黄河砂与沙漠砂胶砂强度及微观机理

赵静, 单龙, 张轩硕, 李宏波,2,3, 朱一丁*

(1.宁夏大学土木与水利工程学院, 银川 750021; 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心, 银川 750021; 3.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心, 银川 750021)

在国家双碳战略背景下,研发节能环保建筑材料用于实际工程中具有重要的碳排放效益。在中国西北地区有丰富的天然砂资源,严重的土地荒漠化形成大量的风积砂以及黄河流域淤积形成的特细砂[1]。利用天然砂配制出满足性能的水泥基材料一方面可以遏制土地荒漠化,减缓黄河上游的黄土高原水土流失,改善黄河下游悬河问题,另一方面减少滥用耕地,改善周边耕地土质,减少生产黏土砖[2]。除此之外,用天然砂代替河砂,缓解河砂资源短缺,减小河砂开采过程中消耗能源,保护生态环境[3]。因此研究天然砂的制备建筑材料,有利于减少土木工程生产碳排放,有利于实现碳达标和碳中和[4]。

河砂资源有限,使得沙漠地区与黄河地区用天然砂代替河砂制作水泥基材料成为必然选择,学者们对掺沙漠砂和黄河砂水泥基材料的工程性质做了大量的研究。董伟等[5]通过用风积砂代替河砂发现沙漠砂可以改善砂浆的颗粒级配,提高砂浆的强度。秦拥军等[6]研究不同掺量沙漠砂对沙漠砂混凝土应力应变的影响,发现其破坏特征与普通混凝土相比有一定的差异性,且取代率为20%时,混凝土轴心抗压强度最高。张朵等[7]用全沙漠砂配置水泥基复合材料,通过沙漠砂、石英砂、河砂3种骨料制备水泥基复合材料对比其宏观力学性能及微观机理发现采用全沙漠砂制备高延性水泥基材料可行,其抗压强度和石英砂抗压强度相差无几。车佳玲等[8]研究了用沙漠砂部分或全部代替河砂制备水泥基复合材料,研究替代率、水胶比等因素对水泥基复合材料力学性能的影响,并通过微观分析揭示基体界面特性,研究表明毛乌素沙漠砂可完全替代水洗河砂制备水泥基复合材料,且单轴拉伸性满足工程应用要求。王雪艳等[9]研究不同掺量沙漠砂对混凝土强度及弹性模量的影响,发现DMC(desert sand + machine sand concrete)抗压强度受沙漠砂替代率影响,并建立了DMC抗压强度预测模型,实现了材料碳排放降低。杨维武等[10]研究高温作用对沙漠砂混凝土的影响,针对粗骨料体积含量及粒径对混凝土高温后单轴受压过程进行了数值模拟和分析,发现试件的破坏开始于界面出,粗骨料体积含量为45%时,抗压强度达到最大值。杨龙宾[11]用黄河砂制备高性能混凝土,发现用黄河砂部分代替河砂并不会影响其力学性能,其掺量对混凝土流动性影响更大。王立霞[12]研究了黄河砂代替部分机制砂对混凝土强度的影响,不同等级的混凝土黄河砂的最佳掺量不同。

诸多研究表明,黄河砂、沙漠砂的掺量对水泥基材料的力学性能有一定的影响,沙漠砂可大掺量替代或全部替代河砂制备胶凝材料且不会影响其力学性能而对黄河砂替代河砂制备胶凝材料的研究较少。因此,本研究通过选用粒径相差较小的沙漠砂作为对照,对比分析黄河砂、沙漠砂胶砂抗压强度,结合扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)、X-射线能量光谱(energy dispersive spectrometer, EDS)和背散射电子(back scatter electrons,BSE)及元素扫描从微观机理方面对沙漠砂、黄河砂胶砂抗压强度进行分析。

1 试验

1.1 试验原材料

试验所选用的P·O 42.5水泥是来自宁夏赛马水泥厂,其主要的化学组分含量(质量分数)如表1所示。物理特性如表2所示。试验所选用的沙漠砂来自毛乌素沙漠,沙漠砂的细度模数为0.9,沙漠砂颗粒表面光滑,粒径小分布均匀,比表面积大,水稳性好,沙颗粒表面吸水性好,使其制备的砂浆具有很好的黏结力[13]。外观如图1(a)所示。黄河砂来自宁夏滨河黄河大桥附近的黄河流域。黄河砂细度模数为0.5,沙颗粒属于粉细砂,比表面积大且表面光滑,颗粒级配不良,颗粒粒径分布比较分散[14]。黄河砂颗粒表面对水几乎没有吸附性,透水性强,在干砂情况下颗粒分散,砂颗粒之间的黏结力小;黄河砂在潮湿情况下,有明显的黏着感[15]。黄河砂的外观如图1(b)所示。

