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2025 , Vol. 42 >Issue 3: 178 - 187

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231246

水工结构与材料

植草混凝土细观结构特征及其对抗压强度的影响

  • 冯锡涛 ,
  • 江辉 ,
  • 刘瑶 ,
  • 蔡协琦 ,
  • 季国荣 ,
  • 邓必伟
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  • 南昌工程学院 鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室,南昌 330099
江 辉(1978-),男,江西兴国人,教授,博士,研究方向为生态水利工程。E-mail:

冯锡涛(1998-),男,山东潍坊人,硕士研究生,研究方向为水资源信息化技术。E-mail:

Copy editor: 陈 敏

收稿日期: 2023-11-14

  修回日期: 2024-04-01

  网络出版日期: 2025-03-14

基金资助

国家自然科学基金项目(51869012)

国家自然科学基金项目(42161055)

收起

Fine Structure Characteristics of Grass-planted Concrete and Its Effect on Compressive Strength

  • FENG Xi-tao ,
  • JIANG Hui ,
  • LIU Yao ,
  • CAI Xie-qi ,
  • JI Guo-rong ,
  • DENG Bi-wei
Expand
  • National and Local Joint Engineering Laboratory of Hydraulic Engineering Safety and Efficient Utilization of Water Resources in Poyang Lake Basin, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China

Received date: 2023-11-14

  Revised date: 2024-04-01

  Online published: 2025-03-14

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摘要

植草混凝土细观结构是影响混凝土抗压强度的关键因素,研究其物理化学性能,对植生型多孔结构的混凝土性能提升具有重要意义。对植草混凝土进行了Rapid Air 457孔隙结构测定、SEM电镜、XRD衍射、力学性能试验与分析,结果表明:硅灰石粉和粉煤灰显著优化了植草混凝土的细观孔隙结构,随着硅灰石粉和粉煤灰掺量的增加,细观孔隙含量分别降低至0.85%和0.22%,平均孔径均可以减小至80 μm以下,并引起间距系数发生改变,进而促使植草混凝土的28 d最大抗压强度分别提升至10.1 MPa和11.3 MPa。根据电镜和衍射试验结果,结合DES分析,发现植草混凝土中钙硅比减小,证实了2种掺合料的水化产物使得植草混凝土胶凝材料内部结构更加致密,并对植草混凝土抗压强度产生积极影响,填补了植草混凝土细观孔隙结构研究的空白。

关键词： 植草混凝土; 细观结构; 抗压强度; 硅灰石粉; 粉煤灰

本文引用格式

冯锡涛 , 江辉 , 刘瑶 , 蔡协琦 , 季国荣 , 邓必伟 . 植草混凝土细观结构特征及其对抗压强度的影响[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(3) : 178 -187 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231246

Abstract

The fine structure of grass-planted concrete plays a crucial role in determining its compressive strength. Understanding its physicochemical properties is essential for enhancing the performance of porous grass-planted concrete. We investigated the pore structure using Rapid Air 457 device, examined the SEM, XRD diffraction, and mechanical properties of grass-planted concrete. Results revealed that increasing the dosage of silica fume powder and fly ash reduced the finescale pore content to 0.85% and 0.22%, respectively. The average pore size decreased to less than 80 μm, and the spacing coefficient was significantly altered, which enhanced the 28-day maximum compressive strength of the grass-planted concrete up to 10.1 MPa and 11.3 MPa, respectively. SEM and XRD diffraction tests together with Dessication Susceptibility (DES) analysis unveiled that the mass ratio of Ca to Si in grass-planted concrete declined, indicating that the hydration products of silica fume powder and fly ash densified the internal structure of the cementitious material of grass-planted concrete, positively affecting its compressive strength. This research fills a gap in the study of the fine pore structure of grass-planted concrete.

Key words： grass-planted concrete; mesoscopic structure; compressive strength; silica fume; fly ash

