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收稿日期:2003205212;修订日期:2003211213作者简介:阎培渝(19552),男,重庆人,清华大学教授,博士生导师,博士. 文章编号:100729629(2004)022*******复合胶凝材料的初期水化产物和浆体结构阎培渝, 韩建国(清华大学土木水利学院,北京100084)摘要:利用XRD 和ESEM 研究了由硅酸盐水泥、矿物掺和料和膨胀剂组成的复合胶凝材料的初期水化产物和浆体结构.结果表明:水化产物在水化6h 时刚开始成核生长,生成纤维状CSH 晶须和六方片状钙矾石微晶,并有过渡性水化产物钾石膏片状晶体和K 2SO 4生成.复合胶凝材料水化1d 后,水化产物大量生成,主要为CSH 凝胶、Ca (OH )2和钙矾石,并形成致密的浆体结构.关键词:环境扫描电镜;复合胶凝材料;初期水化产物;浆体结构中图分类号:TQ172.1 文献标识码:AE arly 2age H ydrates and Paste Structure of Complex BindersYA N Pei 2yu , HA N Jian 2guo(School of Civil Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )Abstract :The early 2age hydrates and paste structure of complex binders composed of Portland cement ,mineral admixture and expansive agent were investigated with XRD and ESEM.The hydrates begin to nucleate at the 6th hour.Fiber 2form CSH and plate 2form ettringite microcrystals ,as well as temporary products of syngenite and K 2SO 4are formed in this period.A large amount of hydration products ,mainly CSH ,Ca (OH )2and ettringite ,are formed after 1day to produce a dense paste.K ey w ords :environmental scanning electron microscopy (ESEM );complex binder ;early 2age hy 2drate ;paste structure 水泥的水化初期阶段可持续约24h.在这段期间,水泥水化反应进行剧烈,水化产物迅速生成,浆体结构明显变化,硬化浆体结构初步形成.水泥水化硬化的初期阶段是决定其性能的最重要时期.其后,水化反应速率大幅度降低,进入衰退期,硬化浆体结构则缓慢而平稳地变化[1].人们在研究水泥水化硬化过程时,经常采用X 射线衍射分析和扫描电镜来确定其水化产物种类,观察硬化水泥浆体的微观形貌,从而解释水泥水化机理和硬化浆体结构形成机制,探讨水化产物和微观结构对于水泥性能的影响.近年发展起来的环境扫描电镜其特点为:含水样品可以不经干燥,不需喷镀导电膜而直接放入电镜进行实时观察,非常适用于观察水泥的水化硬化过程.利用环境扫描电镜进行研究,已经获得了一些新知识,并据此对水泥的主要水化产物———CSH 凝胶的形成机理和结构形式提出了新的解释[2,3].我国现在大量使用补偿收缩混凝土来浇筑建筑物的大体积混凝土底板或地下室连续墙等结构,这种混凝土所用胶凝材料通常含有硅酸盐水泥、粉煤灰和膨胀剂等多种组分,各组分相互影响,使其水化硬化过程较为复杂.