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1、掺花岗岩石粉RPC的力学性能及微观结构研究O前言活性粉末混凝土(ReaCtiVePoWderConCrete,简称RPC),是一种超高强、高韧性、耐久性强和体积稳定性良好的水泥基复合材料U-L由于工艺复杂、成本昂贵，致使活性粉末混凝土的推广受到限制。目前研究主要集中在采用钢渣粉、超细粉煤灰、超细矿渣、稻壳灰等废料替代部分水泥和硅灰U切，利用河砂和机制砂石UO等替代石英砂，白云石粉、天然黄砂、矿渣I等替代石英粉制备RPC制备rpc。而福建是石材生产大省，每年产生大量石粉，污染环境，若将石粉替代石英粉用于RPC的制备，不仅可以降低RPC成本，而且还能节约资源、保护环境。关于这方面的研究，国内外均未
2、见有相关研究。因此研究花岗岩石粉掺入活性粉末混凝土后对RPC力学性能及微观结构的影响，不仅可以弥补这方面研究的空白，还具有重要的科学、环保意义和应用价值。1试验1.1 原材料水泥：试验用水泥为福建炼石牌水泥有限公司生产的P.O425普通混凝土硅酸盐水泥，比表面积361m2kg,烧失量1.07%。石英砂：由安徽晶优砂石销售有限公司生产，石英砂目数28-90目，SiOz含量达到了99.5%以上，Fe2030.02%o减水剂：福州创先工程材料有限公司CX-8聚粉酸减水剂，减水率25%。石英粉：安徽晶优砂石销售有限公司生产的325目以上的石英粉，其中SiCh含量达到了99.5%以上。花岗岩石粉：本试验
3、中所用的花岗岩石粉产自福建省连江县。比表面积为588kgm3.花岗岩石粉的化学成分见表1。表1花岗岩石粉的化学成分Tab.1Thechemicalcompositionofgranitestonepowder项目烧失量(%)SiO2(%)Al2O3(%)Fe2O3(%)CaO(%)MgO(%)K2O(%)Na2O(%)花岗岩石粉0.7283.212.021.762.310.543.394.721.2 试验方法1.2.1 成型清理钢模，去除试模内的杂物，然后在试模的内表面涂一层机油后再涂上一层脱模剂，以方便脱模后方面清理；将水泥、石英砂、石英粉、硅灰和花岗岩石粉按照配合比称量，倒入搅拌机内，干拌
4、3min;加入溶有减水剂的一半水，搅拌2min,在搅拌的过程中边搅拌边均匀的撒入钢纤维；最后加入溶有减水剂的另一半水，搅拌2-3min;将RPC拌合物浇注40mmx40mmx160mm三联模中，在振动台上振动4min(1.2.2 养护试件制备完成静置24h后拆模，拆模后转入蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压养护后转入标准养护室与采用标准养护的试件进行同条件养护至规定龄期。蒸压养护制度为，抽真空半小时，升温升压1小时，恒温恒压6小时，降压2小时，恒温温度为190200C,恒压压力为1.2MPa,1.2.3 粒径分布采用激光粒度仪MaSterSiZer2000,对试验石英粉、经处理的花岗岩石粉进行粒径分布
5、测试。1.2.4 流动度测定拌和物的流动度采用跳桌法，按水泥胶砂流动度测定方法(GB2419-1999)进行测定；1.2.5 微观测试采用福州大学测试中心的XL30ESEM-TMP型扫描电子显微镜对测试样品进行扫描电镜微观测试及电子微区扫描分析；XRD测试采用福州大学测试中心的X/PertProMPD型X射线粉末衍射仪进行XRD测试；采用北京金埃谱公司生产的V-Sorb2800孔结构分析仪进行孔结构试验。1.3 配合比设计试验的配合比见表2。表2掺花岗岩石粉活性粉末混凝土配合比设计Tab.2Reactivepowderconcretemixtureratiodesignofmixedgrani
