水泥漿體孔結構與形貌的試驗研究

0混凝土的滲透率材料的微觀結構決定了其宏觀行為機制。混凝土從宏觀和微觀上看都具有多孔的性質,而其孔隙情況由化學和物理的很多方面所決定。孔結構和孔隙率又與其強度和滲透性等有直接的關系。已有文獻指出[2~3],混凝土的滲透性是由其微觀結構決定的,如混凝土的孔隙率、孔徑分布,以及骨料-基體界面區的礦物組成等。一般認為,混凝土的毛細孔越大,其強度越低,滲透性也越大。普通混凝土的界面區疏松多孔,界面區Ca(OH)2富集并取向生長,往往成為各種有害介質侵入其內部的通道,因此對滲透性的影響較大。本文研究了混凝土的微觀結構與其滲透性的作用機制,利用壓汞試驗對不同組分混凝土的孔結構進行了實驗分析,并用掃描電鏡研究了混凝土的微觀形貌,以期利用孔結構參數來評定混凝土滲透性的大小。1混凝土的多孔結構及其滲透功能1.1混凝土滲透率的機理通常,孔結構學研究中將混凝土的孔徑大小分為:大孔(>103nm)、毛細孔(102~103nm)、過渡孔(10~100nm)、凝膠孔(<10nm)。也有文獻將孔徑分為四級:無害孔級、少害孔級、有害孔級和多害孔級,不同孔級的孔對混凝土滲透性的作用是不同的。凝膠孔是凝膠顆粒間互相連同的孔隙,在水泥凝膠中孔隙率約為28%,并與水膠比無關。研究證實,增加132nm以下的孔不會增加混凝土的滲透性。毛細孔的微孔勢能明顯大于重力場勢能,對滲透性的影響較大。通常情況下,毛細孔只能通過凝膠孔相互連接,當孔隙率較高時,毛細孔成為連續的、貫通的網狀結構體系。毛細孔的連通性與水化程度和水膠比密切相關,當水泥水化達到某一程度時,混凝土中毛細孔的連通性會減弱到一水不能滲透的臨界值。混凝土的滲透性隨總孔隙率的增加而提高,但兩者之間并不存在簡單的函數關系。總孔隙率高的混凝土,滲透性不一定就高,因為孔隙率相同的混凝土可以有不同的孔徑分布,而后者對滲透性的影響更顯著。混凝土的孔結構和孔分布與滲透性的關系如圖1所示。1.2混凝土滲透率分析混凝土是一個復雜的多孔體(組分包括固、液、氣三態),其微觀結構和礦物成份存在較大的差異和不均勻性,混凝土的滲透性大小因而也呈現出較大的差異。研究表明,混凝土的滲透系數k值的大小受孔結構的影響,典型的混凝土透水性與其孔結構關系的模型如Katz和Thompson方程[7~8]:式中,k為混凝土的滲透系數,lc為混凝土的臨界孔徑,為混凝土的毛細孔隙率,c為壓汞試驗測得的臨界孔隙率。用k值評定較高水膠比混凝土(W/B>0.4)的滲透性結果很好。當水膠比較低時,混凝土的毛細孔隙率低于臨界值,毛細孔被切斷,水必須透過凝膠孔滲透,此時凝膠孔控制著混凝土的滲透性,用該式預測的混凝土的滲透性誤差可能較大。混凝土孔結構狀況也可用電導率的大小來反映,然而,不同混凝土孔溶液的化學成分不同,電導率測量結果并不能反映孔結構狀況,必須同時單獨測量孔溶液的電導率并對混凝土的實測電導率進行修正,用修正后的相對電導率來評定混凝土的滲透性高低,如下式:式中,K是一項反映混凝土孔結構的綜合參數,D和Dp分別為離子在混凝土和孔溶液中的擴散系數,σ和σp分別為混凝土和孔溶液的電導率,兩者的比值與混凝土孔結構參數的關系為:式中,τ是孔隙曲率(τ=Lp/L,Lp為沿電流流動方向孔的長度),它反映的是電流通過混凝土中孔隙的曲折程度;ε為孔隙率(ε=Ap/A,Ap為垂直于電流流動方向的孔面積,A為垂直于電流流動方向的混凝土面積)。從以上分析可以看出,Katz和Thompson方程描述了混凝土滲透系數與孔結構的關系,其值的大小由壓汞試驗獲得的混凝土孔結構參數(lc,和c)來確定。用修正后的電導率大小來評定其滲透性,同樣基于孔結構參數(τ和ε)與滲透性之間的對應關系。因此,兩者都能定量確定混凝土的微觀結構與滲透性的關系。2混凝土的微觀結構試驗2.1試驗用細骨料和材料采用32.5R普通硅酸鹽水泥,優質低鈣粉煤灰。水泥和粉煤灰化學成分的X-射線熒光分析結果見表1。所用細骨料為中河砂,細度模數為2.4,屬Ⅲ區。