摘要：研究了不同压蒸制度下制备的加气混凝土水化产物组成和形貌，讨论了水化硅酸钙结晶度与强度和干缩的关系，采用体视显微镜观察了加气混凝土中孔结构和分布。结果表明：未蒸养的加气混凝土中的水化产物以片状氢氧化钙、针棒状钙矾石和纤维状、网状C-S-H 凝胶为主；高温蒸养的加气混凝土则以叶片状、皱箔状托勃莫来石和卷曲状低钙水化硅酸钙为主，随着蒸养温度的升高，托勃莫来石结晶程度提高。随着粉煤灰掺量的增加，水化硅酸钙结晶度下降；石灰掺量增加时，水化硅酸钙结晶度增加。容重等级为B05的加气混凝土砌块，其宏观孔径主要分布在730～800μm之间，容重为B06砌块的宏观孔径主要分布在590～770μm范围，B07和B08砌块宏观孔径主要分布500～690μm之间。强度（σ）与孔隙率（P）的关系为：σ＝12.88695（1－P）1.06368。
关键词：加气混凝土；水化产物；结晶度；强度；干缩性能
1.前言
加气混凝土砌块是以粉煤灰、水泥、石灰和适量发气剂为原料制成的一种轻质多孔、绝热、节能并具有一定承载能力的墙体材料。从20 世纪50 年代末起，国内外学者就加气混凝土的水化产物做了大量研究工作，一般认为其主要为CaO-SiO2-H2O系水化产物，由CSH（B）凝胶和托勃莫来石等低碱性水化产物和较好抗碳化能力的CSH（A）等组成，然而迄今为止在水化产物的种类和组成上仍然存在一定的争议[1-3]。
此外，加气混凝土孔隙率较高，一般达70～80%，主要由铝粉发气形成的发气孔组成，孔径在零点几毫米到几毫米范围内，孔隙率大小和孔结构分布是影响加气混凝土的强度、体积密度和收缩性能的主要因素。
本文主要研究了不同压蒸制度下制备的加气混凝土的水化产物组成和形貌，讨论了其主要水化产物托贝莫来石结晶度与强度和干缩的关系，采用体视显微镜观察了加气混凝土中孔结构和分布。
2.原材料与试验
2.1原材料
原材料主要为：广州珠江水泥厂生产的P.II 42.5水泥； 80μm方孔筛筛余为20.1％的磨细河砂；广州市黄埔电厂Ⅱ级粉煤灰；广西产石膏和中速石灰，石灰中有效氧化钙含量为71％，消解时间15分钟，消解温度为71℃，石膏SO3含量为36.2％；天津科密欧有限公司生产的铝粉；外加剂为科力建材厂生产的PC－2稳泡剂和超塑建材厂生产的SPT100增强剂。水泥和粉煤灰的化学组成、物理性质和颗粒粒度分布分别示于表1和表2，其中D50表示中位粒径。
2.2主要试验方法及试验设备
料浆制备：将水泥、石灰、石膏、砂与粉煤灰按设定的配合比一次性投入搅拌机，快搅2min，慢搅1min，加入外加剂与水及铝粉后再分别搅拌3min和30s，试件采用7.07×7.07×7.07cm的试模成型。
净浆扩展度试验根据GB8077-87《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行；抗压强度按照GBJ81-85《普通混凝土力学性能实验方法》进行测定；砌块干燥收缩试验的测试采用快速试验法，按《加气混凝土干燥收缩性能试验方法》（GB/T11972-1997）进行；XRD衍射分析
采用D/MAX-IIIA型X-ray衍射仪进行实验；采用SX-40型扫描电镜对试件断面和孔壁等进行观察分析；采用XTZ系列连续变倍体视显微镜对试件的孔结构分布进行测定分析。
3.结果与讨论
3.1加气混凝土水化产物的组成与形貌
3.1.1浆体配比
用于水化产物组成与形貌分析的加气混凝土配合比如表3所示，浆体的净浆扩展度控制在160～170mm之间。
表3 加气混凝土水化产物的组成与形貌分析试验配比
3.1.2.1不同压蒸时间时加气混凝土的水化产物
