圖像法分析玻化微珠對粉煤灰加氣混凝土的增強機理

王琴，尹明干，黃婷

（鹽城工學院 土木學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

加氣混凝土是以硅質材料和鈣質材料為主要原材料，加入發(fā)氣劑、穩(wěn)泡劑和水攪拌成型的一種孔隙率高達80%以上的輕質材料，主要產物是以托貝莫來石為主的水化硅酸鈣（C－S－H）[1]。而托貝莫來石是由氧化鈣和氧化硅反應而得，灰加氣混凝土是以粉煤灰為氧化硅主要來源的加氣混凝土。作為一種綠色環(huán)保的建筑材料，加氣混凝土得到越來越廣泛的應用，但是加氣混凝土存在強度低、抗凍性能差，收縮變形大等問題[2]。?；⒅槭且环N酸性玻璃質熔巖礦物質材料，氣孔封閉，具有質輕、保溫、絕熱、防火等優(yōu)異性能，是一種環(huán)保型高性能無機輕質絕熱材料[3-5]?；炷林屑尤胍欢ū壤牟；⒅?，可以提高混凝土的保溫性能、防火性能及耐久性等[6]。

加氣混凝土從20世紀20年代發(fā)展至今已有幾十年的歷史，國內外的研究發(fā)現(xiàn)，C－S－H含量與加氣混凝土的收縮成正比，C－S－H向托貝莫來石轉化可有效減小收縮。由此，托貝莫來石晶體與C－S－H凝膠的含量對灰加氣混凝土的性能有較大的影響。

本課題基于BES圖像分析方法對摻入?；⒅榈幕壹託饣炷梁推胀ɑ壹託饣炷馏w系中的托貝莫來石晶體和C-S-H凝膠進行定量分析，計算出這2種加氣混凝土體系中托貝莫來石晶體與C-S-H膠體的體積率，從而分析玻化微珠對灰加氣混凝土的改性機理，提高加氣混凝土的性能。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥，江蘇八菱海螺水泥有限公司生產，其化學成分見表1。

表1 水泥的化學成分 %

（2）?；⒅椋汉幽闲抨柶綐蛑性渲閹r廠生產，其物理性能見表2。

表2 ?；⒅榈奈锢硇阅?/p>

（3）二水石膏：分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產。白色單斜結晶或結晶性粉末，無氣味，有吸濕性，128℃失去1分子結晶水，163℃全部失水。溶于酸、硫代硫酸鈉和銨鹽溶液，溶于400份水，在熱水中溶解較少，極慢溶于甘油，幾乎不溶于乙醇和多數(shù)有機溶劑。相對密度2.32，有刺激性。通常用作發(fā)氣過程的調節(jié)劑。

（4）石灰：采用徐州華鑫鈣業(yè)有限公司生產的石灰粉。對石灰的質量要求：有效氧化鈣含量＞60%，MgO含量＜7%。

（5）粉煤灰：鹽城發(fā)電有限公司產，符合JC/T 409—2016《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》中的Ⅱ級灰標準，其主要技術指標見表3。

表3 粉煤灰的技術指標

（6）鋁粉：分析純，天津市大茂化學試劑廠。

（7）穩(wěn)泡劑：LAB30月桂酰胺丙基甜菜堿，無色至淺黃色透明粘稠液體，活性物含量30%，游離胺≤1%，氯化鈉含量≤8%，pH值6.0～8.0上海雪捷化工有限公司生產。

（8）水：自來水。

1.2 加氣混凝土的制備

按表4配方，將粉煤灰、石灰、水泥、石膏稱量后放入攪拌鍋中攪拌60 s，加入50～70℃的水攪拌60 s，漿體攪拌均勻后加入鋁粉，再攪拌60 s，然后再加入?；⒅橐黄饠嚢? min。將料漿倒入模具中，用保鮮膜封住模具上表面，將模具放入50℃恒溫養(yǎng)護箱中靜停養(yǎng)護4 h后把膨脹出模具表面的面包頭切掉，繼續(xù)養(yǎng)護到12 h后拆模。將試塊放入蒸壓釜中進行蒸壓養(yǎng)護，蒸壓溫度為180℃，養(yǎng)護壓力為1 MPa，養(yǎng)護10 h。普通灰加氣混凝土和玻化微珠加氣混凝土的配合比見表4。

