活性粉末混凝土的微观结构研究

第36卷第2期Vol.36 No.22021年05月May 2021汕头大学学报(自然科学版)Journal of Shantou University (Natural Science)文章编号：1001 - 4217(2021 )02 - 0050 - 09不同粒径石英粉对活性粉末混凝土强度影响及微观结构分析薛国杰1,王传林"，张佳苗1,卢旭彳，刘泽平1,张腾腾1(1.汕头大学广东省结构安全与监测工程技术研究中心，广东汕头515063；2.广东居安建筑工程检测有限公司，广东 汕头515063)摘要试验分析了不同养护条件下掺加不同目数石英粉对活性粉末混凝土 (RPC)抗压、抗折强度影响，分析并计算不同目数石英粉对RPC 强度贡献率；利用SEM 、XRD 分析不 同目数石英粉经历热养后RPC 微观结构变化和物项组成.结果表明：与未掺石英粉相比， 掺入石英粉对RPC 抗压、抗折强度均有提升，其抗压/抗折强度最高可提升18.9%/14.1%；不同养护条件下石英粉对于RPC 强度贡献率均大于0,且对抗压强度贡献率更为显著.微观 分析表明，石英粉作为一种惰性材料，虽在一定养护条件下无法通过发挥化学活性效应提升基体强度，但可间接影响其他掺合料的化学活性效应对基体强度产生影响.关键词 活性粉末混凝土；养护条件；石英粉粒径；强度贡献率中图分类号TU528.01文献标识码A进入21世纪后，随着我国国民经济实力迅速提高，交通、建筑、海洋等工程渐渐 增多，混凝土材料用量骤增，工程难度越来越大，对混凝土材料性能及服役寿命提出更高要求.活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)由于其性能优异受到广泛关注. RPC 在低水胶比的水化环境中，SiO2不断消耗一次水化中的产物Ca(OH )2,从而促进二次水化生成托贝莫来石，为混凝土基体提供强度来源•与此同时，SiO2作为RPC 掺合料 可发挥填充作用.硅灰、石英粉是RPC 中SiO2主要来源，但并不是所有的SiO2都可以发挥其活性作用.Yang 等闪利用磨细石英砂代替水泥研究其SiO 2含量、比表面积、蒸养温度等因素对 蒸压高强混凝土力学性能的影响.研究发现在标准养护条件下，磨细石英砂与Ca(OH )2几乎没有反应；蒸压条件下，Si02能与水泥水化释放Ca(OH )2快速反应生成托贝莫来 石.Yazici 等也发现高温下(150-2009 )可激发SiO 2活性.何峰等冋通过分析硅灰和石英粉对RPC 抗压强度的影响发现标准养护条件下硅灰对基体强度贡献较大，而石英粉只能收稿日期：2021 -01 -06作者简介：薛国杰(1994-),男(汉)，内蒙古自治区赤峰人，硕士研究生，研究方向：水泥基材料及混凝土劣化机制研究.E-mail : 1**************.cn基金项目：汕头大学科研启动项目(NFT17011)第2期薛国杰等：不同粒径石英粉对活性粉末混凝土强度影响及微观结构分析51在高温养护条件下起到一定的作用•耿春东等冏在蒸压条件下利用花岗岩石粉取代石英粉的研究中发现花岗岩石粉、石英粉活性被激发可提高强度•石英粉作为RPC中重要掺合料，其粒径对于RPC影响的有关研究存在空白.本文通过研究掺入不同粒径石英粉对RPC流动度、强度影响，借鉴火山灰效应数值分析方法㈣分析原理，定量分析不同养护条件下不同目数石英粉对RPC强度贡献率，并从水化产物、以及微观结构方面对其进行分析阐述，为后续RPC研究提供参考.1试验1.1原材料及配合比试验选用硅酸盐水泥P-042.5R,其技术指标见表1.选取粒径0.3-0.6mm河砂作为细骨料，河砂在使用前需冲洗并烘干.减水剂为聚竣酸减水剂，固含量15%,减水率达30%以上.粉煤灰为I级粉煤灰.硅灰为10000目硅灰.本试验选用了6种粒径不同的石英粉，目数为325、600、1250、2000、3000、4000.水泥、粉煤灰、硅灰主要成分见表2.经过多次前期试验并优化后确定本试验的配合比,见表3.