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

目前,我国中小河流存在着河道冲刷、水体污染、生态系统退化等问题[1],传统的混凝土无法解决水资源污染和生态环境恶化问题,因此,一种新型的生态护岸材料对中小河流的综合治理尤为重要。
植草混凝土是一种具有随机大孔隙率的生态混凝土材料[2⇓-4],被广泛应用于河道岸坡治理工程中,不仅可以提高中小河流的防洪能力,还可以净化水质、保护水环境。植草混凝土的主要成分包括碎石和胶凝材料,其中碎石通过堆积形成多孔的骨架结构[5],胶凝材料包裹于碎石表面,提高多孔骨架的强度。因为植草混凝土需要兼顾植草和防洪两方面的需求,所以要满足一定孔隙要求的同时还要满足一定的强度要求,而孔隙是影响植草混凝土抗压强度的重要因素之一。植草混凝土主要包含2种孔隙,一种是宏观孔隙,其特征是孔隙率比较大,主要作用是提供草本植物根系生长的空间;另一种是细观孔隙,主要存在于植草混凝土的胶凝材料中,直径只有几微米至几百微米。细观孔隙的形成过程是一种复杂的物理化学变化过程,与掺合料的种类、水的用量、水化反应、制备工艺与制备设备等因素有关。细观孔隙虽然含量占比较小,但是仍然对植草混凝土的抗压强度产生一定的影响。
国内外学者主要对宏观孔隙进行了研究[6⇓⇓-9],随着图像信息技术的出现,开始利用CT扫描技术和三维重构技术对植草混凝土孔隙结构进行研究[10⇓-12],而对细观孔隙的研究主要集中在密实混凝土方面,例如,Poon等[13]研究发现外掺粉煤灰对混凝土的孔隙结构和工作性能产生积极影响;高明等[14]发现微硅粉可以提高砂浆水化产物结构的密实性。随着图像信息技术在混凝土上的应用,不少学者开始利用图像信息技术对混凝土细观孔隙进行分析,例如Uchikawa等[15]利用汞孔隙度测定法、光学显微镜与图像处理等方法对硬化水泥砂浆和混凝土中的所有孔隙空间进行测量;Igarashi等[16]采用电子显微镜(SEM-BSE)分析高强混凝土早期毛细管孔隙率和孔径分布。综上,通过查阅国内外文献发现目前植草混凝土宏观孔隙是研究的主流,而对植草混凝土细观孔隙研究较少,主要原因在于植草混凝土结构复杂,细观孔隙存在于胶凝材料中不易观察。
本文围绕植草混凝土细观结构与抗压强度两方面展开研究,以图像信息技术为支撑,通过制备与植草混凝土胶凝材料相同水灰比、灰砂比、外加剂掺量的胶凝材料,利用 Rapid Air 457混凝土微观组织结构分析仪对其细观孔隙结构进行观察,分析植草混凝土细观孔隙结构特征,并结合SEM电镜试验和XRD衍射试验研究胶凝材料微观形貌和水化产物变化,探究掺合料对细观孔隙的影响。

1 试 验

1.1 原材料

试验所用原材料包括:单一级配的普通碎石,粒径为20~25 mm,堆积密度为1 465 kg/m,表观密度为2 600 kg/m;P·O42.5水泥,相关性能指标如表1所示;普通河砂;普通自来水,pH值为6.5~8.5;植草混凝土增强剂,是一种主要含SiO2的高分子聚合物,具有增强、稳定、抗渗等特点;高效聚羧酸减水剂,减水率为25%;矿物掺合料分别为硅灰石粉(SF)和粉煤灰(FA),其相关性能指标与粒度分析如表2、图1所示。
表1 P·O 42.5水泥主要性能参数和化学成分

Table 1 Main performance parameters and chemical composition of P·O 42.5 cement

烧失
量/%		 比表面积/
( m2·kg-1)		 质量分数/%
氯离子 氧化铝 氧化镁 三氧化硫
3.02 357 0.012 5.5 1.2 2.01
表2 矿物掺合料主要化学成分

Table 2 Main chemical components of minerals %

矿物掺合料 二氧化硅 氧化钙 氧化铝 氧化镁 氧化铁
硅灰石粉 49~50 45~50 0.1~0.3 0.28 0.1~0.3
粉煤灰 43 5.6 23 0.95 2.5
图1 硅灰石粉(SF)和粉煤灰(FA)粒度分布

Fig.1 Particle size distribution of silica fume (SF) and fly ash (FA)

1.2 配合比设计

试验共设计2组配合比,分别为植草混凝土配合比和胶凝材料配合比。植草混凝土配合比采用体积法进行设计,目标孔隙率为20%,水灰比为0.35,灰砂比为2:1,植草混凝土增强剂和高效聚羧酸减水剂等效代替水泥用量的1%和0.2%,硅灰石粉和粉煤灰掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%,配合比计算方法如下:
M G ρ G + M J ρ J + P = 1 　 ;
M G = ρ g   α 　 。
式中:MG、MJ分别表示植草混凝土中骨料和胶凝材料的质量;ρG、ρJ分别表示植草混凝土中骨料和胶凝材料的密度;P表示设计的植草混凝土目标孔隙率;ρg为骨料堆积密度;α为折减系数,一般取0.98。植草混凝土各组分用量配合比如表3所示。
表3 20%目标孔隙率植草混凝土试验配合比

