掺粉煤灰砂浆的显微结构及显微弹性性能的研究外文翻译资料

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

掺粉煤灰砂浆的显微结构及显微弹性性能的研究

摘要：粉煤灰已经被广泛应用到胶凝复合材料（例如，砂浆）中去替代硅酸盐水泥，因为这会有经济和生态两方面的效益。虽然粉煤灰对砂浆显微结构的影响已经被研究了数年，但是，粉煤灰掺和砂浆的显微弹性基础理论以及其显微结构与显微弹性之间的关联仍然缺乏研究结果。因此，本文旨在研究粉煤灰掺和砂浆的显微结构和显微弹性，研究方法是通过纳米压痕法和扫描电镜耦合的方法。通过这项研究工作，阐明了粉煤灰掺和砂浆中主要相的显微弹性性能。量化研究了粉煤灰对砂浆显微弹性性能的影响，研究结果显示了粉煤灰的掺入显著地降低了水化产物的平均弹性模量。

关键词：粉煤灰 砂浆 界面过渡区 弹性性能 显微结构 表征

1 引言：

在砂浆中，细骨料或者砂是嵌入水泥浆体中。在骨料和水泥浆基体的界面上，具有明显组织形态和性能的薄层被广泛地称为界面过渡区（ITZ）。界面过渡区的形成通常认为是壁面效应和微漏渗的结果^[1]。因为壁面效应和微漏渗，界面过渡区与水泥浆基体相比，便表现出更高的孔隙率、氢氧化钙(CH)含量和更低的力学性能^[2-4]。

粉煤灰作为一种工业副产物，因其经济性和生态效益，已经被广泛地应用于部分替代硅酸盐水泥。粉煤灰能够与氢氧化钙发生化学反应，生成二次C-S-H（水化硅酸钙），反应过程被称为火山灰反应。前人的研究表明，粉煤灰的掺入对ITZ的显微结构有影响，特别是在孔隙率和孔结构方面^[5-6]。因此，粉煤灰的掺入就影响了砂浆的整体运输和力学性能。虽然粉煤灰对混凝土和砂浆显微结构的研究已经进行数年，但是它对于混凝土和砂浆显微弹性的影响还没有被定量研究过，然而这对于我们理解和提高混凝土和砂浆的宏观力学性能是十分钟重要的。为了填补这个重要课题的空白，本项工作专门研究了粉煤灰掺和砂浆的显微弹性性能以及粉煤灰对砂浆显微结构性能的影响。

为了实现研究目标，本文采用纳米压痕法和扫描电镜（SEM）的方法。纳米压痕法已被证实在定量地表征普通混凝土和再生骨料混凝土的局部显微结构之力学性能方面是一种有利且有效的工具^[7-17]。同时，在表征ITZ和水泥浆基体的显微结构方面，SEM是最有效和最广泛应用的技术之一^[18-24]。因此，在这项工作中，将纳米压痕法和SEM耦合应用于掺入粉煤灰的砂浆和不掺入粉煤灰的砂浆，以将显微弹性参数和相应的材料相联系起来。

2 材料和方法：

2.1 样品准备

ASTM 1型硅酸盐水泥和ASTM F级粉煤灰用作胶凝材料（化学成分见表1），细度模数2.5的河沙用作细骨料。为了便于对比，两类砂浆采用同样的水灰比0.35与胶砂比1.5，但是，一种为硅酸盐水泥砂浆，另一种为粉煤灰掺和砂浆，粉煤灰替代水泥量为30%。在样品准备期间，原材料先经机械混合，再浇筑进40mmtimes;40mmtimes;160mm的模具中。24h后对样品脱模，然后放在温控值为20plusmn;2℃，相对湿度大于95%的养护室中养护。当砂浆达到180天凝期后，从养护室中取出，且立即浸没在酒精中作为后续工作的样本。

表1 硅酸盐水泥与粉煤灰的化学成分

对于纳米压痕法和SEM，要求从砂浆样品中间切割，切割成厚度大约为7mm的样品，再在真空干燥后用低黏度环氧树脂浸渍。然后，样品先用研磨膜（80mu;m）抛光，再用油和刚玉膏抛光至1mu;m，最后用离子平磨系统IM-3000抛光，从而获得非常光滑的表面。考虑到水对砂浆表面的干扰，在整个抛光过程中不用水，同时用一台光学显微镜在每一步结束后去检查抛光效率。抛光后，将样品放置异丙醇超声波池一分钟，以去除灰尘和表面残留的刚玉颗粒。