表1硅酸盐水泥P.O42.5R的技术指标国家标准实测值烧矢量/%W5.00 3.06比表面积/(kg/m2)M300378初凝时间/min M45186终凝时间/min W6002303天抗折强度/MPa M4.0 5.63天抗压强度/MPa N22.027.628天抗折强度/MPa M6.5 6.428天抗压强度/MPa M42.545.1表2水泥、粉煤灰、硅灰组成成分质量/g材料-SiO2AI2O3Fe2O3CaO MgO K2O N^O 水泥21.83 3.59 6.357.8 2.610.840.23粉煤灰46.4438.01 3.127.50.230.880.33硅灰92.180.230.090.99 1.830.310.05表3基准配合比组别水泥粉煤灰硅灰石英粉河砂水胶比减水剂/% Qo 1.20.30.20 1.50.26Qx10.30.20.2 1.50.261.2试验方法1.2.1试件制备和养护将称重后的水泥、粉煤灰、硅灰、石英粉干拌60s后加入河砂继续拌和120s,保证52汕头大学学报（自然科学版）第36卷其均匀分散后，将水与减水剂混合物分两次加入，第一次缓慢加入70%水与减水剂混合物后慢拌至无结块，缓缓加入剩余水慢拌100s后快拌60s,将拌制好的料浆浇筑到40mmx40mm x160mm的模具中.成型后放入温度为（20±1）°C、相对湿度不低于90%的标准养护箱内养护24h后脱模，随后分别放入（20±1）°C的水池标准养护、90°C 水泥快速养护箱热水水浴、蒸汽养护至规定龄期.石英粉目数相同者为一组，每组为三个同条件制作和养护的试件.试件在20°C标准养护条件下养护28d、90匸热水水浴7d与90°C蒸汽养护7d后进行试验,热养护试件测试前放置温度20°C、相对湿度50%环境中静待冷却1h.1.2.2性能测试拌合物的流动度采用跳桌法，按《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-1999）进行测定.抗压强度、抗折强度参考《水泥胶砂强度检测方法》（GB/T17671-1999）进行试验.抗折强度采用40mm x 40mm x160mm的棱柱体试件,每组3个.试件进行完抗折强度试验后，取剩余半截棱柱体进行抗压强度试验•取7d90°C热水水浴掺加325和4000目数石英粉试块,选择试样中心部分用无水乙醇终止水化后烘干至恒重后进行扫描电镜观察.为避免砂中石英衍射峰的干扰，另制作未掺加河砂净浆试样，取热水水浴养护7d后掺加325和4000目数石英粉试块中心部分磨细进行水化产物分析.2结果与讨论2.1不同粒径石英粉对RPC流动度的影响掺入不同粒径石英粉的RPC流动度变化如图1所示.由图可知，当RPC中掺入325目石英粉时，所测RPC流动度达179mm.随着掺入石英粉目数增加，RPC流动度逐渐降低.当掺入石英粉目数为4000目时，流动度下降T24.6%.在水胶比不变、石英粉掺量相同时，粒径较小的石英粉比表面积较大，更易吸附自由水，体系中颗粒间自由水减少，流动度下降.石英粉由于其表面粗糙多棱角，作为填充料时与水泥内摩擦力较大叫粒径较小石英粉与其他填充料之间内摩擦力较大、机械咬合作用较强.如掺加石英粉粒径较小，要保证其对应RPC工作性则所需更多拌合水.2.2不同养护条件下石英粉目数对RPC力学性能的影响图2为不同养护条件下RPC抗压、抗折强度与掺加石英粉目数的关系.石英粉作为一种惰性材料，虽在一定养护条件下无法通过发挥化学活性效应提升基体强度间，但可第2期薛国杰等：不同粒径石英粉对活性粉末混凝土强度影响及微观结构分析53间接影响其他掺合料的化学活性效应对基体强度产生影响•由图可知，RPC 抗压、抗折强度在不同养护条件下均呈“N ”型变化趋势.与未掺石英粉相比，掺加325目石英粉RPC 在标准养护、蒸汽养护及热水水浴条件下抗压/抗折强度分别提高了 10.0%/18.3%、2.1%/6.7%及17.5%/9.2%.石英粉通过填充浆体与骨料间微隙从而优化RPC 性能，增加基体强度.随着石英粉目数增加，RPC 抗压、抗折强度呈先减后增•与掺加石英粉目数为325时相比，掺加600目石英粉RPC 在标准养护、蒸汽养护及热水水浴条件下抗压/抗折强度分别降低4.3%/10.7%、3.3%/14.8%及6.5%/2.2%.随着所掺石英粉粒径减小，强度缓慢升高,直至掺加石英粉目数为4 000时,标准养护、蒸汽养护及热水水浴条件下RPC 抗压/抗折强度分别提高了 16.3%/15.9%、 7.9%/4.9%及18.9%/14.1%.石英粉作为一种惰性材料主要通过发挥微集料效应进而提高 基体抗压强度•粒径越小，其填充效果越好叫但由于其仅作为多种掺合料中的一种，与 其他不同粒径的掺合料掺合后需接近最密立方堆积才可充分发挥其微集料效应.由图2可见，虽不同养护条件强度呈现相似变化趋势，但仍有所差别.与标准养护28 d 相比，热养护7 d 后RPC 强度较优.