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of cement

表2 水泥的物理性能Table 2 Physical properties of cement

图1 沙漠砂、黄河砂外观形貌Fig.1 Appearance of desert sand and yellow sand

1.2 样品制备

考虑到沙漠砂的级配连续性和充分使用,砂颗粒越小,砂浆的需水量越大[16],将沙漠砂砂浆水胶比定为0.58,黄河砂砂浆水胶比为0.6,按砂胶比1∶3,进行砂浆配制。试件采用40 mm×40 mm×40 mm的砂浆试块,将成型好的试件在温度(20 ± 2) ℃,相对湿度不低于95%的标准养护箱内养护至24 h后脱模,移入标准养护室中养护至相应龄期,养护完成后取出后进行加载测试。

1.3 测试方法

力学性能试验:抗压强度试验参考《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》CB/T 17671—1999中步骤和方法进行试验,采用YEM-300D型电子压力试验机执行抗压强度检测,试验机检测的竖向加载速度为0.5 kN/s,试验中抗压强度试样每组制备3个平行试样,每个龄期强度结果均以一组数据取平均值来表征。

微观性能试验:将养护到规定龄期的试件进行抗压强度试验,将试验后的平整的碎块取出,把碎块收集到密封容器中加入无水乙醇终止试件水化后,放入(40±1) ℃的真空干燥箱中烘干至恒重,对烘干的碎块进行镀金处理后采用型场发射扫描电子显微镜(SEM)对式样表面进行微区形貌特征及结构的观察,并采用其配套的 X 射线能谱分析仪(EDS)进行局部微区元素的化学成分定性和定量分析。采用背散射电子显微镜(BSE)对硬化后的砂浆试样的元素含量及分布进行分析。

2 试验结果及讨论

2.1 黄河砂、沙漠砂胶砂抗压强度

沙漠砂、黄河砂砂浆抗压强度如表3所示。

表3 沙漠砂、黄河砂不同龄期的抗压强度Table 3 Compressive strength of desert sand and Yellow River sand at different ages

由表1可知,随砂浆龄期的增加,砂浆7、14、28 d的抗压强度变化趋势基本相同。随砂浆龄期的增加砂浆的抗压强度不断增加。沙漠砂和黄河砂早期强度略低于普通砂浆强度,后期强度要远低于普通砂浆,说明沙漠砂和黄河砂单掺会影响砂浆的强度,需要进行合理掺配。对比沙漠砂和黄河砂的抗压强度,沙漠砂砂浆在7 d龄期和28 d龄期的抗压强度均高于黄河砂砂浆。在14 d龄期时,二者砂浆强度基本相同。从沙漠砂和黄河砂的物理性能分析,是由于沙漠砂颗粒呈细小圆形或近似圆形,吸水性强,使制备的砂浆具有较好的黏结力和稠度,沙漠砂细小圆形颗粒有助于减少浆体的摩檫力从而增加浆体的流动性,有助于填满细小孔隙,使砂浆结构密实,从而提高砂浆强度。而黄河砂颗粒过细,会影响浆体的硬化性能,用水量增加,砂浆的稳定性也会降低[17],从而影响黄河砂浆硬化体的抗压强度,使黄河砂浆强度较低。

选择7、14、28 d龄期的沙漠砂、黄河砂砂浆进行微观分析水化产物的形貌特征、形态分布、元素成分及含量对砂浆抗压强度的影响。

2.2 SEM及EDS分析

通过SEM观察沙漠砂、黄河砂胶砂砂浆7、14、28 d龄期的微观形貌,扫描结果如图2、图3所示。

由图2(a)可知,沙漠砂砂浆在7 d龄期时已经出现了薄层状Ca(OH)2,同时形成大量絮状的C-S-H凝胶以及针状钙矾石。在14 d龄期时,钙矾石从针状晶体发育成的棒状晶体,C-S-H凝胶随水化反应进行发育成纤维网状结构。由图2(c)中可以看出,沙漠砂砂浆界面有少量的针状钙矾石,大量的层状,板状Ca(OH)2增强结构骨架,C-S-H凝胶呈致密的纤维网状。生成的水化产物交错生长使沙漠砂砂浆结构粘结紧密整体性好,到28 d龄期时,沙漠砂砂浆界面微观结构聚合度较高且发育较为完整。

