粉煤灰对煤矸石混凝土界面过渡区的改性效应_邱继生.pdf

，.，.基金项目：国家自然科学基金青年基金（）；陕西省自然科学基础研究计划面上项目（）（），（）：.粉煤灰对煤矸石混凝土界面过渡区的改性效应邱继生，朱梦宇，周云仙，高徐军，李蕾蕾 西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 为了促进煤矸石在混凝土生产中的使用，考虑不同粉煤灰掺量（、）对煤矸石混凝土（，）界面过渡区（，）结构的影响，从宏观力学和微观力学两个尺度出发，揭示了粉煤灰对 的 微观结构及宏观性能的改性机理。研究表明：在宏观力学上，掺加 的粉煤灰可以提高 的劈裂抗拉强度。在微观力学上，加入 的粉煤灰能显著提高 的薄弱区的硬度值，使其硬度值的分布变得较为均匀。掺加粉煤灰后 的 厚度明显减小。这说明掺入的适量粉煤灰在 的 上发挥了物理作用及化学作用，改变了 的 结构。关键词 粉煤灰 煤矸石混凝土 力学性能 界面过渡区 显微硬度 影响机理中图分类号：文献标识码：，（，）（）（），：，引言目前，我国煤矸石的累积堆存量已超过 亿。煤矸石带来诸多环境问题，严重影响着煤炭行业的绿色发展。将煤矸石代替碎石配制混凝土，既能解决煤矸石废料带来的环境问题，又能满足建筑业可持续发展的要求。然而，煤矸石骨料结构较天然碎石疏松，片状颗粒和孔隙较多，使煤矸石骨料处的界面过渡区（，）较天然碎石更为薄弱。在受荷破坏过程中，煤矸石混凝土（，）的 处易出现早期微裂缝，并向砂浆区域延伸和扩展，进而影响 的宏观性能。因此，的 微观结构研究对分析及改进其宏观性能具有重要的意义。近年来，国内外专家和学者对 的 结构进行了大量研究。段晓牧认为煤矸石更为粗糙的界面虽然有利于其机械咬合作用，但是自然煤矸石表面的物理化学反应导致 的 结构粘结性差、孔隙较大。王晴等发现，由于煤矸石骨料的二次水化反应程度有限及离子迁移，的 整体的显微硬度低于普通碎石混凝土的。因此，不少专家和学者对混凝土 结构的改善进行了探究。李一鸣等的研究表明偏高岭土可增强混凝土 的显微硬度。尚建丽等对以钢渣作为粗骨料混凝土的 结构和形态进行研究，发现粗糙多孔的钢渣表面 更为致密；等的研究表明，掺加石灰石填料、高炉颗粒可使 和水泥基体的微观结构致密。等的研究表明，纳米碳酸钙和纳米二氧化硅的加入提高了大掺量矿渣粉煤灰混凝土的 显微硬度。以上研究表明，外加掺合料可改善混凝土 的显微硬度，而粉煤灰就是其中比较有效的一种。李恒等将粉煤灰与矿渣复掺再生混凝土中，发现混凝土劈裂抗拉强度可以提高 。等对掺水泥粉煤灰的再生混凝土的微观结构进行了研究，发现掺加 的粉煤灰时可以通过形成球形的小孔隙来优化再生混凝土 的孔隙结构。然而，现阶段的研究主要针对掺合料对普通混凝土以及再生混凝土 性能的改善效果，而对于采用具有较高压碎指标和孔隙率的煤矸石作为骨料制作而成的，其 结构特性相对复杂，而目前相关研究较少，且掺加粉煤灰对 的 的改善效果及改善机理还有待进一步探究。本工作采用显微硬度仪（）对掺加粉煤灰的 的 性能进行测试，并运用场发射电子扫描显微镜（）及能谱分析仪（）对其微观形貌进行表征，揭示粉煤灰对 的 微观结构及宏观性能的改性机理。实验 原材料（）水泥及粉煤灰：水泥选自陕西秦岭海螺牌 普通硅酸盐水泥，初凝时间为 ，终凝时间为 ，密度为 ，比表面积为 。粉煤灰为级粉煤灰。水泥及粉煤灰的化学成分见表。表 水泥及粉煤灰的化学成分（质量分数）（）材料烧失量水泥 粉煤灰（）细骨料：砂子选用灞河粗砂，细度模数为 ，堆积密度为 。（）粗骨料：煤矸石产自陕西神木大柳塔矿区，粒径为 ，由颚式破碎机破碎、振筛机筛分而得。碎石为天然碎石。它们的技术指标见表。表 粗骨料的基本性能 分类尺寸 表观密度 含水量含泥量压碎指标针状物含量天然碎石 煤矸石 （）水和外加剂：水为自来水。外加剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为。试验配合比根据文献的研究结果，选取煤矸石取代率为，的基准配合比见表，只改变粉煤灰的掺量。