微硅粉對堇青石質(zhì)輕集料燒脹性能的影響

馬 鑫 張禮華 劉來寶 劉川北 張紅平 荊桂花

(1. 西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010； 2. 山東魯陽股份有限公司 山東淄博 256100)

輕集料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、優(yōu)異的抗震性、耐久性和保溫隔熱性能[1]。研究表明，決定輕集料混凝土尤其是高強(qiáng)度等級的輕集料混凝土力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵是輕集料自身的強(qiáng)度[2]。然而，目前大部分普通輕集料在制備冷卻過程中由于溫度應(yīng)力容易產(chǎn)生微裂紋，造成其強(qiáng)度偏低[3]。因此，如何提高輕集料自身強(qiáng)度是改善輕集料混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵，也是當(dāng)前輕集料混凝土進(jìn)一步發(fā)展所面臨的主要問題。

輕集料本質(zhì)上是一種多孔陶瓷，影響其強(qiáng)度的因素主要有兩個(gè)：(1)孔結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、孔徑分布與孔形貌；(2)陶瓷基體組成，包括晶相、玻璃相組成、比例和分布。根據(jù)燒脹理論，輕集料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)是由高溫下適宜黏度的液相包覆一定量氣體所產(chǎn)生[4]，而在高溫下，由于非晶質(zhì)的原料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，更容易產(chǎn)生液相，從而降低體系黏度，促進(jìn)輕集料的燒脹和孔結(jié)構(gòu)的形成[5-6]。研究表明堇青石具有較低熱膨脹系數(shù)，將其引入陶瓷基體可以顯著降低由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋，從而提高輕集料的強(qiáng)度[7-9]。因此，本文將利用粉煤灰、鋁礬土、石英粉和輕燒鎂砂制備堇青石質(zhì)輕集料，同時(shí)采用微硅粉(非晶質(zhì)SiO2)取代天然石英粉(晶體SiO2)進(jìn)一步調(diào)控輕集料的燒脹性能和孔結(jié)構(gòu)，以期為高強(qiáng)輕集料的組成設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料包括粉煤灰、鋁礬土、輕燒鎂砂、石英粉和微硅粉(硅灰)，所有原料經(jīng)磨細(xì)后通過200目方孔篩。原材料的化學(xué)組成如表1所示，其中輕燒鎂砂和粉煤灰燒失量較高，分別為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的14.71%和5.57%。結(jié)合原材料礦物組成(如圖1)可知，粉煤灰中含有部分方解石，而輕燒鎂砂中含有未分解的菱鎂礦和方解石，它們是燒失量的主要來源，故可作為制備輕集料的產(chǎn)氣物質(zhì)。微硅粉主要由非晶質(zhì)的SiO2組成。

表1 原材料化學(xué)組成(ω/%)Table 1 Chemical compositions of raw materials(ω/%)

圖1 原材料礦物組成Fig.1 Mineral compositions of raw materials

表2顯示輕集料樣品的原料配比，根據(jù)堇青石理論組成mAl2O3∶mMgO∶mSiO2=34.86∶13.78∶51.36設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)配比LG0，同時(shí)以微硅粉取代石英粉，取代率分別為(石英粉質(zhì)量分?jǐn)?shù))25%，50%，75%，100%，得到配比LG25，LG50，LG75，LG100。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照表2進(jìn)行配料并混合，然后加入適量水分?jǐn)嚢杈鶆颍瞥芍睆綖?0～15 mm的生料球。將料球烘干后放至高溫爐中以5 ℃/min升溫速率升至600 ℃，保溫20 min，防止料球高溫發(fā)氣過多而產(chǎn)生炸裂。隨后升至1 230 ℃并保溫30 min燒成輕集料。輕集料隨爐冷卻至室溫，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能測試。

表2 不同輕集料樣品配比(ω/%)Table 2 Mix design for different lightweight aggregate samples(ω/%)

采用荷蘭PANalytical公司X' Pert PRO型X射線衍射儀(Cu靶，掃描范圍8°～75°，掃描速度4°/min)分析樣品礦物組成，利用jade 6.5對XRD圖譜進(jìn)行半定量分析。采用日本Hitachi公司的TM-4000 掃描電子顯微鏡觀察樣品微觀形貌，用Model 550I 能譜探測器進(jìn)行能譜分析。

輕集料樣品孔結(jié)構(gòu)表征采用數(shù)字圖像處理方法[10]。采用砂紙將斷面打磨平整后用石灰粉填充并拍照，以增加孔隙和陶瓷骨架的對比度，采用Image-Pro Plus圖像分析軟件對樣品內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

