摘要：研究了不同壓蒸制度下制備的加氣混凝土水化產(chǎn)物組成和形貌，討論了水化硅酸鈣結晶度與強度和干縮的關系，采用體視顯微鏡觀察了加氣混凝土中孔結構和分布。結果表明：未蒸養(yǎng)的加氣混凝土中的水化產(chǎn)物以片狀氫氧化鈣、針棒狀鈣礬石和纖維狀、網(wǎng)狀C-S-H 凝膠為主；高溫蒸養(yǎng)的加氣混凝土則以葉片狀、皺箔狀托勃莫來石和卷曲狀低鈣水化硅酸鈣為主，隨著蒸養(yǎng)溫度的升高，托勃莫來石結晶程度提高。隨著粉煤灰摻量的增加，水化硅酸鈣結晶度下降；石灰摻量增加時，水化硅酸鈣結晶度增加。容重等級為B05的加氣混凝土砌塊，其宏觀孔徑主要分布在730～800μm之間，容重為B06砌塊的宏觀孔徑主要分布在590～770μm范圍，B07和B08砌塊宏觀孔徑主要分布500～690μm之間。強度（σ）與孔隙率（P）的關系為：σ＝12.88695（1－P）1.06368。
關鍵詞：加氣混凝土；水化產(chǎn)物；結晶度；強度；干縮性能
1.前言
加氣混凝土砌塊是以粉煤灰、水泥、石灰和適量發(fā)氣劑為原料制成的一種輕質(zhì)多孔、絕熱、節(jié)能并具有一定承載能力的墻體材料。從20 世紀50 年代末起，國內(nèi)外學者就加氣混凝土的水化產(chǎn)物做了大量研究工作，一般認為其主要為CaO-SiO2-H2O系水化產(chǎn)物，由CSH（B）凝膠和托勃莫來石等低堿性水化產(chǎn)物和較好抗碳化能力的CSH（A）等組成，然而迄今為止在水化產(chǎn)物的種類和組成上仍然存在一定的爭議[1-3]。
此外，加氣混凝土孔隙率較高，一般達70～80%，主要由鋁粉發(fā)氣形成的發(fā)氣孔組成，孔徑在零點幾毫米到幾毫米范圍內(nèi)，孔隙率大小和孔結構分布是影響加氣混凝土的強度、體積密度和收縮性能的主要因素。
本文主要研究了不同壓蒸制度下制備的加氣混凝土的水化產(chǎn)物組成和形貌，討論了其主要水化產(chǎn)物托貝莫來石結晶度與強度和干縮的關系，采用體視顯微鏡觀察了加氣混凝土中孔結構和分布。
2.原材料與試驗
2.1原材料
原材料主要為：廣州珠江水泥廠生產(chǎn)的P.II 42.5水泥； 80μm方孔篩篩余為20.1％的磨細河砂；廣州市黃埔電廠Ⅱ級粉煤灰；廣西產(chǎn)石膏和中速石灰，石灰中有效氧化鈣含量為71％，消解時間15分鐘，消解溫度為71℃，石膏SO3含量為36.2％；天津科密歐有限公司生產(chǎn)的鋁粉；外加劑為科力建材廠生產(chǎn)的PC－2穩(wěn)泡劑和超塑建材廠生產(chǎn)的SPT100增強劑。水泥和粉煤灰的化學組成、物理性質(zhì)和顆粒粒度分布分別示于表1和表2，其中D50表示中位粒徑。
2.2主要試驗方法及試驗設備
料漿制備：將水泥、石灰、石膏、砂與粉煤灰按設定的配合比一次性投入攪拌機，快攪2min，慢攪1min，加入外加劑與水及鋁粉后再分別攪拌3min和30s，試件采用7.07×7.07×7.07cm的試模成型。
凈漿擴展度試驗根據(jù)GB8077-87《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行；抗壓強度按照GBJ81-85《普通混凝土力學性能實驗方法》進行測定；砌塊干燥收縮試驗的測試采用快速試驗法，按《加氣混凝土干燥收縮性能試驗方法》（GB/T11972-1997）進行；XRD衍射分析