Table 3 Mix proportion of grass-planted concrete with a target porosity of 20% kg/m3

编号 粗骨料 水泥 硅灰石粉 粉煤灰 河砂 水 增强剂 减水剂
20HD 1 340 425 0 0 215 113 4.3 0.86
20HG1 1 340 403 22 0 215 113 4.3 0.86
20HG2 1 340 381 44 0 215 113 4.3 0.86
20HG3 1 340 359 66 0 215 113 4.3 0.86
20HG4 1 340 337 88 0 215 113 4.3 0.86
20HG5 1 340 315 110 0 215 113 4.3 0.86
20HG6 1 340 293 132 0 215 113 4.3 0.86
20HF1 1 340 403 0 22 215 113 4.3 0.86
20HF2 1 340 381 0 44 215 113 4.3 0.86
20HF3 1 340 359 0 66 215 113 4.3 0.86
20HF4 1 340 337 0 88 215 113 4.3 0.86
20HF5 1 340 315 0 110 215 113 4.3 0.86
20HF6 1 340 293 0 132 215 113 4.3 0.86
胶凝材料配合比依据植草混凝土胶凝材料用量进行设计,配合比设计结果如表4所示。
表4 胶凝材料试验配合比

Table 4 Mix ratio of cementitious materials kg/m3

编号 水泥 硅灰石粉 粉煤灰 河砂 水 增强剂 减水剂
KB-0 1 363.4 0 0 690 362 13.8 2.8
SF-5 1 294.4 69 0 690 362 13.8 2.8
SF-10 1 225.4 138 0 690 362 13.8 2.8
SF-15 1 156.4 207 0 690 362 13.8 2.8
SF-20 1 087.4 276 0 690 362 13.8 2.8
SF-25 1 018.4 345 0 690 362 13.8 2.8
SF-30 949.4 414 0 690 362 13.8 2.8
FA-5 1 294.4 0 69 690 362 13.8 2.8
FA-10 1 225.4 0 138 690 362 13.8 2.8
FA-15 1 156.4 0 207 690 362 13.8 2.8
FA-20 1 087.4 0 276 690 362 13.8 2.8
FA-25 1 018.4 0 345 690 362 13.8 2.8
FA-30 949.4 0 414 690 362 13.8 2.8

1.3 试验方法

1.3.1 试块的制备

试块主要包括植草混凝土试块和胶凝材料试块,分别用于抗压强度试验和细观孔隙扫描。植草混凝土制备采用裹浆法[17],试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm(图2)。为提高试验精度,还需进行上下封浆处理,封浆厚度为10 mm,制备完成后的植草混凝土需静置24 h后脱模,并在标准养护条件下养护7 d和28 d,养护温度为20 ℃,养护湿度为95%。胶凝材料试块制备方法为混合搅拌法,制备流程包括称重、搅拌、装模、振动和养护。细观孔隙识别切片制备流程按照ASTM C 457规程执行,包括切割、清洗、黑白处理、晾干,切片尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。
图2 植草混凝土抗压强度试验试块

Fig.2 Grass-planted concrete blocks for compression test

1.3.2 胶凝材料细观孔隙结构识别

Rapid Air 457混凝土微观组织结构分析仪可以自动分析硬化混凝土孔隙结构,其基于ASTM C 457规程中的线性穿越程序和修改点计数程序实现硬化混凝土孔隙的显微测定。设备镜头按照事先设置好的行进路线对切片进行扫描,以创建由数千张显微图像拼接而成的复合图像,利用计算机软件实时读取并计算孔隙参数(图3)。
图3 细观孔隙识别示意图

Fig.3 Schematic diagram for identification of mesoscopic pores

Rapid Air 457主要测定参数包括孔隙含量、平均孔径、间距系数等。将该设备混凝土样品测试结果与欧洲13个实验室的混凝土样品分析结果(7个人工分析,6个自动分析)对比,发现Rapid Air 457混凝土微观组织结构分析仪分析结果和13个欧洲实验室的分析结果具有较高的一致性[18]。Rapid Air 457主要计算参数及步骤如下。
平均弦长 L ¯为
L ¯ = T a N 　 。
式中:Ta表示穿越细观孔隙的导线长度;N表示单个切片的细观孔隙总数。
间距系数 l ¯:
当S/A<4.342时,
l ¯ = T p 4 N 　 ;
当S/A≥4.342时,
l ¯ = 3 a 1.4 1 + S A 1 / 3 - 1 　 。
式中:Tp表示经过细观孔隙之间的浆体的导线长度;a表示细观孔隙的比表面积;S/A表示单个切片的浆体面积与孔隙面积的比值。
孔隙含量A(%)为
A = 100 r 1 + M + 1 　 。
式中:r表示单个切片的浆体面积与孔隙面积的比值;M表示从配合比设计计算出的集料体积与浆体体积之比。