試驗共制作了3組砂漿試樣,其中試樣M1、M2的水膠比分別為0.45和0.55,試樣M3摻入20%的粉煤灰等量替代水泥,其水膠比為0.45。試驗配合比見表2。標準養護60d后進行壓汞試驗和掃描電鏡試驗。2.2混凝土的臨界孔徑壓汞試驗(MIP)可以測量混凝土中平均孔徑為0.15μm~100μm的孔,試驗結果的代表參數包括總孔隙率、最可幾孔徑、臨界孔徑、平均孔徑等孔結構參數。如前所述,混凝土的總孔隙率與滲透性沒有直接的關系,能夠反映混凝土孔隙連通性和孔徑分布的分別是臨界孔徑和最可幾孔徑。試驗所得各組混凝土試樣的孔徑分布微分曲線見圖2。微分曲線與橫軸包納的面積表示總孔隙體積,在一定的孔徑范圍內,曲線峰值越高說明該區間內孔隙總體積越大。微分曲線峰值所對應的孔徑即為最可幾孔徑,其物理意義為:混凝土中小于該孔徑則不能形成連通的孔道,也即為出現幾率最大的孔徑。試樣M1、M2和M3的最可幾孔徑分別為26nm、40nm和17nm。可見混凝土的水膠比從0.45增加到0.55,混凝土的最可幾孔徑增大了54%,增幅相當明顯。摻入20%粉煤灰后混凝土的最可幾孔徑減小35%,明顯使漿體的孔結構網絡的連通性變差,對降低混凝土的滲透性是有利的。臨界孔徑是能夠將較大的孔隙連通起來的各孔的最大孔級,為直方圖上開始大量增加孔體積處所對應的孔徑。圖3為水膠比不同的混凝土試樣M1和M2養護60d的孔級分布。從總孔隙率來看,水膠比分別為0.45和0.55的混凝土試樣M1和M2的累積孔體積分別為0.131ml/g和0.218ml/g,后者的孔體積比前者提高了約70%。而且后者孔徑大于100nm的有害孔的數量明顯增多。兩者的臨界孔徑分別為40nm和121nm,根據本文前述式(1)的分析,混凝土的滲透系數由臨界孔徑決定,可見減小水灰比可明顯改善混凝土的孔級配,有害孔數量減少,混凝土的孔徑分布移向小孔徑范圍,因此,對混凝土滲透性的影響甚為顯著。圖4為混凝土試樣M1和M3的孔徑分布圖。由圖可見,摻粉煤灰后,雖然總孔隙率降低的幅度不大(累計壓入的汞體積從0.131ml/g降至0.124ml/g),但對孔徑分布的影響較大,混凝土的臨界孔徑也減小了,孔徑大于100nm的有害孔的相對數量明顯減少,孔徑被有效的細化。因此,摻入粉煤灰能夠顯著的降低混凝土的滲透性并提高其耐久性。2.3粉煤灰漿體的微觀結構近年來,利用掃描電鏡研究混凝土的微觀形貌并從微觀結構層次揭示材料的性能已成為研究的熱點之一。本試驗中未摻粉煤灰的試樣(M1)以及摻20%粉煤灰的試樣(M3)養護60d后的SEM觀察結果分別見圖5和圖6。由圖可見,未摻粉煤灰的界面區的孔隙較多,孔徑也較大,網絡狀的水化產物自由生長,結構較疏松[見圖5(a)];在漿體-骨料的界面區針棒狀的鈣礬石(AFt)和片狀的Ca(OH)2晶體含量較多,且Ca(OH)2的晶粒較為粗大,并可在圖5(b)中的界面區看到尺度大于100nm的毛細孔,這對于提高混凝土的抗滲性是不利的。圖6(a)為摻20%粉煤灰后的SEM照片,由圖可見,漿體微觀結構均勻致密,大孔較少。而未完全水化的球形粉煤灰顆粒可能還具有阻止微裂縫生成的作用。圖6(b)中可觀察到魚卵狀的粉煤灰空心玻璃微珠,其周圍有密實的二次水化產物CSH凝膠生成,而漿體中的Ca(OH)2、AFt和有害孔隙數量明顯減少。筆者認為,這是粉煤灰的加入使得試樣的礦物組成和密實度得到明顯的改善。粉煤灰作為微集料填充在水泥漿的孔結構中,可提高其均勻致密程度。同時,由于粉煤灰的火山灰反應消耗了漿體中易溶、強度低的Ca(OH)2組分,使微觀結構變得均勻致密,消除了大孔,尤其是界面區的孔隙數量減少,在宏觀性能上顯出試樣滲透性的降低和耐久性的改善。3粉煤灰的試樣微觀結構,主要體現(1)混凝土的滲透性由其微觀結構特征所決定,壓汞試驗所得的孔結構參數和混凝土的電導率修正值都能定量地評定混凝土的孔結構參數的作用和滲透性的大小。(2)水膠比的變化對混凝土的孔結構的影響很大