由图中3(a)可以看出,7 d龄期时,黄河砂砂浆表面形成了大量呈针状的钙矾石,团絮状C-S-H凝胶,整体结构较为松散。由图3(b)中可以看出14 d龄期钙矾石发育较为完整,晶体尺寸变大。C-S-H凝胶随水化时间从开始的团絮状发育成的颗粒状。到28 d龄期时,砂浆表面形成少量的钙矾石和大量薄板层状的Ca(OH)2,C-S-H凝胶从颗粒状发育成纤维网状包裹在钙矾石表面,黄河砂砂浆界面较为密实且整体性较好。

纵向对比两者水化产物的微观形貌可知,两组试样随龄期的增长水化产物发育总体进程相似,C-S-H凝胶从开始的团絮状发育成密实的网状纤维,钙矾石及Ca(OH)2随龄期增长不断发育完整。7 d龄期时,沙漠砂砂浆界面产生的Ca(OH)2有助于增强结构骨架,使沙漠砂砂浆早期的抗压强度高于黄河砂砂浆。14 d龄期时,黄河砂砂浆界面也生成了薄层状的Ca(OH)2,使二者砂浆的强度基本相同。28 d龄期时,沙漠砂砂浆界面生成的水化产物能很好填充孔洞,整体性比黄河砂砂浆好,结构更加致密,从而使沙漠砂砂浆抗压强度高于黄河砂砂浆。

图2 沙漠砂砂浆不同龄期的SEM扫描图Fig.2 SEM scanning diagram of desert sand mortar at different ages

图3 黄河砂砂浆不同龄期的SEM扫描图Fig.3 SEM scanning diagram of Yellow River Sand mortar at different ages

通过EDS观察黄河砂、沙漠砂砂浆7、14、28 d的微观形貌,扫描结果如图4、图5所示。

硅酸盐水泥的水化产物的成分性质对水泥砂浆的强度以及混凝土结构强度的发展有决定性影响。通常情况下,水化反应开始时生成C-S-H凝胶及钙矾石。水化产物的钙硅比是定量描述C-S-H结构的重要参数之一。一般情况下,合成C-S-H凝胶的Ca/Si在0.6～2.0之间,如果Ca/Si>2.0时,说明砂浆水化反应初期就含有Ca(OH)2[18]。从图4中可以看出沙漠砂砂浆钙硅比随着龄期增长不断增大,从2.32增加到3.96,说明在水化过程中,C-S-H凝胶含量不断增加,大量的凝胶交错攀附,使沙漠砂砂浆界面整体稳定。从图5中可知,黄河砂胶砂钙硅比从2.45增加到2.97。说明黄河砂砂浆在水化过程中,砂浆中的C-S-H凝胶含量也不断增加,相比于沙漠砂砂浆C-S-H凝胶含量增加较少,导致砂浆结构较为松散。由图5中可以看到沙漠砂、黄河砂砂浆中钙含量也不断增加,表明砂浆中产生大量Ca(OH)2,龄期较短时,CH相起增强结构骨架的作用。此外两者还有较多的碳元素,以及少量的硫、铝元素,说明砂浆的水化产物中还有碳酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙生成。

图4 沙漠砂砂浆不同龄期的EDS图Fig.4 EDS scanning diagram of desert sand mortar at different ages

图5 黄河砂砂浆不同龄期的EDS图Fig.5 EDS scanning diagram of desert sand mortar at different ages

纵向对比可知,沙漠砂砂浆的钙硅比增加1.64,黄河砂砂浆的钙硅比增加0.52,沙漠砂的钙硅比增加量远大于黄河砂砂浆,说明沙漠砂砂浆随水化过程产生的C-S-H凝胶数量多于黄河砂砂浆,同时沙漠砂胶砂浆中Ca(OH)2的含量也高于黄河砂砂浆。砂浆水化过程中凝胶含量是影响砂浆强度的主要因素,因此28 d龄期时,沙漠砂砂浆的抗压强度更高。

综上所述,通过SEM、EDS微观分析可知,砂浆水化过程中水化产物的含量、形貌及分布形态影响砂浆的抗压强度。

2.3 能谱分析

通过BSE及元素扫描观察砂浆7、28 d龄期的微观形貌,扫描结果如图6、图7所示。

由沙漠砂砂浆不同龄期的BSE及元素扫描图中可以看到,图像中的区域呈现不同的亮度,其亮度主要取决于该区域元素的原子序数及含量。平均原子序数越高,或元素越多,衬度就越亮[19]。其中最亮的部分主要元素是Ca、Si、Na以及部分少量的C、Mg、Al。其主要为砂浆中的C-S-H凝胶及Ca(OH)2。从BSE图中元素的亮度高低及区域再结合EDS元素含量可以看出随着龄期的增加砂浆中Ca、Si和Na元素的含量不断增加。这说明随水化反应进行,砂浆中生成更多的C-S-H凝胶及Ca(OH)2。