由图1～图4可以发现：加气混凝土的蒸养时间对其水化产物的结构有着明显的影响：（1）未蒸养的加气混凝土浆体，其主要物相为Ca(OH)2、莫来石及石英和AFt等；（2）在0.5MPa和1MPa不同压力下蒸养8小时，可以发现后者托勃莫来石结晶程度较高，托勃莫来石特征峰较为明显。由图3-4可以发现，加气混凝土中粉煤灰颗粒表面已经充分水化，水化产物以结晶较完整的托勃莫来石、水化石榴石和CSH(I)为主，其中托勃莫来石的量较多，水化石榴石和CSH（I）含量则相对较少，这是因为其中的水化产物与SiO经蒸压养护生成托勃莫来石，同时在图谱中未观察到Ca(OH)2的特征峰；（3）蒸压8h与蒸压4h 相比，托勃莫来石特征峰明显增强，这是因为随着蒸压时间的延长，水化产物中的CSH(C)、C22SH(A)等会进一步与SiO形成托勃莫来石。
3.1.2.2 加气混凝土试样形貌观察
加气混凝土形貌观察采用表3中试验配比，蒸压制度为压力1MPa，保温8h。其水化产物形貌如图5到图8所示。试验结果表明：（1）在气孔内壁，产物多为一簇簇的柳叶状托勃莫来石及少量的水化石榴子石，托勃莫来石长约2～3μm，宽约1μm；（2）在试件断面上，钙质与硅质材料反应生成的水化产物晶形发育良好，在断面上密集丛生，水化产物以叶片状和针状为主，尺寸较小，在1～2μm之间，叶片状和针状水化产物胶结在一起；（3）加气混凝土水化产物密集丛生，在蒸压水热条件下生成的大量细纤维状CSH凝胶和棒针状水化硅酸钙，晶形发育良好，水化产物晶体相互交插连接，形成致密的网络状微观结构，使整个系统联为一个整体，起到了改善硬化体结构和提高力学强度的效果。
由XRD衍射分析和SEM形貌观察发现蒸养对加气混凝土水化产物的种类和结构形态有着明显的影响：（1）未蒸养的水化产物以片状氢氧化钙、针棒状钙矾石和纤维状、网状C-S-H 凝胶为主, 水化产物主要来自水泥水化。粉煤灰颗粒表面刚刚开始水化, 有少量水化产物形成, 粉煤灰颗粒间主要靠水泥水化产物搭接在一起，孔隙较多，结合较弱；（2）高温下水化产物以叶片状、皱箔状托勃莫来石和卷曲状低钙水化硅酸钙为主, 粉煤灰颗粒表面已经充分水化形成整体结构, 生成了结晶较好的水化产物，相互穿插紧密结合在一起，结构相对较致密。
3.2水化产物对加气混凝土性能的影响
3.2.1配合比设计
在探讨粉煤灰和石灰掺量对加气混凝土水化产物的影响试验中，固定水泥用量为26g、石膏为15g、砂为150g、稳泡剂0.1g、SPT-100为0.12g和铝粉为0.6g。配合比有两个系列。系列一中，石灰用量固定为130g，粉煤灰用量分别为：360g、380g、420g、460g和480g；系列二中，粉煤灰用量固定为420g，石灰的掺量分别为：90g、110g、130g、150g和170g。加气混凝土浆体的净浆扩展度控制在160～170mm之间。
3.2.2试验结果讨论
3.2.2.1粉煤灰和石灰掺量对加气混凝土性能及水化产物的探讨
随着粉煤灰和石灰掺量的变化，加气混凝土的硅质和钙质材料组成发生变化，其水化产物的种类和组成也将发生一定的改变，这将影响到其强度和收缩等性能。加气混凝土强度和收缩性能试验结果
如表4和表5所示。其中，水化硅酸钙结晶度按式1计算[4]
式中： MT、BT——托勃莫来石的主峰高和半高宽；
MC、BC——CSH的主峰高和半高宽。
表4 不同粉煤灰掺量蒸压加气混凝土砌块的性能
表5 不同石灰掺量蒸压加气混凝土砌块的性能
从表4和表5可以发现，随着粉煤灰掺量的增加，水化硅酸钙的结晶度呈下降趋势；而
随着石灰掺量的增加，水化硅酸钙的结晶度呈增加趋势。在蒸压养护过程中，随着温度的升高，硅质材料中的SiO 加速溶解，更多的SiO 与Ca (OH) 222 结合生成CSH（Ⅰ），因此随着粉煤灰掺量的增加，水化硅酸钙中的CSH凝胶的数量也随着增加，因此水化硅酸钙的结晶度随之降低。而随着石灰掺量的增加，在加气混凝土体系中Ca（OH）2的溶解速度加快，有利于生成较多勃莫来石，因此水化硅酸钙的结晶度随之增大。
图9和图11为不同粉煤灰和石灰掺量时水化硅酸钙结晶度与强度间的关系。从中可以看出，随着结晶度的增大，加气混凝土的抗压强度先增大后降低，其强度与结晶度存在一个最佳值范围，大概在35％到45％之间。加气混凝土的强度主要产生于水化硅酸钙胶与托勃莫来石及其它水化产物之间的粘结力，这种粘结力主要来范德华力。结晶度越低，制品的比表面越大，因此范德华力大，此时抗压强度随着结晶度的增加而变大。但是随着结晶度的增加，水化硅酸钙凝胶的数量减少，制品的强度就开始降低。只有当水化硅酸钙的结晶度处于某个范围，水化硅酸钙凝胶恰好以一定的厚度将托勃莫来石及其它水化产物覆裹并粘结在一起时，制品的强度才较高[4]。