6、testonepowder配合比水泥(kg)硅灰(kg)石英砂(kg)石英粉(kg)石粉ParticleSize(m)图2花岗岩石粉粒径分布曲线Fig.lTheparticlesizedistributioncurveofgranitestonepowder对比分析图1、2中分别可以得出石英粉与花岗岩石粉的粒径分布范围均主要集中在lm-100m之间，两者的颗粒分布均比较均匀，经过预处理的花岗岩石粉粒度分布曲线较石英粉的粒度分布曲线光滑，粒径分布曲线更趋于正态分布函数曲线，花岗岩石粉的粒径分布会较石英粉好。从Mastersizer2000的试验分析结果还可以得到石英粉、花岗岩石粉的中值粒径d(0
7、.5),d(0.5)为当累积百分量为50%时的粒径值，它反映了试验样品的平均大小情况，即用其表示样品的平均粒径，两者的中值粒径分别为11.399m12.765m,相差10.7%。综上所述，对比图1、2的石英粉与花岗岩石粉的粒径分布曲线及结合相关的粒径分析报告数据可以得出，用于本试验的石英粉与经预处理的花岗岩石粉在粒径分布上及颗粒的中值粒径基本一致。2.2 不同花岗岩石粉取代率对RPC流动度的影响不同花岗岩石粉取代量下的流动度如图3所示。198-.x花岗岩石扮取代率R)不同花丹网粉取代率RPC流动度变化规律182-180 -, I ,n m 2 d a 7 r Qn InnlInFig.3Dif
8、ferentrateofgranitestonetoreplacetheRPCfluiditychangerule从图3中可以看出当RPC中未掺有花岗岩石粉，即花岗岩石粉取代率为0%时，所测得配合比A活性粉末混凝土的流动度达到196mm,随着花岗岩石粉取代率的增加流动度逐渐降低，当花岗岩石粉取代率为25%时，流动度下降了2.04%,流动度变为192mm,当花岗岩石粉取代率为50%时，流动度下降了3.57%,流动度变为189mm；当花岗岩石粉取代率为75%时，流动度下降了5.61%,流动度变为185mm；当花岗岩石粉取代率为100%时，流动度下降了6.6%,流动度变为183mm。由此可看出用花岗
9、岩石粉完全替代石英粉后活性粉末混凝土的工作性下降了。2.3不同花岗岩石粉取代率对RPC力学性能的影响2.3.1 不同花岗岩石粉取代率对RPC抗折强度的影响在图4中给出了蒸压养护制度下，不同花岗岩石粉取代率活性粉末混凝土抗折强度的变化规律。从图4可以得出在蒸压养护制度下，RPC在各龄期的抗折强度随花岗岩石粉取代率的增加均没有发生显著的变化。以28d为例进行分析。RPC的抗折强度当花岗岩石粉取代率为0%（八）时，RPC的抗折强度为34.73MPa,随着花岗岩石粉取代率的增加首先出现了小幅度的下降，表现为当花岗岩石粉取代率分别为25%(B).50%(C)时，抗折强度分别下降了2.10%、0.17%变
10、为34MPa、34.67MPa：随着取代率的进一步增加，当取代率为75%(D)时RPC的抗折强度相对于配合比C又呈现小幅度下降，此时的抗折强度为34.52MPa,最后当花岗岩石粉的取代率为100%(E)时，RPC的抗折强度又有小幅度的上升，为34.96MPa,与取代率为0%的A组配合比34.09MPa的抗折强度相比较基本持平，扣除试验误差等因素后，可以说是相等的。从而说明了蒸压养护下，花岗岩石粉等量取代石英粉后，对RPC的抗折强度不会有太大的影响。38-36-铝32-J30-落2826-24-22-200102030405060708090100110花岗岩石粉取代率(%)图4不同花岗岩石粉取
11、代率蒸压养护RpC抗折强度变化规律Fig.4DifferentrateofgranitestonetoreplacetheautoclavecuringofRPCflexuralstrength2.3.2不同花岗岩石粉取代率对RPC抗压强度的影响在图5为蒸压养护制度下不同花岗岩石粉取代率活性粉末混凝土各龄期(3d、7d.28d)的抗压强度的变化规律。在图5中RPC的抗压强度在蒸压养护条件下随花岗岩石粉取代率的增加变化均不是很大。以养护龄期28d为例,不同花岗岩石粉取代率RPC的抗压强度分别为196.74MPa、199.77MPa.199.06MPa.195.38MPa196.82MPa,各取代