图6和图7(a)中最暗的部分是砂浆中的孔隙。对比砂浆7 d和28 d龄期的BSE,砂浆中7 d的孔隙数量多且孔洞相对较大;到28 d龄期,可以看出孔隙数量明显减少且无连续孔产生,砂浆界面结构致密,使得砂浆强度提高。对比图中不同龄期的元素扫描图的明亮程度可以更清晰地看到,除了Ca、Si含量的增加,C、S等元素含量也不断增加,说明砂浆在水化过程中生成了更多的碳酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等水化产物。

黄河砂砂浆的BSE及元素扫描图如图8、图9所示。从元素的明亮程度及分布情况进行分析。对比7 d和28 d的背散射图,Ca、Si元素含量的增加说明砂浆随水化过程生成了更多的C-S-H凝胶,使得水泥砂浆结构更加致密。Ca、C、Al等元素含量增加说明砂浆在28 d龄期生成Ca(OH)2、碳酸钙及其他的水化产物。黄河砂砂浆在7 d龄期时,砂浆中孔隙少,且没有大的孔隙和连续孔,使黄河砂砂浆早期结构致密。黄河砂砂浆在28 d龄期时抗压强度相对于14 d龄期增量较小,是因为28 d龄期的砂浆界面有很多孔隙,孔隙增加影响砂浆的抗压强度。

图9 黄河砂砂浆28 d龄期的BSE及元素扫描图Fig.9 BSE and element scanning diagram of Yellow River sand mortar at 28 d age

纵向对比沙漠砂、黄河砂砂浆背散射图,再结合EDS,沙漠砂砂浆Ca/Si比要远大于黄河砂砂浆,说明沙漠砂砂浆中生成更多的C-S-H凝胶、Ca(OH)2、碳酸钙等水化产物。产生大量的水化产物使得沙漠砂砂浆结构致密。此外,受砂粒径、形态及黏结性的影响,在7 d龄期时,相比于沙漠砂砂浆,黄河砂砂浆界面孔隙较小。但黄河砂砂浆强度仍低于沙漠砂砂浆,是由于砂浆中水化产物对砂浆强度的影响作用更大。28 d龄期沙漠砂砂浆界面的孔隙小,砂浆结构致密,整体性更好。因此,沙漠砂砂浆抗压强度更高。

3 结论

本研究通过对沙漠砂、黄河砂胶砂的抗压强度的试验,结合SEM、EDS、BSE和元素扫描对沙漠砂和黄河砂胶砂的微观性能进行研究。分析砂浆水化过程中水化产物形貌、含量及分布形态对胶砂强度的影响。得出以下结论。

(1)随砂浆水化过程的进行,胶砂界面的C-S-H凝胶,钙矾石不断发育完善,生成的Ca(OH)2增强结构骨架。各种水化产物交错生长结合紧密使砂浆结构整体性好。沙漠砂砂浆界面的钙矾石和凝胶发育更完善,而且在早期就生成层状的Ca(OH)2增强结构骨架。黄河砂砂浆中水化产物发育相比于沙漠砂砂浆不完整,结构松散,导致黄河砂砂浆抗压强度较低。

(2)砂浆中的钙硅比(Ca/Si)随龄期不断增加,说明水化过程中凝胶的含量不断增加,砂浆中碳酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙等水化产物的含量也不断增加。沙漠砂砂浆的钙硅比增加1.64,黄河砂砂浆的钙硅比增加0.52,沙漠砂的钙硅比增加量远大于黄河砂砂浆,说明沙漠砂砂浆随水化过程产生的C-S-H凝胶数量多于黄河砂砂浆。水化产物中凝胶含量是影响沙漠砂砂浆的抗压强度高于黄河砂砂浆的主要因素。

(3)砂浆中的孔隙影响砂浆的抗压强度。背散射图结合EDS中元素的含量及分布反映了水化产物的含量及砂浆中孔隙的大小形态和数量。由于沙漠砂粒径小,黏结性好,吸水性强,使砂浆具有很好的黏结性。沙漠砂粒性能减小砂浆的孔隙,使沙漠砂砂浆28 d龄期的抗压强度提高了12.33 MPa。受黄河砂粒径影响,砂浆硬化性能差,孔隙较大,导致黄河砂浆28 d龄期的抗压强度低。