压混凝土水泥石界面的研究很少。蒸压过程中混凝土由于粗骨料的不同，其水化产物的形貌和种类也有差异，从而界面相互间也具有明显区别。为了更好改善蒸压混凝土水泥石界面的疏松、强度低等问题，笔者利用3组试验，分别对石灰石蒸压混凝土、卵石蒸压混凝土和花岗岩蒸压混凝土进行了水泥石界面的各种性质以及水化产物的研究。通过控制蒸压恒温时间为0.5、1、2、6h，对不同蒸压时间下的蒸压混凝土水泥石界面通过X射线衍射、扫描电镜和能谱实验，对其晶体物相、界面微观表象和碱度进行分析。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

1)细骨料。黄砂，主要成分为石英。

2)粗骨料。石灰石(主要成分为碳酸钙)、破碎卵石(主要成分为二氧化硅)、花岗岩(主要矿物组成为石英、长石和云母)。粒径均为5～20mm。

3)水泥。P．I 52.5，主要矿物组成为C3S、C2S、C3A、C4AF、石膏。水泥净浆3d抗压强度为33.3MPa，28d抗压强度为63.4MPa。

4)砂粉。黄砂磨细。

5)外加剂。聚羧酸盐高效减水剂。

1.2 试验仪器

采用荷兰PANalytical 公司X’Pert PRO X射线衍射仪分析晶体的物相，工作电流为40mA，工作电压为40kV。采用KYKY-3800B型扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察水化产物形貌并进行能谱分析。测定条件如下：表面镀金处理，加速电压为20kV。

1.3 样品养护

将成型好的试块自然养护72h后拆模，放入蒸压釜进行蒸压处理。蒸压模式为升温-恒温-降温(1h-x-1h)，其中x分别为0.5、1、2、6h。恒温温度为190℃，饱和蒸汽压力为1.2MPa。降温结束后测其强度，取样方式为靠近中心取样，将取出的试样放在酒精中置换3次终止水化，再放入真空干燥机内进行干燥。将烘干好的试块依次进行XRD(X射线衍射)、SEM(扫描电镜)和EDS(能谱)测试。

2 试验结果与分析

2.1 石灰石蒸压混凝土界面分析

图1 蒸压石灰石混凝土XRD图

将自然养护3d的混凝土放置在1.2MPa饱和蒸汽压下恒温蒸压处理6h，再进行XRD分析。其XRD如图1所示。由图1可知，蒸压条件下水泥水化的产物发生了很大变化，常温下水化出现的低硫型硫铝酸钙衍射峰消失，α-C2SH出现，在自然养护过程必然出现的氢氧化钙衍射峰消失。其原因在于在水热条件下，低硫型硫铝酸钙不再稳定，转化为水石榴石和硬石膏。而蒸压混凝土的XRD图有低硫型硫铝酸钙衍射峰消失，水石榴石衍射峰出现的现象。可见，蒸压条件下水泥的水化产物与常温下存在明显的差异。

不同蒸压时间下的石灰石混凝土的碱度如表1所示，其SEM照片如图2所示，由表1和图2可知，c、d、e、f点均在水泥石中，相邻两点距离大约15μm，顺序远离界面。通过1h和2h蒸压处理后，界面处的C/(S+A)比值明显低于蒸压处理0.5h的试样。

表1 蒸压石灰石混凝土的碱度

石灰石蒸压混凝土在蒸压前形成富钙界面后，经过蒸压处理，石灰石骨料并未参与水化反应。由于混凝土中砂粉在蒸压条件下参与反应，使得水化产物碱度下降。随着蒸压时间的延长，砂粉溶出的硅进一步参与反应，界面水化产物的碱度进一步下降，但水化产物仍然是高碱度水化产物。

2.2 卵石蒸压混凝土界面分析

图2 不同蒸压时间石灰石蒸压混凝土SEM图

图3 不同蒸压时间卵石蒸压混凝土SEM图蒸压石灰石混凝土SEM图

在1.2MPa饱和蒸汽压下恒温蒸压处理0.5、1.0、2.0、6h的蒸压试样SEM照片如图3所示，由图3可知，整个界面无明显缝隙，骨料的表面有水化产物的覆盖，水化产物与骨料已连成了一个整体，无疏松，孔径大等优点，无明显的薄弱环节。

基于能谱分析计算的碱度如表2所示，其a、b、c、d、e和f两相邻点的距离大约5μm，不同蒸压时间的试样选择的均为硅质材料与水泥石界面。由表2可知，b、c、d、e点处的C/(S+A)比值呈逐渐增大的趋势，表明在远离参与水化反应的硅质材料，通过1、2、6h蒸压处理后界面处水化产物的碱度表现出来的规律与蒸压处理0.5h的基本相同，但界面处的C/(S+A)比值明显低于蒸压处理0.5h的试样。

在破碎卵石蒸压混凝土系统中，卵石和砂粉均溶出硅，并参与反应，使得界面处各点的碱度较表1明显下降。

2.3 花岗岩蒸压混凝土界面分析

在1.2MPa饱和蒸汽压下恒温蒸压处理0.5、1、2、6h，蒸压试样SEM照片如图4所示，基于能谱分析计算的碱度如表3所示。

表2 破碎卵石混凝土的碱度

图4 不同蒸压时间花岗蒸压混凝土SEM图

由图4 和表3可知，蒸压0.5h花岗岩混凝土所选择界面为CH晶体与水泥石的界面，b、c、d、e逐渐远离CH晶体，其碱度逐渐下降，表明水泥石与系统中溶出的硅参与了反应。与表1中c点进行比较，各点的碱度远低于表1，可见在花岗岩蒸压混凝土系统中，有更多的硅参与反应，而这与花岗岩溶出的硅有关。

蒸压2h和6h的蒸压花岗岩混凝土所选择的界面为硅质材料与水泥石的界面，相比表2中各点的碱度变化，两者具有相同的规律，即随着蒸压时间的延长，碱度下降；随着远离界面，碱度增加，这与系统中硅的大量溶出和花岗岩中K+、Na+的溶出有关。花岗岩蒸压混凝土中的长石中碱金属离子的缓慢溶出方式有利于低碱水化产物的形成，形成大量高度无序的水化硅酸钙，不利于C-S-H凝胶向托勃莫来石的转化。

表3 蒸压花岗岩混凝土的碱度

3 结论

1)经过蒸压后的混凝土界面微观表象明显改善，且蒸压后混凝土过渡层中的Ca(OH)2消失。

2)3种不同混凝土蒸压后的碱度由小到大排序为花岗岩蒸压混凝土、破碎卵石蒸压混凝土、石灰石蒸压混凝土。形成碱度不同的主要原因是由于破碎卵石和花岗岩混凝土在蒸压过程中骨料参与了水化反应。

3)通过SEM、XRD和EDS分析，对蒸压混凝土水泥石界面的微观表象有了更直观的了解。通过能谱分析法得到了不同蒸压混凝土界面的碱度以及水化产物，为今后改善蒸压混凝土界面性质以及更深一步的研究奠定了基础。