这是由于热养护可激发掺合料发生火山灰效应，即硅灰与水泥水化反应生成的Ca(OH )2发生火山灰反应叫可优化内部孔结构从而提升基体强度.90匕养护温度条件下，热水水浴效果较优.通过分析认为试块在热水水 浴养护中，水中与外部形成压强差为RPC 内部水化起到一定的促进作用，且热水水浴 较蒸汽养护传热速度较匀速，对结构破坏作用较小•张胜等冈分析认为蒸汽养护可使RPC 中水分形成方向性通道，对强度不利.当掺入石英粉为325目时，不同养护条件下抗压强度差值最大，为16.6 MPa ；当掺入石英粉为1 250目时，抗折强度差值最大，为4.0 MPa.粒径较小石英粉能更好的优化孔隙，在掺加粒径较小石英粉时，90 9蒸汽养护、热水养护条件促使RPC 基体外部快速水化、密实度增强，一定程度上延缓RPC 基体中心水化.325目石英粉微集料效应虽不如粒径较小石英粉，其对应RPC 微空隙较 多，但正是由于这些微空隙为水化产物提供了生长空间，有利于强度增长徨50 5 0 53 3 2 2 111111Edl/WJauohsQA・ssQ.lduIOO40(a)抗压强度(b)抗折强度E d l v q /S h s-s n x o Euou图2不同养护条件下石英粉粒径对试样强度影响0554汕头大学学报(自然科学版)第36卷2.3掺加不同目数石英粉强度贡献率分析基于蒲心诚教授㈣提出的火山灰效应数值分析方法分析原理，以不同养护条件下未掺石英粉试验组作为基准组定量分析计算不同养护条件下不同目数石英粉的强度贡献率•表4为本试验数据经计算所得指标，分别为水泥占有胶凝材料的百分比(q)、抗压比强度(Rc)、抗折比强度(Rf)、抗压比强度系数(Ic)、抗折比强度系数(If)、抗压强度贡献率(Pc)及抗折强度贡献率(Pf).表4石英粉强度贡献率分析标准养护蒸汽养护热水水浴指标q/%Rc Rf Ic If Pc Pf B067 1.5420.1881100B32556 1.9890.266 1.129 1.41522.529.3 B60056 1.9040.238 1.081 1.26619.021 B125056 1.9210.252 1.091 1.3419.725.4 B200056 1.9270.257 1.094 1.36720.026.8 B300056 1.9570.259 1.111 1.37821.227.4 B400056 2.1040.261 1.195 1.38826.728Z067 1.7540.2451100Z32556 2.1790.313 1.242 1.27819.521.7 Z60056 2.1070.266 1.201 1.08616.87.9 Z125056 2.1430.252 1.222 1.0291&2 2.8 Z200056 2.1960.271 1.252 1.10620.19.6 Z300056 2.2500.273 1.283 1.1142210.3 Z400056 2.2640.307 1.291 1.25322.520.2R067 1.7610.2431100R32556 2.4750.318 1.405L3092&823.6 R60056 2.3140.312 1.314 1.28423.922.1 R125056 2.3180.313 1.316 1.2882422.4 R200056 2.4120.302 1.37 1.2432719.5 R300056 2.4250.329 1.377L35427.426.1 R400056 2.5050.332 1.422 1.36629.726.8石英粉在标准养护、90°C蒸汽养护和90°C热水水浴条件下主要通过发挥其填充效应从而为RPC基体提供强度.由表3、图2可见，通过将基准组配比进行调整掺加石英粉可提高RPC基体强度.图3、图4及图5分别为20°C标准养护28d、90匸热水水浴7d 及90°C蒸汽养护7d后不同目数石英粉的强度贡献率.由图可见，不同养护条件下石英粉对于RPC强度贡献率均大于0,且对于抗压强度贡献率更为显著.不同养护条件下石英粉粒径对RPC强度贡献率呈“V”形变化，由图3、图4及图5可见，随着石英粉粒径减小，不同养护条件下强度贡献率均呈先减后增•虽然石英粉的粒径越小，在掺合料粒子间起到的填充增密作用越大，但RPC强度主要取决于能否较好地优化掺合料体系中颗粒的紧密堆积.第2期薛国杰等:不同粒径石英粉对活性粉末混凝土强度影响及微观结构分析550 5 05 03 2 2 1 15o53u o u n q u J U O 。