2.2测试方法

为了研究显微弹性性能，对于每个样品都进行纳米压痕测试。硬度（H）和压痕模量（Er）能够通过卸载过程中的压痕载荷-压痕深度曲线计算得出^[25-28]：

这里，beta;为相关系数（对伯氏压痕取1.034），A为利用奥利弗-法尔法^[25]再通过压痕深度h计算出的接触面积，h_max是压痕深度的最大值。弹性模量降低值与受压材料的弹性模量（E）泊松比（upsilon;）之间关系为：

这里，E_i和upsilon;_i为压痕尖端弹性模量和泊松比（E_i=1141GPa, upsilon;_i=0.07），对于纳米压痕测试，采用一个两周期的加载程序：采用最大穿透深度为300 nm的第一循环，确定材料微观结构的力学参数，第二循环采用最大穿透深度1500nm，用于扫描电镜的进一步表征。对每一个样品，共进行了800个纳米压痕试验，并分布在8个网格中。每个网格由10times;10组实验组成，相邻两组试验的间距设定为20mu;m，以避免相互干扰，因此，每个网格覆盖180mu;mtimes;180mu;m的面积。

在完成纳米压痕测试之后，样品被碳涂层覆盖，然后用JEOL JSM-6390 型扫描电镜，采用二次电子（SE）和背散射电子（BSE）模式表征砂浆的显微结构。同时用能谱仪（EDS）辅助分辨材料相应的材料相和压痕材料。SEM工作电压选择15kV^[29]。通过上述实验程序能够确定砂浆的显微弹性性能以及其显微结构与显微弹性性能之间的联系。

每一种砂浆的宏观弹性模量将会被超声波测量仪测出，超声波测量仪有一个支架，一个超声波装置（带两个超声波换能器）。在测试期间，换能器从一侧产生频率在1～3MHz之间的宽带纵波脉冲。然后，超声波穿透样品。一旦脉冲波到达样品另一侧就会被另一个传感器接收，超声波穿透样品的时间将会被记录。最后，通过样品的已知长度，确定出穿透样品的超声脉冲速度（C）^[30],然后弹性模量就能够通过式子得出：

这里，rho;是样品的密度，mu;是样品泊松比（0.21^[31]）。

3 显微结构：

背散射电子像是用来表征砂浆中的各种材料相。背散射电子像的衬度主要与局部显微结构的平均原子序数有关。因此，主要的相能够根据灰色衬度分辨出来，确定各个相得体积分数也是可能的。像砂浆这样的水泥基材料是高度异质性的，背散射电子像定量分析研究各个相的体积分数应当建立在在样品表面随机采集足够大数量的扫描电镜图像的基础上。放大倍数和背散射电子像的数目可能会影响分析结果的精度。然而，放大倍数的选择又是两难的，一方面较大的放大倍数能够使像中观察到更多的细节，而且由于成分衬度重叠造成的分析错误也能被降低到可控程度；但是，另一方面，随着放大倍数的增加，单个图像覆盖的总面积减少，这意味着为了整体研究水泥基材料的显微结构需要更多的图像。为了在图像的错误和数目之间寻求平衡，以前的某些研究者试图在最佳图像数目和放大倍数间建立联系^[32-34]。根据前人的研究^[32-34]以及我们对各种水泥基材料背散射电子像的应用^[35]，在水泥浆基体处取30个背散射电子像，放大倍数为500倍，在砂子的附近区域再取其他30个背散射电子像，放大倍数为500倍用于研究ITZ。每张像由1280times;960个像素组成，每个像素代表0.2mu;mtimes;0.2mu;m的微区，因此每张像涵盖了256mu;mtimes;192mu;m的区域。

背散射电子像中主要成分的划分是定量分析显微结构的重要一步。硅酸盐水泥砂浆中水泥浆基体的主要相是对应于扫描电镜图像衬度直方图中的特征峰，因此两个附属峰间的低区可以被认为是分隔两相的界限。总之，按衬度由明到暗的顺序，这些峰分别对应着残留水泥熟料、氢氧化钙和其他的水化产物（主要是C-S-H凝胶）。在大多数情况下，气孔没有对应的峰。为了分隔出气孔以及定量评价孔隙率，参考文献^[36]中提出的溢出方法适用于在本项工作中确定气孔的上界。粉煤灰掺和砂浆具有更复杂的显微结构，这是因为粉煤灰的衬度与其水化产物的衬度相重叠。对于粉煤灰掺和砂浆来说，在进行上述的相分隔方式之前，粉煤灰需要提前被划分出来。因此，文献中提及的过滤和二进制运算是适用于粉煤灰的划分的^[37]。在将硅酸盐水泥砂浆和粉煤灰掺和砂浆的各30张图像处理完成之后（参见图1中图像的细节处理），得到的结果包括平均相的体积分数和标准偏差（见表2）。通过比较表2中的体积分数，可以看出粉煤灰掺和砂浆中CH和孔隙占水泥浆基体的体积分数小于硅酸盐水泥砂浆中CH和孔隙占水泥浆基体的体积分数。同时，粉煤灰掺和砂浆中残留水泥熟料的体积分数比硅酸盐水泥砂浆中残留水泥熟料的体积分数小得多。因此，粉煤灰掺入砂浆造成了更低的孔隙率和更高的水化程度。