其中，组为对照组，表示粉煤灰掺量为 的，、分别表示粉煤灰的掺量为总胶凝材料质量的、的。表 的基准配合比（）（）水灰比水水泥砂天然碎石煤矸石减水剂 试验方案 试件的制作试件养护 后，从每组配合比中随机取出一个立方体试块。先将试块切割成 的样品，再使用 精密切割机将样品切割至 的试样。切割的样品选取立方体中部，且样品中同时含有煤矸石和碎石。将制作完成的试样置于无水乙醇中浸泡 以终止其水化和碳化反应，再在室温下风干 ，然后放入 的干燥箱中烘干 。最后，选择待测表面，放入冷镶软模中并嵌入冷镶材料。脱模后，采用 型双盘台式抛光机抛光，以满足显微硬度测试要求。制作流程如图 所示。图 显微硬度测试试件的制作过程 显微硬度试验试验采用 数显显微硬度仪，数显分辨率为，硬度标度为 ，载荷为 。首先，在骨料周围不相邻的区域内画出五条法线，并选取法线与骨料的交点作为起点，对砂浆基体区域进行点阵，测点间的间隔为 。测试点的分布如图 所示。每个测点的硬度值表示五条法线上对应测点的平均值。测试时将硬度计压头压入试样表面，后自动卸载，并在物镜下观察压痕，放大 倍，测量压痕对角线长度，读取系统计算的维氏硬度值。力学性能测试本实验主要测试试样的抗拉强度和劈裂抗拉强度，试块采用 的立方体，根据 的相关要求进行。试验仪器为绍兴市肯特电子机械有限公司生产的 型数显式压力试验机，对试样进行劈裂抗拉强度测量。图 显微硬度测点分布 微观结构表征（）扫描电镜试样的制作将待测的试件破碎，选取同时含有骨料（煤矸石骨料及碎石骨料）和砂浆且尺寸为 的试样。用无水乙醇浸泡以终止水化，然后在 下干燥 至恒重，并将样品镀铂以提高导电性，用 场发射扫描电子显微镜对其材料导报，（）：微观结构进行测试，用 自带的 射线能谱分析仪对砂浆与骨料交界处 的产物进行能谱分析。（）厚度的确定 与砂浆基体有着紧密的联系，不同砂浆基体与骨料连接的 划分有所差异。受 与砂浆基体的表面平整状况、尚未水化的水泥颗粒及其大孔隙的分布影响，显微硬度的实测值离散性较大。为降低在测试 硬度时离散性较大产生的影响，可由砂浆基体确定出标准值。先在每组待测试件的砂浆基体上随机打 个点，然后对不同粉煤灰掺量的 的待测点位显微硬度值进行统计分析，通过箱型图确定各粉煤灰掺量下砂浆基体区域的显微硬度标准值。根据显微硬度低于砂浆区域标准值的分布情况可得到 的显微硬度值分布规律，以达到更准确地判断不同粉煤灰掺量下 的 显微硬度分布特性的目的。结果与分析 的劈裂抗拉强度及界面破坏分析混凝土的宏观力学强度是由混凝土基体和 的性质决定的。其中，拉应力对 的影响最大，在拉应力荷载下，处的早期微裂缝逐渐延伸形成贯通裂缝并扩展至基体。图 为不同粉煤灰掺量下 的劈裂抗拉强度变化情况。由图 可知，的劈裂抗拉强度随着粉煤灰掺量的增加呈现先减小后增大再减小的趋势。粉煤灰掺量为 的测试组的强度超过了 组，增长了 。而粉煤灰掺量在和 时，其强度相比对照组分别下降了 、。图 不同粉煤灰掺量下混凝土的劈裂抗拉强度 图 为 在劈裂受拉破坏时破裂面的形态，其中红色圆圈为煤矸石骨料与基体脱落，蓝色圆圈为天然碎石骨料与基体剥落。由于煤矸石骨料强度较低，试块破坏形式为：大多数的煤矸石骨料被拉断以及少部分碎石骨料被拉断；少数情况是碎石和煤矸石与砂浆基体界面分离，界面区失效。组多数为的破坏形态，只有少数煤矸石和碎石的粘结界面发生破坏；而、组与 组破坏后的界面相似，组只有极少数情况是碎石骨料与砂浆界面的分离而引起的破坏，多数情况是骨料自身受到拉力被拉断；然而，当粉煤灰掺入过多时，从组的破坏界面可以看到，多数是煤矸石图 劈裂抗拉界面破坏图（电子版为彩图）粉煤灰对煤矸石混凝土界面过渡区的改性效应 邱继生等 或碎石骨料与砂浆的粘结面发生破坏，从而导致混凝土力学性能降低，这也与 组在劈裂抗拉强度上较差的表现相对应。对各粉煤灰掺量下五个平行试件的劈裂抗拉破坏的断面上粗骨料的 失效进行统计，结果如表 所示。相较于 组，粉煤灰掺量为 的 组中煤矸石和碎石的类破坏分别减少了 处和 处。