表4 加氣混凝土的配合比 g

1.3 測試與表征

1.3.1 性能測試方法

加氣混凝土的抗壓強度、干密度、抗折強度以及導熱系數(shù)按GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》測試。

1.3.2 微觀分析

敲取粒徑8～10 mm的試樣，在無水乙醇中浸泡48 h后，在（105±5）℃烘干至恒重，置入干燥器內備用。試驗前，將試樣用環(huán)氧樹脂浸漬，待樹脂固化后，經切割、拋光、真空干燥和噴金處理，在JSM5610LV SEM分析儀上進行觀察。

2 結果分析與討論

2.1 加氣混凝土的性能

普通灰加氣混凝土和玻化微珠加氣混凝土的性能見表5。

表5 加氣混凝土的性能

由表5可見，摻入?；⒅榈募託饣炷僚c不摻?；⒅橄啾?，干密度有所增大，導熱系數(shù)有明顯的降低，抗折強度有所提高，而抗壓強度變化不明顯。

2.2 ?；⒅閷託饣炷廖⒂^形貌的影響

圖1為2種加氣混凝土的SEM照片。

圖1 加氣混凝土微觀形貌

從圖1（a）可以看出，水化產物托貝莫來石晶體成片狀，晶體較大，結晶度較高，為試件提供了一定的強度，但是晶體之間孔隙較大且不均勻，結構不致密。從圖1（b）可以看出，與圖1（a）不同，圖1（b）中的水化產物托貝莫來石晶體較小，但分布較均勻，孔隙分布也均勻。

2.3 玻化微珠對加氣混凝土水化硅酸鈣含量的影響

2.3.1 BSE分析結果

圖2為普通灰加氣混凝土和?；⒅楦男曰壹託饣炷恋腂SE圖像，經過Phtoshop和Matlab軟件的處理獲得等高線圖見圖，不同顏色代表了不同的水化產物以及未反應的物質。提取出圖3中的托貝莫來石晶體和C－S－H凝膠，分布情況分別見圖4和圖5。

圖2 加氣混凝土的BSE圖像

圖3 加氣混凝土的數(shù)字圖像

圖4 加氣混凝土中的托貝莫來石晶體分布

圖5 加氣混凝土中的C－S－H凝膠分布

對圖 4（a）、（b）及圖 5（a）、（b）分別進行二值化處理分析，計算出托貝莫來石晶體和C－S－H凝膠的體積率，結果見表6。

表6 加氣混凝土水化硅酸鈣含量

由表6可知，普通灰加氣混凝土和玻化微珠改性灰加氣混凝土的晶體體積率較為接近，但膠體體積率相差較大，?；⒅楦男曰壹託饣炷恋哪z體體積率是普通灰加氣混凝土的1.5倍。?；⒅楦男曰壹託饣炷恋乃a物的總體積率也要高于普通灰加氣混凝土。

2.3.2 二次電子圖像灰值分布

對圖2所示二次電子圖像進行灰度級分析，結果如圖6所示。其中橫坐標表示灰度級，縱坐標表示某個灰度對應的像素，主要反應圖中某一種灰度出現(xiàn)的頻率[7]?；叶燃売筛咧恋头謩e對應的是未水化熟料、水化產物和孔隙[8-10]。

圖6 加氣混凝土10000倍二次電子圖像的灰級分布

圖6（a）中灰度級192后還有峰，而圖6（b）中在灰度級192后峰已經完全消失，說明改性后的加氣混凝土未水化熟料減少。與圖6（a）不同，圖6（b）中灰度級80之前的峰消失，可見經玻化微珠改性后加氣混凝土的孔隙率有所降低。