按照國標(biāo)GB/T 17431.2—2010《輕集料及其實(shí)驗(yàn)方法》對輕集料樣品物理性能(吸水率、表觀密度)進(jìn)行測試。輕集料強(qiáng)度參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)行單顆抗壓強(qiáng)度測試，取20顆樣品的平均值為最終結(jié)果。單顆抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)：

P=2.8Fc/(πX2)

(1)

其中：Fc為最大載荷(N)；X為兩個(gè)加載點(diǎn)之間的距離(mm)；P為單顆抗壓強(qiáng)度(MPa)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微硅粉對輕集料樣品礦物組成的影響

對不同輕集料樣品進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)表明輕集料樣品主要礦物組成為堇青石、鈣長石和尖晶石，同時(shí)隨著微硅粉取代率增加，堇青石相的主要衍射峰(2θ≈10.5°)強(qiáng)度增加，說明堇青石晶體發(fā)育變好。半定量分析結(jié)果如圖2(b)所示，隨微硅粉取代率增加，堇青石含量從43.58 %增加到50.62 %，鈣長石含量從39.42 %降低到33.21 %，尖晶石含量變化在12 %～14 %之間。上述結(jié)果表明微硅粉取代晶質(zhì)石英粉可以促進(jìn)堇青石晶體的生長發(fā)育，這主要得益于微硅粉這種非晶質(zhì)的SiO2增加了體系液相含量，促進(jìn)了內(nèi)部離子的遷移速度，從而產(chǎn)生了對堇青石生長發(fā)育更有利的液相環(huán)境[11]。

圖2 不同微硅粉取代下輕集料樣品礦物組成及含量Fig.2 Mineral composition and content of lightweight aggregate samples under different silica fume substitutions

2.2 微硅粉對輕集料樣品孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3顯示了對LG0，LG50和LG100樣品內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字圖像分析的結(jié)果。從圖3(a)可以看到，隨微硅粉取代率增加，輕集料樣品內(nèi)部氣孔面積變大，氣孔尺寸增加。同時(shí)，當(dāng)取代率由50% 增加到100% 時(shí)，輕集料內(nèi)部氣孔形貌由封閉孔向連通孔轉(zhuǎn)變?？讖椒植冀Y(jié)果(圖3(b))也顯示，隨著微硅粉取代率從0% 增加到50%，總孔隙率由45.08% 增加到55.17%，同時(shí)孔徑分布由0.4～1 mm的小孔向1～3 mm的大孔轉(zhuǎn)變；而隨微硅粉取代率從50% 增加到100% 時(shí)，總孔隙率僅由55.17% 增加到57.55%，但小于1 mm的小孔數(shù)量減少，大于1 mm的大孔數(shù)量顯著增加。上述結(jié)果表明隨微硅粉取代率增加，樣品內(nèi)部封閉小孔會(huì)逐漸向連通大孔發(fā)展，這會(huì)造成樣品表面開口氣孔增多(圖4)，從而對輕集料的吸水率產(chǎn)生不利影響。

圖3 不同輕集料樣品內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布Fig.3 Pore structure and pore size distribution of different lightweight aggregate samples

圖4 不同輕集料樣品表觀形貌Fig.4 Apparent morphology of different lightweight aggregate samples

2.3 微硅粉對輕集料樣品微觀形貌的影響

對LG0，LG50，LG100樣品進(jìn)行了SEM和能譜分析，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，隨微硅粉取代率增加，樣品孔隙尺寸有所增大，但樣品微觀形貌整體差異不明顯，都觀察到有六方柱狀堇青石(點(diǎn)1)、板狀鈣長石(點(diǎn)2)和多面體顆粒狀尖晶石(點(diǎn)3)交錯(cuò)分布在陶瓷基體中。同時(shí)，3種晶體形貌和尺寸差異較為明顯，彼此間能形成緊密堆積，使陶瓷基體更加致密，這對提升輕集料樣品強(qiáng)度有積極作用。此外，值得注意的是：由于Mg2+，Ca2+，F(xiàn)e2+離子半徑相近并可以置換形成固溶體[12]，因此能譜分析顯示堇青石中固溶了少量Fe元素，鈣長石中固溶了部分Fe和Mg元素，而尖晶石中則固溶了較多的Fe元素。

圖5 不同輕集料樣品顯微結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of different lightweight aggregate samples