本文利用X 射线衍射分析和环境扫描电镜观察了由硅酸盐水泥、粉第7卷第2期2004年6月建 筑 材 料 学 报JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol.7,No.2J un.,2004煤灰和膨胀剂组成的复合胶凝材料的初期水化产物和浆体结构,并探讨了复合胶凝材料的水化机理.1 实验实验所用原材料为P ・O 42.5纯硅酸盐水泥(OPC )、一级粉煤灰(FA )、磨细高炉矿渣(GG BS )和U EA 膨胀剂(SWC ),原材料的化学组成见表1.试样组成分别为:(1)100%(质量分数,余同)OPC ;(2)92%OPC +8%SWC ;(3)62%OPC +30%FA +8%SWC ;(4)62%OPC +30%GG BS +8%SWC.水胶比为0.5和0.3.样品按比例配料,混合均匀,加水拌合均匀,按不同龄期分别放入密封的塑料筒中,在20°C 下养护至规定龄期,取出样品,切取1小块,放入环境扫描电镜观察.另取部分样品,在无水乙醇中磨细,过滤,然后在30°C 下烘干0.5h 以停止水化,用XRD 分析,确定水化产物.表1 原材料的化学组成T able 1 Chemical compositions of ra w m aterialsw /%Material SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3CaO MgO K 2O Na 2O SO 3IL OPC 19.6 4.5 2.362.9 1.4 1.220.19 3.20 4.5FA 52.625.87.5 3.5 1.9 3.600.750.38 3.1GG BS 36.012.40.839.78.00.550.300.200SWC23.912.51.619.62.40.730.1131.756.2 所用电镜为Philips XL30ESEM 2FEG 场发射环境扫描电镜,采用二次电子像观察,加速电压25kV ,样品腔内气体压力5～10Torr (1Torr 相当于133.322Pa ).XRD 分析采用Siemens D 25000X 射线衍射仪,铜靶,2θ范围为8°～60°,扫描速度为2°/min.图1 水化6h 时胶凝材料浆体的XRD 谱(m W /m B =0.3)Fig.1 XRD patterns of binder pastes hydrated for 6h2 结果与讨论4种胶凝材料水化6h 后的XRD 结果(图1)显示,此时水化产物的量很少,硅酸盐相水化反应的主要产物之一Ca (OH )2的特征峰难于辨认,硫铝酸盐水化产物钙矾石的特征峰很弱;硅酸盐熟料矿物A 矿(C 3S )和B 矿(C 2S ),以及膨胀剂的主要成分之一硬石膏的特征峰很强.由水泥化学基本原理可知,硅酸盐水泥与水接触开始水化后的最初数小时内水化速度很慢,反应处于潜伏期.在此期间形成的水化产物刚开始成核生长并相互搭接,使塑性浆体逐渐失去流动性.根据水化放热过程的测量结果可知,水化开始6h 后,胶凝材料刚刚结束诱导期,水化反应开始加速进行[4].图2为样品2水化6h 后的显微形貌,此时水化潜伏期刚刚结束,水化产物量少,相互搭接不多,在图中可以分辩出独立的水泥颗粒,并可见在这些水泥颗粒表面已经覆盖有非常细小的水化产物晶核;在水泥颗粒之间,分布着一些片状晶体,经能谱分析确认,它们是过渡性水化产物钾石膏(K 2Ca[SO 4]2・H 2O )晶体.由于所用水泥和粉煤灰中含有较多K 2O ,其遇水溶出后,将与体系中的硫酸盐反应,除生成钾石膏外,还生成K 2SO 4,也富集沉淀在粉煤灰颗粒表面(图3).这2个反应将会302 第2期阎培渝等:复合胶凝材料的初期水化产物和浆体结构 影响体系中硫酸钙的溶解与反应过程,从而对胶凝材料的凝结性能产生影响,但具体的影响机理和效果尚需进一步的系统研究.王培铭等[5]在研究蔗糖对硅酸盐水泥的水化和凝结作用原理时指出,由于蔗糖加速水化,高钾碱硅酸盐水泥可反应生成钾石膏和K 2SO 4.但他们给出的钾石膏和K 2SO 4的形貌与本文所观察到的有所不同.以前由于通常在水化1d 或3d 时取样观察,所以难于观察到这些水化产物.国内的水泥研究者对于这些水化产物的形貌是比较陌生的,很可能将他们与叠层生长的水化产物Ca (OH )2片状晶体相混淆.