12、率时的抗压强度与花岗岩石粉取代率为0%时的196.74MPa抗压强度相比,增长的幅度分别为1.54%、Ll8%、0.69%、0.04%,增长幅度在2%左右，即花岗岩石粉取代率的增加对RPC的抗压强度影响很小。图5不同花岗岩石粉取代率蒸压养护RPC抗压强度变化规律Fig.5DifferentgranitestonepowderinsteadrateofautoclavecuringRPCflexuralstrengthchangerule2.3.3不同花岗岩石粉取代率对RPC压折比的影响断裂韧性是材料柔韧性物理量的反映,它是以材料单位体积在断裂时吸收的能量为测量单位，用压折比（抗压强度与抗折强度
13、的比值）来表征。如果材料的断裂韧性越小，即压折比越小，则材料的抗弯性能就越好，脆性也就越小，反之亦然。蒸压养护制度下不同花岗岩石粉取代率对RPC的断裂韧性变化规律的影响如图6所示。在图6中，蒸压养护下，各龄期的RPC压折比随花岗岩石粉取代率的增加，变化规律都差不多，以28d为例。当花岗岩石粉取代率为0%时，RPC的压折比为5.67,随着花岗岩石粉取代的增加，从图6中可以看出，RPC压折比变化不是很大，当取代率分别为25%、50%、75%、100%时,RPC的压折比较取代率为0%时增长的幅度分别为3.70%、1.23%、-0.18%-0.71%,幅度变化很小，此时的压折比分别为5.885.74、
14、5.66、5.63,即可以认为掺有花岗岩石粉RPC的压折比与未掺有花岗岩石粉RPC的压折比相差无几，将花岗岩石粉等量替代石英粉后对RPC的断裂韧性并不会有较大影响，RPC脆性不会增大。图6不同花岗岩石粉取代率蒸压养护RPC压折比的变化规律Fig.6DifferentgranitestonepowderinsteadrateofautoclavecuringRPCcompressivestrengthchangerule2.4掺花岗岩石粉RPC的微观结构研究2.4.1 蒸压养护制度掺花岗岩石粉RPC的ESEM试验结果在图7图8与图9图10中分别给出了蒸压养护制度配合比A、ERPC水化产物微观形貌
15、、RPC的基体微观形貌以及RPC基体与骨料的结合区的微观形貌。从图7a、b与图9a、b的对比中可以看出在蒸压养护制度下，RPC在蒸压养护条件下的水化产物主要是大小为l-2m的薄片状托勃莫来石晶体，密密麻麻的相互交错分布在基体上。这主要是因为，在高温蒸压条件下，加快了水泥的水化进程以及促进了硅灰与石英粉掺与到二次水化，进而生成数量极多的薄片状托勃莫来石晶体。另外，在图7a中几乎找不到有六方片状的Ca(OH)2晶体存在，这同样说明了在高温蒸压养护条件下，RPC的二次水化已经比较充分，致使水泥水化产生的Ca(0H)2的量被大部分消耗掉，所以在产物中几乎找不到有Ca(0H)2的存在。图8a为配合比AR
16、PC基体的微观形貌，从图中可以看出，经过高温蒸压养护后，RPC的整个基体结构较为密实，在基体上基本找不到有六方片状的Ca(0H)2存在，C-S-H凝胶连成块状并形成整体，在基体上并没有明显的裂纹存在。从图8b可以看出，在高温蒸压养护条件下，骨料与基体间的界面非常明显且非常的致密，石英砂与基体间的界面上并没有微裂缝形成，密实的基体相与嵌固在基体相中的骨料颗粒组成了RPC的密实结构，石英砂颗粒被紧紧的包裹在基体相中。石英砂与周围的水化产物相一起形成反应性的界面，骨料相与基体相连接非常平稳光滑，界面相互结合致密，两者之间的界面过渡区已经观察不到。表明,在蒸压养护条件下，石英砂表面与RPC水化产物粘结