活性粉末混凝土的制备、结构及性能摘要:活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC）是一种超高强水泥基材料，本文通过调整粉煤灰、硅灰等掺合料和水胶比等，研究了其对RPC性能的影响，并且确定了其最佳的掺量。

同时借助XRD和SEM等测试手段对RPC的水化产物和微观结构进行分析后发现RPC是一个未完全水化但非常密实的结构体。

关键词：活性粉末混凝土；RPC；最佳掺量；微观分析1 引言活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC）是法国Bouygues公司1993年研制成功的一种超高强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料[1]，其抗压强度可以达到200MPa-800MPa级，抗折强度20MPa-150MPa级。

由于RPC具有很高的抗压、抗折强度以及较强的耐久性，在结构设计中能够有效减少自重，提高结构的抗震和抗冲击性能。

另外，RPC特殊的结构决定了其耐高温性、耐火性和耐腐蚀性远优于钢材。

国内RPC材料的运用不仅能有效利用粉煤灰、矿渣等工业废料，而且其强度很高，一定程度上能够减少对钢材的需求。

同时采用RPC材料与同类混凝土材料相比可以延长结构寿命，大幅减少维修费用，降低工程建设和使用的综合造价。

因此，RPC目前开始广泛应用于房屋、桥梁道路、高铁以及军事设施，前景十分广阔。

本实验的的主要内容是研究原材料、水胶比等对RPC的性能的影响，同时借助XRD、SEM等测试手段对RPC的水化产物和微观结构进行进一步的分析，以了解水化产物和微观结构对宏观性质的影响。

2 实验部分2.1 原材料及性能检测（1）水泥采用华新堡垒P.O 42.5水泥，水泥细度3200cm²/g，初凝时间大于90min，终凝时间小于360min，烧失量为0.5%。

（2）硅灰云南某铁合金厂生产的微硅粉，硅粉的特征状态为灰白色细粉，SiO2含量大于90%，密度2.21g/cm²，粒径2μm以下，平均粒径0.3μm左右，比表面积143100cm²/g。