图1 粉煤灰掺和砂浆与相分隔过程中水泥浆基体的SEM-BSE图像

表2 利用SEM-BSE图像分析而得到砂浆的水泥浆基体中主要相的体积分数

4 力学性能

硅酸盐水泥砂浆和粉煤灰掺和砂浆中的纳米压痕是用SEM来鉴定的，如图2中的红圈所示。背散射电子像结合能谱仪元素分析被用于分析每一个纳米压痕测试中的相应的相，因此根据相应的相纳米压痕测试的数据被分为几组，包括砂、残留水泥熟料、粉煤灰和水化产物。为了计算每一个相的弹性模量，四种相的泊松比分别选为砂0.21，水泥熟料0.3，粉煤灰0.3，水化产物0.24^[38-39]。值得注意的是泊松比从0.2变化到0.3对弹性模量只有百分之几的影响。然后，通过公式（3）就可以计算出每个相的弹性模量。从压痕显微结构到砂表面的最小距离通过SEM测量，定义为每次压痕测试中压痕到集料表面的距离。通过上述的方法，可以的得到弹性模量与砂表面距离的关系，如图3所示纳米压痕的数据被根据不同的材料相分为不同的组。值得注意的是，一些纳米压痕测试是在几种相的交界面进行的。因为交界面是周围几种相的结合体，不用交界面的泊松比去计算其弹性模量是很困难的。同时，在后续分析中不考虑交界面的纳米压痕测试结果，因此在图3中也不将其呈现。

图2 两种砂浆的BSE-SEM图像

(a)硅酸盐水泥砂浆

(b)粉煤灰掺和砂浆典型区域的

（显示缩进100个网格）

（用红色圆圈标记以便于查看）

（为了解释本图图例中对颜色的引用，请参考本文的web版本）

图3 弹性模量与砂表面距离的关系曲线

1. 硅酸盐水泥砂浆 (b)粉煤灰掺和砂浆

此处，S,CM,HP,和FA分别表示砂、残留水泥熟料、水化产物和粉煤灰

4.1 砂

在粉煤灰掺和砂浆中，在砂上进行了117次纳米压痕测试。从这些测试中，可以计算出砂的平均弹性模量为87.8plusmn;17.4GPa（平均标准差）。粉煤灰掺和砂浆中砂的弹性模量直方图如图4所示，由此可以看到砂的弹性模量有很大的变化。通过SEM-BSE/EDS和纳米压痕测试结果的比较，表明图4中的三个尖峰对应着粉煤灰掺和砂浆中不同种类的砂。为了估算每种砂的平均弹性模量，采用最大似然法（ML）和期望最大化（EM）的反卷积法^[40]。反卷积法的基本假设是每一相原位弹性模量的分布可以用高斯分布近似。最大似然法和期望最大法的目的是估算未知参数（平均值，标准偏差和体积分数）。相应的反卷积法获得的结果如图4所示，规整于表3中（如表3所示），最硬砂的体积分数为74％，其弹性模量由石英砂构成^[35]。较软砂的体积分数为23%，弹性模量为66.5GPa，由方解石砂（钙质砂）构成^[35]。然而，最软砂的弹性模量只有42.5GPa，体积分数占3%，而且只存在于交界面附近，因此用纳米压痕法测得的较低的弹性模量都是归因于较低弹性模量的交界面的影响。

图4 粉煤灰掺和砂浆中砂的弹性模量直方图

表3粉煤灰掺和砂浆中砂的弹性模量

4.2残留水泥熟料和粉煤灰

正如SEM-BSE图像分析所示，在粉煤灰掺和砂浆中残留水泥熟料的量是相对较少的，因此，对残留水泥熟料只进行11组纳米压痕测试。粉煤灰掺和砂浆中残留水泥熟料的平均弹性模量计算得到60plusmn;16.9GPa，如表4所示。这比纯水泥熟料^[41]和硅酸盐水泥砂浆中的残留水泥熟料的平均弹性模量（105.5plusmn;19.8GPa）低得多。因为粉煤灰掺和砂浆中水泥的水化程度高，残留水泥熟料量少且游离水泥颗粒尺寸小，这就意味着残留水泥熟料的纳米压痕测试很容易被周围低硬度的水化产物影响。

lt;

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[234134]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word