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东莞市全鑫混凝土搅拌有限公司 广东省东莞市 523270
摘要：随着近年来对材料特性认识的不断深入和设计经验的积累，活性粉末混凝土配合比设计、养护制度以及力学性能等相关研究已经相对完善，耐久性研究工作正在开展。与其他材料相同，混凝土材料也具有由其组成及结构决定的某种特性。活性粉末混凝土是由多种不同的原材料经过配合比设计、成型、养护等工序配制而成的，它的各项宏观性能与材料的微观结构和构成等特性也是紧密相关的。因此，研究和掌握活性粉末混凝土内部微结构发展变化的规律，对活性粉末混凝土各项性能进行机理分析，能够为活性粉末混凝土的工程应用提供理论基础。
关键词：活性粉末；混凝土；研究方向
前言
混凝土材料的微观结构主要指骨料相、水泥石的微结构以及混凝土内的孔隙结构，而由于骨料在混凝土内基本无变化，因此，对混凝土材料微观结构的研究主要集中在水泥石的微结构以及混凝土内的孔隙结构，对水泥石微结构的研究可分为微观形貌、晶体结构、物相组成等方面。目前，国内外学者对普通混凝土的微观结构进行了比较深入的研究。
1.活性粉末混凝土微观研究主要方法
材料的宏观特性是由其微观性质决定的，混凝土材料的微观研究为其宏观性能的机理分析提供了理论依据。目前活性粉末混凝土的微观研究方法主要有：（1）采用压汞法（MIP）、气体吸附法（BET）以及核磁共振法（NMR）测定孔结构；（2）利用扫描电子显微镜（SEM）、环境扫描电镜（ESEM）观察其微观形貌；（3）使用X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、热重分（TGA）等测试手段对活性粉末混凝土进行成分分析。
2.活性粉末混凝土孔结构分析
混凝土的孔结构严重影响着混凝土的抗压强度、抗拉强度等力学性能以及抗冻性、抗渗性等耐久性能万。现有研究认为：混凝土中的孔隙可分为对耐久性有利孔和不利孔，其中对耐久性最有利的孔隙是半径为0.1nm<r<5nm 的超微孔和r<10nm的微毛细孔。而最不利的是10nm<r<100nm的微细毛孔。因此，研究混凝土孔结构对混凝土性能的影响意义重大。目前对活性粉末混凝土孔结构的研究主要采用的是压汞法同时也有少量文献采用气体吸附法和核磁共振法对活性粉混凝土的孔结构进行研究。不同水泥用量（表1）、不同养护制度下大掺量矿物细粉活性粉末混凝土的孔结构变化情况为：（1）大掺量矿物细粉活性粉末混凝土的平均孔径在10nm左右，孔隙率均在5%左右，这比普通混凝土15%的孔隙率低许多，而当水泥用量为300 kg/m3时，活性粉末混凝土的孔隙率最低为4.98%；（2）养护制度对孔隙率也有影响，水胶比较高、活性矿物细粉含量较高的活性粉末混凝土在蒸养后再进行干热养护，其孔隙率和孔隙特征得到明显的改善。
表1 不同水泥用量的大掺量矿物活性粉末混凝土孔结构
Marcel Cheyrezy等研究了养护条件对活性粉末混凝土孔径在3.75～100nm之间累计隙率的影响，其中累计孔隙率以试件体积的百分比形式表示。结果表明，活性粉末混凝土的累计孔隙率低于9%，而热养护显著地降低了活性粉末混凝土的孔隙率。热压养护温度在150～200℃时活性粉末混凝土的孔隙度最小。
Nguyen Van Tuan等研究了掺量为20%的谷壳灰（RHA）或硅粉（SF）活性粉末混凝土1d、7d、28d以及91d龄期的孔径分布和孔隙率，并以不掺两种活性物质的活性粉末混凝土作为对照组（REF）。实验结果表明，两种活性掺合料都能显著地改善活性粉末混凝土的孔结构，只是SF对孔径分布和孔隙率的改善作用更强一些。这主要是因为：（1）两种化学组成相似的极细颗粒所产生的填充效应以及火山灰效应使得这两种活性粉末混凝土具有比REF组更小的孔径以及更低的孔隙率；（2）由于平均粒径为0.1～0.15μm的SF比平均粒径为5.6μm的RHA小得多，因而SF的填充效应和火山灰效应比RHA要好。气体吸附法在活性粉末混凝土孔结构研究中的应用较少，国内几乎没有利用此法研究活性粉末混凝土孔结构的文献。也有少量学者运用核磁共振法研究活性粉末混凝土的孔结构。活性粉末混凝土的多孔性主要是由一定阈值以内的孔组成的。
上述研究均表明活性粉末混凝土的孔隙率极低，这主要是因为活性粉末混凝土中掺入了大量的活性掺合料，而高温蒸压养护则能促进活性掺合料的火山灰反应，进一步改善活性粉末混凝土的孔结构。另一方面，活性粉末混凝土材料比普通混凝土材料更加致密，而现有活性粉末混凝土孔结构的测试方法都具有一定的局限性。为此，有关活性粉末混凝土孔结构的测试方法还有待进一步研究。
3.活性粉末混凝土的微观形貌分析