2.4 微硅粉對輕集料樣品物理性能的影響

圖6為不同輕集料樣品的表觀密度、吸水率和單顆抗壓強(qiáng)度等物理性能測試結(jié)果。圖6(a)顯示，隨微硅粉取代率由0%增加到100%，輕集料樣品表觀密度由1 394 kg/m3下降到584 kg/m3，1 h與24 h吸水率分別由0.32%和1.02%增加到26.97%和31.51%。特別地，當(dāng)微硅粉取代率超過75%以后，輕集料的吸水率迅速上升，對應(yīng)1 h吸水率由4.54%顯著增加到26.97%，增幅達(dá)22.43%。圖6(b)顯示，隨微硅粉取代率由0 %增加到100 %，輕集料的單顆抗壓強(qiáng)度由12.86 MPa降低到2.34 MPa。經(jīng)測量，微硅粉取代率0%時(shí)輕集料樣品的堆積密度為580 kg/m3，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度(12.86 MPa)比GB/T 1743—2010中規(guī)定的600密度等級高強(qiáng)輕集料的強(qiáng)度指標(biāo)(≥4 MPa)提高了近3倍，即使微硅粉取代率增加到50%時(shí)，制備輕集料的抗壓強(qiáng)度(5.55 MPa)依然滿足高強(qiáng)輕集料性能指標(biāo)。綜上，本研究制備的堇青石質(zhì)輕集料強(qiáng)度較高，為了滿足高性能輕集料對吸水率的要求(≤5%)，應(yīng)控制微硅粉的取代率不超過50 %。

筆者進(jìn)一步將國內(nèi)外不同研究者[3,9,13-17]制備的輕集料與本文制備的堇青石質(zhì)輕集料的單顆抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖6(b)所示?？梢钥闯?，相同表觀密度下其他研究者制備的輕集料的單顆抗壓強(qiáng)度均低于本實(shí)驗(yàn)所制備的堇青石質(zhì)輕集料，特別當(dāng)表觀密度大于1 000 kg/m3時(shí)，這一差異更加明顯。造成上述差異的原因有：(1)在輕集料內(nèi)部引入了低熱膨脹系數(shù)的堇青石晶體，減少了由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋；(2)堇青石、鈣長石和尖晶石晶體彼此間形成了緊密堆積結(jié)構(gòu)，使陶瓷基體更加致密；(3)僅通過微硅粉取代調(diào)整輕集料燒脹性能和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，避免了由燒成制度和原料組成變化可能對強(qiáng)度帶來的不利影響。

圖6 不同輕集料樣品物理性能Fig.6 Physical properties of different lightweight aggregate samples

本實(shí)驗(yàn)條件下，輕集料主要產(chǎn)氣物質(zhì)——輕燒鎂砂、粉煤灰摻量不變，因此，同一溫度下產(chǎn)氣量一定，隨微硅粉取代率增加，輕集料內(nèi)部燒脹和孔結(jié)構(gòu)的變化主要?dú)w因于體系液相黏度的改變。結(jié)合前面分析可知，非晶質(zhì)微硅粉取代晶質(zhì)石英粉之后，由于非晶質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，增加了體系高溫液相含量，從而一方面產(chǎn)生了更利于堇青石生長發(fā)育的液相環(huán)境，使堇青石含量增加，另一方面降低了體系黏度，使得輕集料內(nèi)部氣孔遷移能力增加，孔隙逐漸由封閉小孔向連通大孔發(fā)展，從而促進(jìn)了輕集料的燒脹。

3 結(jié)論

本文研究了非晶質(zhì)微硅粉取代晶質(zhì)石英粉對堇青石質(zhì)輕集料燒脹性能的影響，主要結(jié)論：(1)微硅粉取代能增加高溫液相生成量，降低體系液相黏度，為輕集料的燒脹和堇青石的生長發(fā)育提供有利的液相環(huán)境。隨微硅粉取代率由0%增加到100%，堇青石含量由43.58%增加到50.62%，輕集料內(nèi)部孔隙率由45.08%增加到56.98%，孔徑尺寸變大，同時(shí)封閉小孔逐漸向連通大孔發(fā)展。(2)隨微硅粉取代率由0%增加到100%，輕集料表觀密度從1 394.5 kg/m3降低到584.4 kg/m3，1 h吸水率從0.32%增加到26.97%，單顆抗壓強(qiáng)度由12.85 MPa降低到2.34 MPa。為滿足高性能輕集料(抗壓強(qiáng)度≥4 MPa，吸水率≤5%)要求，應(yīng)控制微硅粉取代率不超過50%。