采用D/MAX-IIIA型X-ray衍射儀進行實驗；采用SX-40型掃描電鏡對試件斷面和孔壁等進行觀察分析；采用XTZ系列連續(xù)變倍體視顯微鏡對試件的孔結構分布進行測定分析。
3.結果與討論
3.1加氣混凝土水化產(chǎn)物的組成與形貌
3.1.1漿體配比
用于水化產(chǎn)物組成與形貌分析的加氣混凝土配合比如表3所示，漿體的凈漿擴展度控制在160～170mm之間。
表3 加氣混凝土水化產(chǎn)物的組成與形貌分析試驗配比
3.1.2.1不同壓蒸時間時加氣混凝土的水化產(chǎn)物
由圖1～圖4可以發(fā)現(xiàn)：加氣混凝土的蒸養(yǎng)時間對其水化產(chǎn)物的結構有著明顯的影響：（1）未蒸養(yǎng)的加氣混凝土漿體，其主要物相為Ca(OH)2、莫來石及石英和AFt等；（2）在0.5MPa和1MPa不同壓力下蒸養(yǎng)8小時，可以發(fā)現(xiàn)后者托勃莫來石結晶程度較高，托勃莫來石特征峰較為明顯。由圖3-4可以發(fā)現(xiàn)，加氣混凝土中粉煤灰顆粒表面已經(jīng)充分水化，水化產(chǎn)物以結晶較完整的托勃莫來石、水化石榴石和CSH(I)為主，其中托勃莫來石的量較多，水化石榴石和CSH（I）含量則相對較少，這是因為其中的水化產(chǎn)物與SiO經(jīng)蒸壓養(yǎng)護生成托勃莫來石，同時在圖譜中未觀察到Ca(OH)2的特征峰；（3）蒸壓8h與蒸壓4h 相比，托勃莫來石特征峰明顯增強，這是因為隨著蒸壓時間的延長，水化產(chǎn)物中的CSH(C)、C22SH(A)等會進一步與SiO形成托勃莫來石。
3.1.2.2 加氣混凝土試樣形貌觀察
加氣混凝土形貌觀察采用表3中試驗配比，蒸壓制度為壓力1MPa，保溫8h。其水化產(chǎn)物形貌如圖5到圖8所示。試驗結果表明：（1）在氣孔內(nèi)壁，產(chǎn)物多為一簇簇的柳葉狀托勃莫來石及少量的水化石榴子石，托勃莫來石長約2～3μm，寬約1μm；（2）在試件斷面上，鈣質(zhì)與硅質(zhì)材料反應生成的水化產(chǎn)物晶形發(fā)育良好，在斷面上密集叢生，水化產(chǎn)物以葉片狀和針狀為主，尺寸較小，在1～2μm之間，葉片狀和針狀水化產(chǎn)物膠結在一起；（3）加氣混凝土水化產(chǎn)物密集叢生，在蒸壓水熱條件下生成的大量細纖維狀CSH凝膠和棒針狀水化硅酸鈣，晶形發(fā)育良好，水化產(chǎn)物晶體相互交插連接，形成致密的網(wǎng)絡狀微觀結構，使整個系統(tǒng)聯(lián)為一個整體，起到了改善硬化體結構和提高力學強度的效果。
由XRD衍射分析和SEM形貌觀察發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)對加氣混凝土水化產(chǎn)物的種類和結構形態(tài)有著明顯的影響：（1）未蒸養(yǎng)的水化產(chǎn)物以片狀氫氧化鈣、針棒狀鈣礬石和纖維狀、網(wǎng)狀C-S-H 凝膠為主, 水化產(chǎn)物主要來自水泥水化。粉煤灰顆粒表面剛剛開始水化, 有少量水化產(chǎn)物形成, 粉煤灰顆粒間主要靠水泥水化產(chǎn)物搭接在一起，孔隙較多，結合較弱；（2）高溫下水化產(chǎn)物以葉片狀、皺箔狀托勃莫來石和卷曲狀低鈣水化硅酸鈣為主, 粉煤灰顆粒表面已經(jīng)充分水化形成整體結構, 生成了結晶較好的水化產(chǎn)物，相互穿插緊密結合在一起，結構相對較致密。