17、紧密，且在界面上没有发现微裂纹存在，且孔洞较少。(a)2000(b)5000图7配合比A蒸压养护水化产物微观形貌Fig.7ThehydrationproductsmicrostructureofmixAinautoclavecuring(a)基体ESEM图(b)基体与骨料结合区ESEM图图8配合比ARPC蒸压养护基体及基体叮骨料结合区ESEM图Fig.8 The matrix and interface structure of mix A in autoclave curing ESEM figure(a) 2000 (b) 5000 图9配合比E蒸压养护水化产物微观形貌Fig.9 The
18、hydration products microstructure of mix E in autoclave curing(a)基体ESEM图(b)基体与骨料结合区ESEM图图10配合比ERpC蒸压养护基体及基体与骨料结合区ESEM图Fig.10 The rnatrix and interface structured ESEM figure of mix E in autoclave curing2.4.2蒸压养护制度掺花岗岩石粉RPC的EDS试验结果图11为配合比A、E蒸压养护后水化产物，即图7、9中水化产物的电子微区扫描能谱图。从能谱图中可以看出该水化产物的元素主要为Ca.Si,还含有
19、少量的微量元素Mg、Al、K,再配合比E中还有少量的元素Na存在，在EDS中有这些微量元素存在主要是因为水化过程中产生的C-S-H凝胶吸附了原材料中存在的一些杂质，这些杂质中就含有少量的微量元素，在第二章原材料的组成成分中可以看出。其中图7中水化产物的Ca/Si为0.811,图9中水化产物的CaZSi为0.792。两者的Ca/Si相差不大，接近0.80,可以认为该水化产物即为托勃莫来石晶体。图11配合比A、ERPC蒸压养护水化产物EDS图谱Fig.l1ThehydrationproductsEDSmapofmixAandEinautoclavecuring243蒸压养护制度不掺花岗岩石粉RPC
20、的XRD试验结果图12为蒸压养护后配合比A、E的XRD图谱。从两图中对比可以看到用花岗岩石粉完全取代石英粉后在蒸压条件下，两者的物相均主要为SiO2、Tobermorite.C-S-H,并无明显差别，两图中SiOz的衍射峰均比较高。虽然两者的物相并无明显差别，但是两者的XRD图谱还是不一样。其中比较明显的是配合比EXRD图谱中部分SiO2的衍射峰较配合比AXRD图谱中SiO2的衍射峰低，这主要是因为花岗岩石粉中含有的SiCh成分较石英粉低，在高温蒸压条件下，SiCh的溶解度提高,用花岗岩石粉完全取代石英粉后，同样在高温蒸压下，所测得的Si2部分位置就相对较低。一SiOzTobcrmorite*
21、_C-S-H图12配合比A、E标准养护28dXRD图Fig.12TheXRDmapofmixAandEinautoclavecuring2.4.4蒸压养护制度掺花岗岩石粉RPC的孔结构试验结果图13为蒸压养护配合比A、ERPC的孔径分布曲线图，表3、表4分别为蒸压养护配合比A、ERPC的不同孔径范围孔隙体积分布，蒸压养护配合比A、ERPC的不同孔径范围总孔体积。从图13中可以得知配合比A、E在蒸压养护条件下的孔径分布均主要集中Ionm以下，其最可几孔径分别为2nm、2.2nmo再结合表3可得两者的平均孔径分别为8.67nm.7.70nm,两者的平均孔径相差很小，只相差11.19%；此外从表4可
22、知两者的累积孔体积分别为0.001619mLg.0.00141mLg,两者的累积孔体积相差12.91%；从表3与4中均可以看出，在蒸压养护后配合比A、E中存在的孔主要还是以无害孔为主、少害孔及有害孔为辅，存在的多害孔可以忽略不计；虽然少害空与有害孔还占有一定的比重也相对较多，但这主要是因为少害孔的孔径较大，所以其所显示出的孔体积比较大，在总孔体积中所占的比值也就相对较多，实际上其孔数量是不多的，所以在A、E中RPC的孔还是以无害孔为主。从以上对图13、表3、表4的详细分析可知,采用花岗岩石粉完全取代石英粉用于RPC,在蒸压养护制度下，对RPC的孔结构不会产生大的影响。出现这种情况主要是因为经过