图4显示浆体中存在刚生成的1～2μm 沿C 轴叠层生长的Ca (OH )2片状六方晶核.与图2所示钾石膏片状晶体相比,可见二者有明显区别.在水泥颗粒表面生成的水化产物晶核可以分为两类.一类为纤维状的CSH 微晶,另一类为六方片状的钙矾石晶核(图5).传统的水泥化学理论认为,CSH 是一种结晶很差的凝胶体,而钙矾石是六方针状或棒状晶体.本文所示观察结果显示,在水泥水化初期,CSH 生成小于1μm 的晶须,而钙矾石则以六方片状晶核形式存在.图2 样品2水化6h 后的显微形貌Fig.2 Micromorphology of sample 2hydrated for 6h图4 叠层生长的Ca (OH )2晶体Fig.4 Layeredly formed Ca (OH )2crystals图3 粉煤灰颗粒表面沉积的K 2SO 4Fig.3 K 2SO 4deposited on fly ashparticles图5 样品2水化6h 后生成的CSH 晶须和片状钙矾石晶核Fig.5 CSH fiber 2form microcrystals andplate 2form ettringite nuclei in sample 2hydrated for 6h 当复合胶凝材料中含有粉煤灰时,由于粉煤灰的火山灰反应需要水泥水化生成的Ca (OH )2来激发,而且反应速度很慢,通常认为在水化初期粉煤灰对水化进程没有明显作用.ESEM 观察(图6)显示,样品3水化6h 后,粉煤灰球形颗粒表面散布着许多微小的水化产物晶核.它们不是在粉煤灰颗粒表面就地生成,而是通过溶解-结晶机制沉淀在其表面,因此具有规则的外形.粉煤灰颗粒提供了大量水化产物的初始形核点.体系内形核点增多,可促进复合胶凝材料中水泥组分的水化.使体系总的水化速率增加.与纯硅酸盐水泥相比,复合胶凝材料的水化速率降低幅度并不与其中粉煤灰的掺量成正比.水胶比为0.5的样品,由于体系内水分供应充裕,初期水化反应更为容易,在粉煤灰颗粒表面沉积的水化产物明显多于水胶比为0.3的样品.402 建 筑 材 料 学 报第7卷 (a )m W /m B =0.3(b )m W /m B =0.5图6 样品3水化6h 后在粉煤灰颗粒表面沉淀的水化产物晶核Fig.6 Hydrate nuclei deposited on fly ash particles in the sample 3hydrated for 6h图7 水化1d 时胶凝材料浆体的XRD 谱Fig.7 XRD patterns of binder pastes hydrated for 1d 4种胶凝材料水化1d 后的XRD 结果(图7)显示,硅酸盐熟料矿物A 矿(C 3S )和B 矿(C 2S ),以及膨胀剂的主要成分之一硬石膏的特征峰已经明显减弱,Ca (OH )2大量生成,钙矾石的特征峰增强.水化开始后6h 到1d 是胶凝材料水化反应剧烈进行的阶段.水化产物迅速增加,硬化浆体结构基本形成(见图8).此时CSH 凝胶与钙矾石晶体混杂,形成致密的硬化浆体基体,部分尚未水化的熟料颗粒镶嵌在基体中.图8(a )右部显示了样品制备过程中熟料颗粒被拔除而留下的空洞,在洞壁上可以看到棒状钙矾石晶体.熟料颗粒表面光滑,没有水化产物附着,在熟料颗粒与水化产物基体之间存在明显的缝隙,表明此时熟料尚主要以溶解-结晶的方式发生水化反应,生成外部水化产物.熟料颗粒体积逐渐缩小,最终可能形成中空的Hadley 粒子[6],或者由后期的局部水化反应生成的内部水化产物来填充这些缝隙.水胶比不同,浆体的致密程度不同,浆体的显微形貌也不同.图8还显示,在水胶比为0.3的浆体中,水化产物相互紧密堆积,形成无特征形貌的致密结构;而水胶比为0.5的浆体有较多空间供水化产物生长,图中明显可见纤维状CSH 生长于单个颗粒表面,而棒状钙矾石则成簇聚集在颗粒间隙中.由于浆体结构疏松,所以虽然水化产物量多,发育完好,但其性能并不一定好.