永圣渡槽混凝土水化硬化与微观结构分析

高 杰，周铁军，陈崇德

（1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门448156；2.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局，武汉430071）

1 工程概述

永圣渡槽位于湖北省漳河灌区四干渠北干23+000～23+600处，跨越永圣河，灌溉面积1.13万hm2，设计流量11.24m3/s，渡槽全长555m，纵坡0.0012，采用15m跨排架支撑简支梁结构，槽身横断面为矩型结构。主要建筑物级别为4级，次要建筑物和临时建筑物级别为5级。

2 C30槽身混凝土原材料与配合比试验

2.1 原材料

本工程原材料选用三峡牌P.O 42.5水泥，其基本物理性能与化学成分满足GB 175—2007 《通用硅酸盐水泥》、SL 677—2014 《水工混凝土施工规范》要求；所用Ⅱ级粉煤灰满足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对Ⅱ级粉煤灰的相关要求；砂石骨料性能满足SL 677—2014 《水工混凝土施工规范》的要求。而且原材料的基本性能也满足永圣渡槽重建工程对原材料的技术要求［1］。

2.2 配合比试验

配合比如表1。其拌合物的初始坍落度100～130mm，硬化混凝土干缩变形性能较小（28d干缩率3.1×10-4），且抗渗等级W8、抗冻等级F50以上、抗硫酸盐侵蚀等级FS90以上。各项性能均满足永圣渡槽重建工程对槽身混凝土性能的设计要求［2］。

表1 永圣渡槽槽身混凝土配合比

3 C30槽身混凝土水化硬化与微观结构试验

3.1 试验方法

按表1制备C30混凝土试件，标准养护至7，28d，破型后取部分碎块，剔除其中的粗骨料，选取砂浆颗粒，并用斧头等锐器破碎至10mm以下，在无水酒精中浸泡至少48h，以中止水泥的水化。此后，将各水化样在60 ℃温度下烘至恒重，并挑选大小约5～8mm的颗粒用作SEM测试试样，用DF-4型电磁制样粉碎机将其他颗粒磨至全部细粉通过0.080mm的方孔筛，并保存在干燥器中以防止细粉碳化，细粉试样供XRD、TG-DTG、IR等微观验试分析使用。

3.2 XRD图谱

混凝土在不同水化各龄期试样（7，28d）的XRD图谱结果如图1。

图1 水化龄期试样的XRD图谱

3.3 TG-DTG测试

C30混凝土各龄期（7，28d）试样的测试结果如图2。

图2 不同龄期水化样TG-DTG-DSC曲线

3.4 IR测试

C30混凝土各龄期（7，28d）水化样的红外光谱分析（IR）测试结果如图3。

图3 在不同龄期水化样IR图谱

3.5 SEM测试

C30槽身混凝土在不同龄期（7，28d）试样的水化产物形貌及微观结构，测试结果如图4。

图4 不同龄期水化试样SEM图

4 C30混凝土水化硬化与微观结构试验结果

从图1可看出，混凝土中水化产物主要为Ca（OH）2，AFt等，而CaCO3，CaMg（CO3）2及SiO2是骨料中原有成分，由骨料带入。水化样中还检测到一定C3S等水泥熟料矿物。随着水化龄期的延长，试样中水化产物AFt的衍射峰强度增加、而Ca（OH）2，C3S的衍射峰强度逐渐减少，表明水泥中C3S等熟料矿物的水化继续进行，生成了更多的水化产物，其体系强度和耐久性持续增长［3］。