活性粉末混凝土的微观结构研究安明喆;王军民;崔宁;马亚峰【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2007(000)003【摘要】通过扫描电镜、EDS微区元素点分析及X-射线衍射等试验,对200MPa 级的活性粉末混凝土的微观机理进行了研究.标准养护1d后生成小颗粒梭状的C-S-H凝胶体与六方板状的Ca(OH)2晶体,内部结构显得比较疏松,且Ca(OH)2晶体的结晶能力下降,形成的晶体颗粒偏小偏薄.标准养护1d后,高温养护1、2、3 d的水化产物凝胶体的形状以梭状的小颗粒C-S-H凝胶--蠕虫状C-S-H凝胶颗粒--"云状"C-S-H凝胶颗粒簇--表面平滑饱满大颗粒--密实块状体的顺序发生变化.C-S-H 凝胶体的Ca/Si由3.75降至1.75.低水胶比条件下不产生AFt晶体.【总页数】3页(P1-3)【作者】安明喆;王军民;崔宁;马亚峰【作者单位】北京交通大学,北京,100044;北京市市政工程研究院,北京,100037;北京市市政工程研究院,北京,100037;北京交通大学,北京,100044【正文语种】中文【中图分类】TU528.57【相关文献】1.型钢活性粉末混凝土组合结构研究综述 [J], 翟建恺;孙一天2.高温作用下活性粉末混凝土的孔结构研究 [J], Lin Jian;Gao Shuai;YinShouyi;Lu Liulei;Chang Yajun;Wang Junfeng3.不同粒径石英粉对活性粉末混凝土强度影响及微观结构分析 [J], 薛国杰;王传林;张佳苗;卢旭;刘泽平;张腾腾4.大掺量矿粉活性粉末混凝土性能与微结构研究 [J], 刘娟红;王栋民;宋少民;霍文霖5.型钢活性粉末混凝土组合结构研究与发展 [J], 王琨;时金雨;徐冠普;李新宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

混凝土中添加活性粉末的作用研究一、前言混凝土是一种广泛应用于建筑结构、道路、桥梁等领域的建筑材料。

在使用过程中，混凝土需要具备一定的强度、抗裂性和耐久性等性能。

为了提高混凝土的性能，人们开始尝试往混凝土中添加各种添加剂，其中活性粉末就是一种常见的添加剂。

那么，混凝土中添加活性粉末的作用是什么呢？本文将从多个方面进行探讨。

二、活性粉末的定义和种类活性粉末是指一种细颗粒状的材料，其颗粒大小通常小于45μm。

活性粉末有许多种类，如硅灰、矿渣粉、石灰石粉、膨胀珍珠岩、白云石粉等。

三、混凝土中添加活性粉末的作用1.提高混凝土的强度添加适量的活性粉末可以显著提高混凝土的强度。

这是因为活性粉末中的成分能够与水中的Ca(OH)2反应生成新的水化产物，从而促进水泥颗粒的反应和水化过程。

这种反应能够加速水泥化学反应的进行，从而提高混凝土的强度。

2.改善混凝土的工作性能添加适量的活性粉末可以改善混凝土的工作性能，如增加混凝土的流动性、减少混凝土的收缩、减小混凝土的温度应力等。

这是因为活性粉末中的细颗粒能够填充混凝土中的微孔隙，从而改善混凝土的工作性能。

3.提高混凝土的耐久性添加适量的活性粉末可以提高混凝土的耐久性。

这是因为活性粉末能够减少混凝土中的孔隙率，从而防止混凝土中的水分和气体的渗透。

此外，活性粉末中的成分还能与混凝土中的水化产物反应，从而形成致密的水化产物，从而提高混凝土的耐久性。

四、活性粉末对混凝土性能的影响因素1.活性粉末的类型不同类型的活性粉末对混凝土性能的影响是不同的。

比如，硅灰可以显著提高混凝土的强度，而石灰石粉则能够改善混凝土的工作性能。

2.活性粉末的掺量活性粉末的掺量对混凝土性能的影响也非常大。

一般而言，掺量在10%左右时可以获得最佳的效果。

但是，如果掺量过多，则会对混凝土的性能产生负面影响。

3.混凝土配合比混凝土配合比也会影响活性粉末对混凝土性能的影响。

一般来说，混凝土的水胶比较小时，活性粉末对混凝土的影响效果会更好。