(a )m W /m B =0.3(b )m W /m B =0.5图8 样品2水化1d 后的显微形貌Fig.8 Micromorphology of sample 2hydrated for 1d502 第2期阎培渝等:复合胶凝材料的初期水化产物和浆体结构 比较图1和图7中硬石膏的特征峰强度可以发现,在水化6h 时,由于水化加速期刚刚开始,各样品的水化程度基本相同,所以图1中各样品的硬石膏特征峰强度基本相同.到水化1d 后,各样品的水化速率呈现差异.由硅酸盐水泥和膨胀剂组成的样品2的硬石膏峰强最弱,显示大部分膨胀剂已经参与反应;而含有矿物掺和料的样品3和样品4则仍有较多的硬石膏未参与反应.含活性较低的粉煤灰的样品3中,剩余硬石膏的量多于含活性较高的矿渣的样品4.这种反应程度差异导致了硬化浆体中钙矾石生成量的不同,最终将影响补偿收缩混凝土的体积变化性能.含有粉煤灰的复合胶凝材料经过1d 水化后,在粉煤灰颗粒表面沉积的水化产物量大大增加,并相互搭结,将粉煤灰颗粒粘结为一个整体(图9).水化初期形成的K 2SO 4仍然存在,散布在CSH 凝胶基体中(图10).与仅由硅酸盐水泥和膨胀剂组成的样品2相比,由硅酸盐水泥、粉煤灰和膨胀剂组成的样品3的硬化浆体中,钙矾石的含量较少.虽然在XRD 图谱中可以辨认出钙矾石的特征峰(图7),但ESEM 观察却难于发现钙矾石晶体(图9,10).可见这2种不同组成的胶凝材料的水化机理和浆体结构是存在差异的.图9 水胶比为0.3的样品3水化1d后的显微形貌Fig.9 Micromorphology of sample 3with m W/m B =0.3and hy 2drated for 1d图10 水胶比为0.5的样品3水化1d 后,K 2SO 4颗粒散布在CSH 凝胶基体中Fig.10 K 2SO 4particles scattering in CSH matrix in sample3with m W /m B =0.5and hydrated for 1d3 结论 1.硅酸盐水泥、矿物掺和料和膨胀剂组成的复合胶凝材料水化6h 时,水化产物开始成核生长,生成纤维状CSH 晶须和六方片状钙矾石微晶,并有钾石膏和K 2SO 4过渡性产物生成.2.复合胶凝材料水化1d 后,水化产物大量生成,主要为CSH 凝胶、Ca (OH )2和钙矾石晶体,形成致密的浆体结构.此时硅酸盐水泥熟料主要以溶解-结晶反应机制为主,生成致密的外部水化物层,并将粉煤灰颗粒粘结成为整体.参考文献:[1] Hewlett P C.Lea ’s chemistry of cement and concrete.4th edition[M ].London :Arnold ,1998.2632269.[2] Moser B.Der Einsatz eines ESEM 2FEG fuer hochaufloessende und mikroanalytische Untrsuchungen originalbelassener Baustoff 2proben[A ].Stark J.Proceedings of 14th Internationale Baustofftagung[C].Weimar ,G ermany :[sn ],2000.892114.[3] Stark J ,Moser B ,Bellmann F.New approaches to ordinary Portland cement hydration in the early hardening stage[A ].Proceed 2ings of the 5th International Symposium on Cement and Concrete[C].Shanghai :Tongji University Press ,2002.56270.[4] 阎培渝,徐志全.水胶比和组成对补偿收缩胶凝材料的水化反应的影响[J ].硅酸盐学报,2003,31(8):7902794.[5] 王培铭,Ludwig U.蔗糖对波特兰水泥的水化和凝结的作用原理[J ].建筑材料学报,1998,1(1):36242.[6] Taylor H F 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