从图2可看出，在C30渡槽槽身混凝土不同龄期的各水化样（7，28d）的DTG曲线上，存在两个质量变化较为明显的峰，分别位于430 ℃与795 ℃，这些峰在DSC曲线上均对应为吸热峰。结合原料的化学成分及水化硬化研究结果（XRD、IR及SEM），认为：①430℃伴有明显质量损失的吸热峰对应体系中Ca（OH）2脱去结构水。②795 ℃温度范围内的吸热质量损失峰为CaCO3的吸热分解峰，而CaCO3有两个来源：其一由水泥的水化产物Ca（OH）2碳化而形成的；其二来自于混凝土的骨料（石灰岩碎石）。③热重曲线表明试样质量在整个试验过程中（温度从室温至1000 ℃）持续减少，这是由于整个试验过程中水化样不断失去水分而引起 （自由水和结构水）［4］。④在DTG曲线上，430 ℃的峰对应Ca（OH）2的分解（Ca（OH）2的质量为PCH），795 ℃之间的峰对应CaCO3由Ca （OH）2碳化形成，发生碳化的Ca（OH）2量为PCalcite，则各水化试样中Ca（OH）2的总量PT如式（1）：

式中 PCH=LCH×74/18；PCalcite=LCalcite×74/44。

根据图2的TG-DTG-DSC测试结果，按式（1）可得到各水化样中Ca （OH）2分解产生的质量损失量LCH，CaCO3分解产生的质量损失量LCalcite，如表2。

表2 混凝土在各龄期水化样结果

从表2看出，混凝土中Ca（OH）2的含量较低，这是由于试验研究所取试样中含有相当数量的骨料 （混凝土中带入），对水泥石中的Ca（OH）2有稀释作用，从而使其含量下降；另一方面由于试样在制备过程中发生了碳化，Ca（OH）2转变成CaCO3所致；再者由于粉煤灰的二次水化反应能消耗部分Ca（OH）2等（尽管在28d龄期时，二次水化反应程度可能较低）。另外，水化样中Ca（OH）2的含量随着龄期的延长而减小，7d龄期时，水化样中Ca（OH）2的含量为3.9%，而28龄期的水化样中Ca（OH）2的含量为1.9%。这是因为随着水化龄期的延长，混凝土中粉煤灰也在一定程度上发生二次水化反应，消耗部分Ca（OH）2，同时生成一定的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，从而促进了混凝土力学性能的增长［5］。

需要指出的是，由于所测的水化试样均取自于混凝土，因而不可避免地含有一定量的集料，因此，表2中CaCO3含量的变化很可能是由于所取水化试样中石灰石含量不同引起的［6］。

从图3看出，混凝土水化产物有水化硅酸钙（C-S-H）凝胶、钙矾石（AFt）、水化铝酸钙（CAH）等物质，而且，随着水化龄期的增长，C-S-H，Aft，CAH等水化物对应的IR特征峰逐渐增强，表明体系中水化产物数量增多，这是由于水泥的水化程度逐渐增大，生成了更多的水化产物，从而混凝土内部结构致密程度逐渐增大，这必将改善其硬化体宏观性能［7］。

从图4 SEM测试结果看出，混凝土的水化产物除含有氢氧化钙、钙矾石等晶体物质外 （XRD、TGDTG-DSC），还含有较多数量的凝胶类产物（水化硅酸钙等）。且随着龄期从7d增长到28d，混凝土的内部致密程度有所提升，表明随着龄期的延长，混凝土体系的水化持续进行，不仅水泥继续水化，而且粉煤灰在28d左右也逐渐参与二次水化反应，生成了更多的水化产物（图4（c）和（d）中，粉煤灰颗粒表面有少量的水化物），使混凝土结构密实度增加、孔隙率减小，因而，其力学性能和耐久性均得到提高［8］。

5 结语

（1）槽身混凝土的水化产物主要是水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、钙矾石等，此外，粉煤灰也能发生二次水化反应（28d龄期时，反应程度不高），消耗了一定量的氢氧化钙，同时生成了更多的水化产物。

（2）随着龄期的延长，混凝土体系的水化持续进行，不仅水泥继续水化，而且粉煤灰也逐渐参与二次水化反应，生成了更多的水化产物，使混凝土结构密实度增加、孔隙率减小，因而，其力学性能和耐久性均得到提高。

（3）现场试验所用的原材料及推荐的永圣渡槽槽身混凝土配合比可用于工程施工中。