研究活性粉末混凝土微观结构变化最直观的方法就是观察其微观形貌。观察活性粉末混凝土微观形貌最常用的测试手段是SEM和ESEM。SEM是直接利用样品表面材料的性能进行微观成像，其放大倍数可达20万倍，测试时需要对样品进行干燥、导电等一系列处理并在真空下进行观察；使用ESEM进行微观形貌观察时，样品无需特别制备，在低真空状态下就可以对样品进行观察。利用SEM对掺入钢纤维、PP（聚丙烯）纤维的活性粉末混凝土在经历不同高温后的力学特性进行了初步分析（图1）。结果表明：（1）当温度低于200℃时，基体结构较为密实，当温度在200～800℃之间时，基体密实度随着温度的升高而降低；（2）钢纤维与基体的粘结处裂纹随温度的升高而逐渐增大；（3）温度低于165℃时，PP纤维在基体内呈乱向分布状态，并与基体粘结紧密，界面区完整密实；当温度达到165℃以上时 PP纤维熔化使基体内形成大量孔道。
鞠杨等在“单根纤维效应”的理论基础上研究了活性粉末混凝土的纤维粘结破坏机理，采用8字型的200MPa级活性粉末混凝土试件，并利用SEM观察了不同钢纤维掺量下8字型试件中单根钢纤维被拔出时的细观表面形貌。分析结果表明，钢纤维从活性粉末混凝土基体中拔出时表面粘结的碎屑数量和分布随活性粉末混凝土基体中钢纤维掺量的变化情况与宏观试验结果十分吻合。
通过对短切碳纤维活性粉末混凝土的受压力学性能研究，并利用ESEM观察活性粉末混凝土破坏时碳纤维的3种破坏形态（剪断、拔出、拔断）。其中拔出和拔断都发挥了碳纤维的高抗拉强度，证明了碳纤维的掺入对活性粉末混凝土能够起到增强作用。对不同养护制度下（表2）的活性粉末混凝土抗压强度结果进行分析，并分别利用SEM，ESEM观察不同养护制度下活性粉末混凝土的微观形貌。结果表明：（1）标准养护下，活性粉末混凝土抗压强度最低，28d龄期时微观图中仍然可以观察到硅灰颗粒的存在；（2）热水养护方式对活性粉末混凝土的早期强度影响较大，对28d强度几乎无影响，且微观图像中观察到的C-S-H凝胶呈彼此独立的纺锤状；（3）高温养护和蒸汽养护对活性粉末混凝土任何龄期强度发展的促进作用均要优于热水养护，但高温养护的后期强度下降明显，而蒸汽养护则呈缓慢增长态势，从微观图像中可以观察到这两种养护方式下的C-S-H凝胶分别为相互交错的网状和片状。
表2 试件的养护制度和强度
4.目前研究存在的问题及进一步的研究方向
针对活性粉末混凝土材料的微观特性，现有研究大多在宏观实验结果基础上，补充少量微观实验，对宏观实验结果进行佐证，给出简单的微观机理。而对活性粉末混凝土材料微观特性，包括孔结构、材料微观形貌、水化产物组成等，缺少系统的探讨。具体来说主要有以下几个方面：
4.1现有研究活性粉末混凝土孔结构方法的适用性及其在活性粉末混凝土中的应用，如何更加准确地测定活性粉末混凝土孔结构都有待进一步探讨。同时，现有孔结构的大量研究成果都是在剔除钢纤维的基础上获得的，而钢纤维在活性粉末混凝土力学性能、耐久性等方而所表现出的改善作用明显。为此，研究有钢纤维存在的孔结构测定方法尤为重要。
4.2尽管现有研究在活性粉末混凝土水化产物微结构、产物化学组成、水化动力学相关参数等材料微观信息方而取得一定成果，但由于测试手段的限制，这些研究未能形成系统的研究结果。因而，如何将更为精确的测试方法用在材料微观研究中也是需要进一步解决的问题。
4.3与非活性掺合料不同的是，活性掺合料（如硅粉、矿粉、粉煤灰、粒化高炉矿渣等）的填充效应、火山灰效应以及与混凝土其他组分发生的反应使活性粉末混凝土微观结构发生显著变化，从而显著改变活性粉末混凝土的各项宏观性能。但不同掺合料的作用不尽相同，这也就限制了活性粉末混凝土制备工艺的标准化。因此，研究一种或多种活性掺合料共同掺入对活性粉末混凝土微观结构变化的影响尤为重要。
4.4现有对活性粉末混凝土耐久性的研究都是按照普通混凝土耐久性的测试方法进行的，得到的结论都只能定性地说明活性粉末混凝土具有良好的耐久性。因此，通过微观研究和理论分析，研究活性粉末混凝土耐久性良好的机理，以制定适用于活性粉末混凝土耐久性的测试方法。
5.结语
活性粉末混凝土具有极高的强度和耐久性，使其性能优势明显，但目前其所表现出的各项宏观性能还存在理论依据不足的问题。需要解决的问题主要有：孔结构、水化产物微结构、化学组成等的准确测定，不同掺合料对活性粉末混凝土的影响，以及耐久性测试方法的制定。同时，研究人员还需进一步研究其他微观研究方法在活性粉末混凝土机理分析中的适用性。
参考文献：
[1]陈立军.混凝上孔径尺寸对其使用寿命的影响[J].武汉理工大学学报，2007（6）：50―53
[2]刘娟红，土栋民，宋少民，霍文霖.大掺量矿粉活性粉末混凝上性能与微结构研究[J].武汉理工大学学报，2008（11）：54―57
[3]刘娟红，王栋民.养护对矿物细粉活性粉末混凝上性能的影响巨[J].武汉理工大学学报，2009，31（7）：100―103
[4]梁小燕，阎贵平.活性粉末混凝上核磁共振实验研究[J].科学技术与工程，2005（11）
论文作者:丁廉洁1,欧玲2
论文发表刊物:《基层建设》2015年14期供稿
论文发表时间:2016/1/11
标签：混凝土论文; 活性论文; 粉末论文; 微观论文; 孔隙论文; 结构论文; 耐久性论文; 《基层建设》2015年14期供稿论文;