硅粉增强混凝土抗冲磨性能的微观机理.pdf

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1、水利学报2013年1月SHUILlXUEBA0第44卷第1期文章编号：0559—9350(2013)0l—O111一O8硅粉增强混凝土抗冲磨性能的微观机理王磊，何真2杨华全，蔡新华(1．长江科学院，湖北武汉430072；2．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)摘要：采用Fourier红外光谱(FTIR)和’si固体核磁共振谱(SiNMR)结合去卷积技术研究了硅粉增强混凝土抗冲磨性能的微观机理。结果表明硅粉具有较高的水化活性，硅粉掺量为10％的水泥体系水化3d时，大约有41％的硅粉参与反应，水化120d时大约有96％的硅粉参与

2、反应。此外，硅粉的火山灰反应改变了C—S—H结构中Q的分布和C—S—H的聚合度，在这个过程中，硅粉结构中的Si一0一Si共价键在碱性环境中断裂后形成的水化硅酸根单体与C—S—H二聚体以及ca2+、OH一结合，形成高聚C—S—H。在分子尺度(几个纳米)，硅粉优化了C—S—H结构，使得C—S—H结构有序性增强，在微米尺度，硅粉的火山灰反应使得C—S—H堆积结构更加密实，胶凝性更强，从而改善了混凝土中浆体的性质。这样就从C—S—H层面解释了硅粉改善混凝土强度以及抗冲磨性能的机理。关键词：抗冲磨；硅粉；水化硅酸钙；微结构；核磁共振中图分类号：TU502文献标识码

3、：A1研究背景混凝土的抗冲磨特性影响水工建筑物的服役寿命以及运行可靠度。随着中国西南部一系列大坝的兴建，如何提高严酷条件下水工混凝土的抗冲磨性能已经成为中国水电行业可持续发展的焦点问题之一。有多种途径提高混凝土的抗冲磨性，譬如使用辅助胶凝材料(SCM)、添加纤维、控制养护条件等n。多项研究H表明，混凝土的抗冲磨性主要取决于混凝土的抗压强度，其实质是与胶凝材料的胶凝性及骨料性质等因素密切相关。一般情况下浆体的强度低于骨料，而在冲磨作用下的混凝土，往往由于浆体首先受到破坏进而导致骨料脱落。研究表明，混凝土抗冲磨强度受浆体表面几个毫米厚度范围的微结构状况影响极

4、大。因此，提高浆体的性质是改善混凝土抗冲磨性的一个关键途径。硅粉(silicafume，SF)被广泛应用于配制高强混凝土，同时，添加硅粉后混凝土的抗冲磨强度也得以提高。硅粉被认为是一种在早期就可以影响CH含量的活性硅酸盐材料，硅粉可以与CH很快进行二次水化反应从而生成更多的C—s—H，使得浆体毛细孔和混凝土界面得以很大地改善，进而降低了孔隙率并提高浆体强度。除了对过渡区以及孔隙结构的影响，掺加硅粉后c—S—H的结构和类型的变化也应予以重视。相关研究指出，掺加硅粉后水化硅酸钙(C—S—H)结构聚合度提高。因为C—s—H是决定混凝土工程特性的重要一相，不同c

5、—s—H结构和类型的差异可能导致水泥石和混凝土产生不同的宏观特性。但目前很少有人进行c—s—H结构的变化和类型的改变与混凝土工程特性譬如抗压强度和抗冲磨性之间关系的研究。C—s—H常常被描述为弱结晶的细小颗粒，x射线衍射结果表明其具有无定型结构特征，工程界对c—s—H的结构仍然知之不多，这也导致从c—s—H这个角度理解混凝土工程特性存在诸多困难。事实上，最近几十年来有多种模型用于解释C—S—H的纳米结构，其中基于tobermorite／jennite的晶体结收稿13期：2011-07—27基金项目：国家自然科学基金项且(51139001)；国家重点基础研

6、究发展计划(973计划)项目(2009CB623201)作者简介：王磊(1985一)，男，工程师，博士，主要从事混凝土性能研究。E-mail：windy2003Ol6@sina．tom构模型和胶体结构模型较为典型。晶体结构模型认为c—s—H在几个纳米的尺度上具有三元重复的硅氧四面体层和中央Ca一0层的组合结构。胶体模型认为c—S—H是由几个纳米大小的胶体颗粒堆积而成，该模型较成功地解释了水泥浆体的收缩行为。尽管这些模型仍然不足以揭示混凝土宏观特性如强度产生的本源，但在理解c—s—H结构和宏观特性的关系方面上可以提供新的思路和方法。本文首先对比掺加硅粉后混

7、凝土抗冲磨性和强度改善情况，再利用FTIR和固体高分辨SiNMR技术揭示硅粉水泥体系中硅粉的火山灰活性及其对c—s—H结构和类型的影响，并从c—s—H层面研究掺加硅粉后混凝土抗冲磨性得到改善的微观机理。2试验2．1材料试验采用的原材料是P·I水泥(华新水泥股份有限公司)和硅粉(贵州海天铁合金磨料有限责任公司)，其主要化学组成见表1所示。硅粉的比表面积为22205m／kg，需水量比为133％(依据GB／T18736—2002测定)。表1硅粉与水泥的化学成分(重量比，％)细骨料使用普通河砂，细度模数为2．8，比重为2．62。粗骨料使用碎石，最大粒径为40mm

8、，比重为2．64。成型硅粉水泥浆体和基准浆体，硅粉替代水平为10％，W／B为0．