2.3.3 ?；⒅閷壹託饣炷恋脑鰪姍C理

結合表6中晶體和膠體的體積率和圖1所示的2種加氣混凝土的SEM圖像可知，2種加氣混凝土的水化產物中托貝莫來石晶體的體積率相差不大，?；⒅閷壹託饣炷恋目箟簭姸忍岣卟欢?，主要是使得晶體變小，且分布較均勻；而?；⒅榧託饣炷恋漠a物中膠體量是普通灰加氣混凝土的1.5倍，C－S－H凝膠量的增加提高了晶體之間的粘結力，故普通灰加氣混凝土與?；⒅榧託饣炷恋目箟簭姸炔罹嗪苄　２；⒅榧託饣炷林心z量增大，晶體較小，分布均勻，使得試件的干密度增加，導熱系數(shù)減小，提高了保溫性能[11－12]。

綜上，玻化微珠的加入使得產物中的晶體量有所提高，但晶體變小，而凝膠量有較大的提高，從而，提高了加氣混凝土的保溫性能。

3 結語

（1）摻入玻化微珠的加氣混凝土與不摻?；⒅橄啾?，干密度有所增大，導熱系數(shù)有明顯的降低，抗折強度有所提高，而抗壓強度變化不明顯。

（2）從微觀角度分析，摻入玻化微珠后水化產物中的托貝莫來石晶體變小，總量有所提高，所以抗壓強度變化不明顯；而C－S－H凝膠量的增加，晶體分布均勻，孔隙分布均勻，表現(xiàn)為干密度的提高，導熱系數(shù)降低，抗折強度也有所高。但是，由于加氣混凝土的不均勻性，在微觀分析時要注意在不同部位取試樣，SEM掃描也要注意多掃幾個點，以降低試驗結果的離散性。

[1] 彭軍芝，彭小芹.加氣混凝土的結構與性能研究進展[J].材料導報，2011，25（1）：89-93.

[2] 劉艷軍，陳伯田，陳玉.加氣混凝土國內外發(fā)展回顧[J].建筑節(jié)能，2013（3）：30-34.

[3] 楊小華，陳傳飛，楊博，等.?；⒅榕c閉孔膨脹珍珠巖的性能比較[J].新型建筑材料，2009（4）：42-44.

[4] 溫久然，劉開平，耿飛等.粉煤灰對加氣混凝土性能的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2013，33（4）：35-39.

[5] 尹明干，奚新國，馬愛群.?；⒅閷託饣炷列阅艿挠绊慬J].揚州大學學報（自然科學版），2013，16（4）：79-81.

[6] 張澤平，樊麗軍，李珠，等.?；⒅楸鼗炷脸跆絒J].混凝土，2007（11）：46-48.

[7] 張倩倩，魏亞.基于背散射電子圖像的礦渣-水泥復合體系反應程度的定量分析[J].硅酸鹽學報，2015（5）：563-569.

[8] 胡曙光，袁盼，王發(fā)洲，等.背散射電子圖像分析法在水泥基材料孔結構研究中的應用[J].建筑材料學報，2017（4）：316-320.

[9] 張倩倩，魏亞.基于背散射電子圖像的礦渣-水泥復合體系反應程度的定量分析[J].硅酸鹽學報，2015，43（5）：563-569.

[10] 王培銘，豐曙霞，劉賢萍.背散射電子圖像分析在水泥基材料微觀結構研究中的應用[J].硅酸鹽學報，2011，39（10）：1659-1665.

[11] 閆京勇，宋遠明，鈣硅比對固硫灰蒸壓混凝土性能的影響[J].材料導報，2015，30（27）：416-423.

[12] Sang-Yeop Chung，Tong-Seok Han，Se-Yun Kim，etc.Evaluation of effect of glass beads on thermal conductivity of insulating concrete using micro CT images and probability functions[J].Cement and Concrete Composites，2016，65：150-162.