然而，组和 组的类破坏中，碎石分别增加了 处和 处，煤矸石分别增加了 处和 处。该结果也与 组和 组在劈裂抗拉强度上的表现相对应。可见，掺入适量的粉煤灰对 的 有改善作用。表 在各组所有试件的劈裂抗拉破坏断面上的粗骨料 失效统计 分类天然碎石煤矸石 的 的微观力学分析 砂浆区域的显微硬度标准值图 为不同粉煤灰掺量的 砂浆基体区域的显微硬度箱形图。由图 可知，砂浆区域的显微硬度值分布范围随掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，当粉煤灰掺量不超过时，其砂浆区域显微硬度的平均值和中值均高于未掺粉图 不同粉煤灰掺量的试样砂浆区显微硬度箱形统计图（电子版为彩图）煤灰组。在试件表面平整度、粗细骨料比例相同的条件下，显微硬度值的大小与微观结构的密实程度有关，这表明粉煤灰的加入能在一定程度上提高砂浆的密实程度。图 中 组和 组砂浆区的扫描电镜图正好证实了这一点。未掺粉煤灰的砂浆区中含有较多的孔隙和裂缝（见图）；而掺入 粉煤灰的砂浆中，水化产物之间的较大孔隙明显减少（见图）。这主要是由于粉煤灰颗粒分布在水泥颗粒之间，在水泥水化后生成的（）碱性溶液的环境下，粉煤灰中的活性 和 发生二次水化反应，生成物使砂浆基体的孔隙得到填充。当粉煤灰掺量达到 时，砂浆区的显微硬度值有所降低，说明掺量为 的粉煤灰对 砂浆产生不利影响。这可能是由于水泥熟料减少，水化产物的碱度降低，粉煤灰较难发生火山灰反应，导致粉煤灰中的珠状颗粒物与水化产物间形成一定量的孔隙和裂缝，降低了砂浆的密实度（见图）。图 砂浆微观结构：（）粉煤灰，（）粉煤灰，（）粉煤灰（电子版为彩图）：（），（），（）处的硬度值与厚度分析图展示了不同粉煤灰掺量的的显微硬度变图 的（）显微硬度分布图与（）界面硬度（谷底值）占砂浆基体硬度均值百分比 （）（）（）材料导报，（）：化规律。由图 可知，各试块的显微硬度值的变化趋势均为从骨料边缘向砂浆区域由低向高渐进分布，在 区间，硬度值最低，后，硬度值逐渐增加至趋于稳定，这说明在 中，距骨料 的区域最薄弱。粉煤灰的掺量不同，中最薄弱的区域的硬度值有所差异：组试块的硬度值从 向 递减；组和 组的硬度值从 向 递减；组和 组的硬度值主要在分布在 。这说明 和 掺量的粉煤灰能减缓最弱区域硬度值的降低趋势，使薄弱区的硬度值变得较为均匀。而在粉煤灰掺量为和时，薄弱区域的硬度值分布也较为均匀，但整体的硬度值较对照组均偏低。此外，各试件中煤矸石骨料 的硬度值均比碎石骨料 的硬度值大，说明煤矸石作为骨料能够有效地改善混凝土 的性能，这也为煤矸石作为粗骨料取代碎石提供有利的证据。根据各试件砂浆的显微硬度统计分布规律确定了它们的 厚度。由结果可知，五组试块的 厚度从大到小依次为 组、组、组、组、组。可见，粉煤灰的掺入能够有效地减小 的厚度。这一结果与文献中粉煤灰对普通混凝土 厚度影响的规律较为一致，该研究还显示粉煤灰掺量为 时，普通混凝土的 厚度最小。而本试验结果显示，对于，掺量为 的粉煤灰对 厚度的改善效果最佳，这可能是由于骨料的组成性质发生改变后，的产物结构也发生改变。此外，对比两种骨料 厚度的减小幅度可知：、和 组的碎石骨料 厚度分别较 组的 厚度减小了 、和，而它们的煤矸石骨料 厚度分别减小了 、和，煤矸石骨料 厚度减小的幅度更大。图 为不同粉煤灰掺量下 区域的硬度谷底值占砂浆基体平均值的变化。由图 可见：（）随着粉煤灰掺量的增加，占比呈现出先减小后增大再减小的趋势。粉煤灰的取代率达到 时，占比增大最为明显，而粉煤灰掺量为 时，界面强度明显降低。（）粉煤灰的掺入对煤矸石 硬度的提高效果更为明显，平均比碎石界面高。结果表明：粉煤灰的掺入缩小了 强度与砂浆基体强度的差距，优化了 的性能，但是当掺量超过一定值时，粉煤灰弱化了界面的强度，界面与砂浆基体强度的差距增大。这也与宏观力学结果有所对应。的 微观形貌 中不同类型骨料处的 厚度变化图为粉煤灰掺量为 时骨料的微观形貌。从图 含粉煤灰的不同骨料的 微观形态：（）碎石，（）煤矸石 ：（），（）图 中可以明显看出