3.2水化產(chǎn)物對加氣混凝土性能的影響
3.2.1配合比設計
在探討粉煤灰和石灰摻量對加氣混凝土水化產(chǎn)物的影響試驗中，固定水泥用量為26g、石膏為15g、砂為150g、穩(wěn)泡劑0.1g、SPT-100為0.12g和鋁粉為0.6g。配合比有兩個系列。系列一中，石灰用量固定為130g，粉煤灰用量分別為：360g、380g、420g、460g和480g；系列二中，粉煤灰用量固定為420g，石灰的摻量分別為：90g、110g、130g、150g和170g。加氣混凝土漿體的凈漿擴展度控制在160～170mm之間。
3.2.2試驗結果討論
3.2.2.1粉煤灰和石灰摻量對加氣混凝土性能及水化產(chǎn)物的探討
隨著粉煤灰和石灰摻量的變化，加氣混凝土的硅質(zhì)和鈣質(zhì)材料組成發(fā)生變化，其水化產(chǎn)物的種類和組成也將發(fā)生一定的改變，這將影響到其強度和收縮等性能。加氣混凝土強度和收縮性能試驗結果
如表4和表5所示。其中，水化硅酸鈣結晶度按式1計算[4]
式中： MT、BT——托勃莫來石的主峰高和半高寬；
MC、BC——CSH的主峰高和半高寬。
表4 不同粉煤灰摻量蒸壓加氣混凝土砌塊的性能
表5 不同石灰摻量蒸壓加氣混凝土砌塊的性能
從表4和表5可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，水化硅酸鈣的結晶度呈下降趨勢；而
隨著石灰摻量的增加，水化硅酸鈣的結晶度呈增加趨勢。在蒸壓養(yǎng)護過程中，隨著溫度的升高，硅質(zhì)材料中的SiO 加速溶解，更多的SiO 與Ca (OH) 222 結合生成CSH（Ⅰ），因此隨著粉煤灰摻量的增加，水化硅酸鈣中的CSH凝膠的數(shù)量也隨著增加，因此水化硅酸鈣的結晶度隨之降低。而隨著石灰摻量的增加，在加氣混凝土體系中Ca（OH）2的溶解速度加快，有利于生成較多勃莫來石，因此水化硅酸鈣的結晶度隨之增大。
圖9和圖11為不同粉煤灰和石灰摻量時水化硅酸鈣結晶度與強度間的關系。從中可以看出，隨著結晶度的增大，加氣混凝土的抗壓強度先增大后降低，其強度與結晶度存在一個最佳值范圍，大概在35％到45％之間。加氣混凝土的強度主要產(chǎn)生于水化硅酸鈣膠與托勃莫來石及其它水化產(chǎn)物之間的粘結力，這種粘結力主要來范德華力。結晶度越低，制品的比表面越大，因此范德華力大，此時抗壓強度隨著結晶度的增加而變大。但是隨著結晶度的增加，水化硅酸鈣凝膠的數(shù)量減少，制品的強度就開始降低。只有當水化硅酸鈣的結晶度處于某個范圍，水化硅酸鈣凝膠恰好以一定的厚度將托勃莫來石及其它水化產(chǎn)物覆裹并粘結在一起時，制品的強度才較高[4]。
圖10和圖12為不同粉煤灰和石灰摻量時水化硅酸鈣結晶度和收縮性能的關系?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著結晶度的增大，加氣混凝土的干縮值降低。由于托勃莫來石是一種結晶程度較好，穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生變形的產(chǎn)物，而C-S-H凝膠本身凝膠孔數(shù)量多，隨著水分的蒸發(fā)，水凹液面曲率半徑減少，收縮增大，因此結晶度越高，加氣混凝土收縮值越小 [5-6] 。
3.3加氣混凝土宏觀孔結構的分析
3.3.1配合比設計