图10和图12为不同粉煤灰和石灰掺量时水化硅酸钙结晶度和收缩性能的关系。可以发现随着结晶度的增大，加气混凝土的干缩值降低。由于托勃莫来石是一种结晶程度较好，稳定性较好，不易产生变形的产物，而C-S-H凝胶本身凝胶孔数量多，随着水分的蒸发，水凹液面曲率半径减少，收缩增大，因此结晶度越高，加气混凝土收缩值越小 [5-6] 。
3.3加气混凝土宏观孔结构的分析
3.3.1配合比设计
铝粉掺量加气混凝土试验配比和试验结果如表6和表7所示，其中固定水泥为26g、粉煤灰为430g、石灰为130g、石膏为15g、砂为150g和外加剂SPT-100为0.12g和稳泡剂0.5g。
表6 不同铝粉掺量对加气混凝土性能影响配合比
不同铝粉掺量加气混凝土性能如表7所示，
根据加气混凝土孔隙率与密度的关系为：
其中θ为孔隙率，ρ*为体积密度；ρs为真密度，其中加气混凝土的真密度为2.3kg/m3[7]。不同容重的加气混凝土有着不同的孔结构分布[8]，由式（2）可以发现随着总孔隙率的增加，容重降低。这表明加气混凝土砌块的容重取决于气孔的含量和气孔壁中的微孔含量，即取决于这种混凝土中的总孔隙率。由图13可见，容重等级为B05的砌块，其宏观孔径主要分布在730～800μm之间，容重为B06砌块的宏观孔径主要分布在590～770μm范围，B07和B08砌块宏观孔径主要分布500～690μm之间。[9]由加气混凝土的强度和体积密度关系可以发现
其中：σ为孔隙率为P时的强度，MPa； 为孔隙率为零时的强度（对于给定材料此值为常数），MPa； σOB
P为孔隙率，％； n为形状指数。
对表7中强度与孔隙率的数据进行回归，可以得出强度与孔隙率的方程为：
σ＝12.88695（1－P）1.06368 (相关系数R＝0.9580)
由该方程可以看出，加气混凝土的强度不仅随着孔隙率的变化而产生变化，同时也与孔的大小、形状和分布有关，即与形状指数n有关。在加气混凝土的制备过程中，控制其孔的形状指数，能够提高制品的性能，特别是力学性能。通过回归分析得出加气混凝土孔隙率和强度的关系曲线，在生产过程中通过测定制品的孔隙率可以推算出强度的范围，对生产质量控制有一定的指导意义。
材料本身的不均匀性、缺陷、微裂缝和孔隙等都会造成材料应力集中而使材料的实际抗压强度（σ）低于理论强度（σOB），式3与材料的理论密度，孔形状指数n有一定的关系；该关系式对粉煤灰加气混凝土有较好的适应性[9]。
4.结论
（1）未蒸养的加气混凝土水化产物以片状氢氧化钙、针棒状钙矾石和纤维状、网状C-S-H 凝胶为主，孔隙较多，结合较弱；在0.5MPa蒸养时以水化硅酸钙、AFt、水化石榴石和结晶度较低的托勃莫来石为主；在1MPa蒸养的加气混凝土水化产物以叶片状、皱箔状托勃莫来石和卷曲状低钙水化硅酸钙为主，托勃莫来石结晶程度较高。
（2）随着粉煤灰掺量的增加，水化硅酸钙结晶度呈下降趋势；而随着石灰掺量的增加，水化硅酸钙结晶度呈增加趋势。加气混凝土的抗压强度与结晶度的关系存在一个最佳值范围，当结晶度在35％到45％之间的时候，加气混凝土的抗压强度存在一个最大值，且随着结晶度的增大，加气混凝土的干缩值降低。
（3）随着总孔隙率的增加，容重降低，容重等级为B05的砌块，其宏观孔径主要分布在730～800μm之间，容重为B06砌块的宏观孔径主要分布在590～770μm范围，B07和B08砌块宏观孔径主要分布500～690μm之间。
（4）通过对强度和空隙率关系的回归分析，得出强度与孔隙率的方程为：σ＝12.88695（1－P）1.06368(相关系数R＝0.9580)。
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