23、预处理后的花岗岩石粉与石英粉具有相似的粒径分布，甚至粒径分布比石英粉更加的均匀，其二，花岗岩石粉与石英粉再标准养护制度下并不具有活性，不参与到水化反应中，在RPC中主要起填充的作用，由于配合比A与E其它的胶凝材料均完全一样，所以水化反应的速度与水化产物均相同，水化反应生成的水化产物填充水泥石中的空隙也基本相同，所以两者水化反应对孔结构的影响相同，综上，反应出的配合比A、E具有类似的孔结构。0.00040 -配合比A配合比E0.00035-0.00030 -图13配合比A、E蒸压养护孔径分布曲线图Fig.l3PoresizedistributioncurveofmixAandEinautocla
24、vecuring表3配合比A、E蒸压养护不同孔径范围孔隙体积分布Tab.3ThescopeofdifferentdiameterporevolumedistributionofmixAandEinautoclavecuring配合比类别平均孔径(nm)孔径分布()无害孔(20Onm)A8.6760.8217.3014.437.45E7.7066.7415.5317.730表4配合比A、E蒸压养护不同孔径范围总孔体积(mUg)Tab.4ThemixAandEtotalporevolumeofdifferentaperturerangeinautoclavecuring配合比类别累积孔体积(mlg
25、)孔体积分布无害孔(20Onm)A0.0016190.0009850.0002800.0002340.000120E0.001410.0009410.0002190.0002502.5机理分析综合对比分析了配合比A、E在蒸压养护制度下RPC的水化产物微观形貌、基体相的微观形貌、基体相与骨料相间的界面结合区的差异后，可以得出用花岗岩石粉完全取代石英粉后，在蒸压养护下，RPC的微观结构并没有发生明显的变化，两者的微观结构具有较高的相似性，这主要是因为在RPC二次水化反应中起主要作用的是硅灰，本实验配合比中的硅灰用量保持不变，此外，因为花岗岩石粉与石英粉在高温蒸压下具有相似的活性8I,且高温作用下，
26、石英粉在RPC中掺与二次水化的量并不多，所以用花岗岩石粉完全取代石英粉用于RPC后，RPC的微观结构不会有显著的变化，因此表现在宏观的力学性能上为用花岗岩石粉完全取代石英粉后，采用蒸压养护的RPC抗压强度与抗折强度均并没有显著变化。3结论1、蒸压养护制度下，采用花岗岩石粉完全取代石英粉用于RPC后，RPC的力学性能不会降低，基本维持在原来的水平。2、蒸压养护制度下，掺花岗岩石粉RPC的水化产物微观形貌以l-2m的薄片状托勃莫来石晶体为主、水化产物Ca/Si为0.792。3、蒸压养护制度下，掺花岗岩石粉RPC的最可几孔径为2nm,平均孔径为7.70nm,累计孔体积为0.00141mLg,孔隙以2
27、0nm以下的无害孔为主。参考文献1 ChanYW,ChuSH.Effectofsilicafimeonsteelfiberbondcharacteristicsinreactivepowderconcrete.CementandConcreteResearch,2004,34:1167-1172.2 MorinV,Cohen-TenoudjiF,FeylessoufiA,etal.Evolutionofthecapillarynetworkinareactivepowderconcreteduringhydrationprocess.CementandConcreteResearch2002,
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