鋁粉摻量加氣混凝土試驗配比和試驗結果如表6和表7所示，其中固定水泥為26g、粉煤灰為430g、石灰為130g、石膏為15g、砂為150g和外加劑SPT-100為0.12g和穩(wěn)泡劑0.5g。
表6 不同鋁粉摻量對加氣混凝土性能影響配合比
不同鋁粉摻量加氣混凝土性能如表7所示，
根據(jù)加氣混凝土孔隙率與密度的關系為：
其中θ為孔隙率，ρ*為體積密度；ρs為真密度，其中加氣混凝土的真密度為2.3kg/m3[7]。不同容重的加氣混凝土有著不同的孔結構分布[8]，由式（2）可以發(fā)現(xiàn)隨著總孔隙率的增加，容重降低。這表明加氣混凝土砌塊的容重取決于氣孔的含量和氣孔壁中的微孔含量，即取決于這種混凝土中的總孔隙率。由圖13可見，容重等級為B05的砌塊，其宏觀孔徑主要分布在730～800μm之間，容重為B06砌塊的宏觀孔徑主要分布在590～770μm范圍，B07和B08砌塊宏觀孔徑主要分布500～690μm之間。[9]由加氣混凝土的強度和體積密度關系可以發(fā)現(xiàn)
其中：σ為孔隙率為P時的強度，MPa； 為孔隙率為零時的強度（對于給定材料此值為常數(shù)），MPa； σOB
P為孔隙率，％； n為形狀指數(shù)。
對表7中強度與孔隙率的數(shù)據(jù)進行回歸，可以得出強度與孔隙率的方程為：
σ＝12.88695（1－P）1.06368 (相關系數(shù)R＝0.9580)
由該方程可以看出，加氣混凝土的強度不僅隨著孔隙率的變化而產(chǎn)生變化，同時也與孔的大小、形狀和分布有關，即與形狀指數(shù)n有關。在加氣混凝土的制備過程中，控制其孔的形狀指數(shù)，能夠提高制品的性能，特別是力學性能。通過回歸分析得出加氣混凝土孔隙率和強度的關系曲線，在生產(chǎn)過程中通過測定制品的孔隙率可以推算出強度的范圍，對生產(chǎn)質(zhì)量控制有一定的指導意義。
材料本身的不均勻性、缺陷、微裂縫和孔隙等都會造成材料應力集中而使材料的實際抗壓強度（σ）低于理論強度（σOB），式3與材料的理論密度，孔形狀指數(shù)n有一定的關系；該關系式對粉煤灰加氣混凝土有較好的適應性[9]。
4.結論
（1）未蒸養(yǎng)的加氣混凝土水化產(chǎn)物以片狀氫氧化鈣、針棒狀鈣礬石和纖維狀、網(wǎng)狀C-S-H 凝膠為主，孔隙較多，結合較弱；在0.5MPa蒸養(yǎng)時以水化硅酸鈣、AFt、水化石榴石和結晶度較低的托勃莫來石為主；在1MPa蒸養(yǎng)的加氣混凝土水化產(chǎn)物以葉片狀、皺箔狀托勃莫來石和卷曲狀低鈣水化硅酸鈣為主，托勃莫來石結晶程度較高。
（2）隨著粉煤灰摻量的增加，水化硅酸鈣結晶度呈下降趨勢；而隨著石灰摻量的增加，水化硅酸鈣結晶度呈增加趨勢。加氣混凝土的抗壓強度與結晶度的關系存在一個最佳值范圍，當結晶度在35％到45％之間的時候，加氣混凝土的抗壓強度存在一個最大值，且隨著結晶度的增大，加氣混凝土的干縮值降低。
（3）隨著總孔隙率的增加，容重降低，容重等級為B05的砌塊，其宏觀孔徑主要分布在730～800μm之間，容重為B06砌塊的宏觀孔徑主要分布在590～770μm范圍，B07和B08砌塊宏觀孔徑主要分布500～690μm之間。
（4）通過對強度和空隙率關系的回歸分析，得出強度與孔隙率的方程為：σ＝12.88695（1－P）1.06368(相關系數(shù)R＝0.9580)。
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