1.3.3 植草混凝土抗压强度的测定

抗压试验是评估植草混凝土的强度和耐久性等性能的重要方法之一。植草混凝土抗压试验主要利用万能力学试验仪,严格依据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)[19]。植草混凝土7 d与28 d抗压强度测定结果如表5所示。
表5 植草混凝土抗压强度试验结果

Table 5 Compressive strengths of grass-planted concrete of different curing ages

矿物
掺合料		 养护
期/d		 不同矿物掺合料掺量下抗压强度/MPa
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
硅灰石粉 7 4.6 5.3 5.1 9.3 10.4 9.8 6.9
28 4.8 5.0 5.1 6.8 9.9 10.1 8.0
粉煤灰 7 4.6 8.9 7.0 9.0 10.8 10.5 7.3
28 4.8 5.3 6.4 9.8 11.3 9.5 9.5

2 结果与讨论

2.1 细观结构分析

2.1.1 细观孔隙含量变化

细观孔隙主要存在于植草混凝土胶凝材料中,植草混凝土的制备工艺、原材料和水化反应导致其内部产生了不均匀细观孔隙,通过外掺矿物掺合料可以减少其孔隙含量。图4给出了28 d养护龄期后,植草混凝土细观孔隙含量随矿物掺合料掺量变化情况,其中KSF和KFA表示随着SF和FA掺量增加,细观孔隙含量的减少速率。由图4可知,植草混凝土细观孔隙含量随着SF和FA掺量的增加而减少,在0%~30%掺量范围内FA使植草混凝土内部孔隙含量减少更明显, SF和FA均可以改善植草混凝土内部细观孔隙结构。
图4 细观孔隙含量随掺量变化

Fig.4 Changes in mesoscopic pore content with varied SF and FA content

在28 d龄期下,SF和FA掺量由0%增加至30%时,植草混凝土细观孔隙含量分别从3.20%降至0.85%和0.22%,FA降低植草混凝土细观孔隙含量的效果要优于SF。通过分析细观孔隙含量变化速率可知SF和FA对细观孔隙影响的主要范围集中在前15%掺量,其中当SF掺量<10%时,对植草混凝土内部细观孔隙含量的影响最为明显,掺量>10%后孔隙含量减少幅度逐渐趋于平缓;FA掺量在<15%时,对植草混凝土内部细观孔隙含量的影响最为明显。
由图5细观孔隙含量变化对比可发现,在28 d养护龄期后,随着掺合料掺量的增加,植草混凝土细观孔隙含量在孔径<4 000 μm的范围内降低明显,尤其在500~4 000 μm范围内降低最为明显,说明SF和FA作为植草混凝土的掺合料可以有效降低细观孔隙含量。这主要是由于二者的火山灰效应和填充效应能够有效填充植草混凝土的细观孔隙。而在孔径<60 μm区间SF掺量>10%后细观孔隙有增加的趋势,说明外掺SF时,植草混凝土中微小细观孔隙含量有所增加,也验证了间距系数减小的原因是微小孔隙数量出现了增长。尽管SF和FA化学物理性质差别较大,但作为掺合料时都是主要填充>500 μm的孔隙。故将SF和FA作为掺合料的植草混凝土具有良好的细观孔隙结构。
图5 细观孔隙含量随矿物掺合料掺量及孔径变化

Fig.5 Changes in mesoscopic pore content with varied SF and FA content and pore size

2.1.2 细观孔隙结构变化

图6给出了28 d养护龄期后,植草混凝土细观孔隙结构随矿物掺合料掺量变化情况,主要研究参数为平均孔径和间距系数。平均孔径表征所有细观孔隙大小的平均值,间距系数表征相邻2个细观孔隙中心点之间的距离。一般来说,平均孔径越小,混凝土结构越密实,抗压强度越高[20];而间距系数对抗压强度的影响较小[21]。
图6 细观孔隙结构随矿物掺合料掺量变化

Fig.6 Changes in mesoscopic pore structure with SF and FA dosage

由图6 可知,随着SF和FA掺量增加,植草混凝土细观孔隙平均孔径呈现减小的趋势,有助于提高植草混凝土的密实性,使得孔隙分布均匀且合理,有利于均匀分布应力,提高植草混凝土强度。外掺SF的减小趋势要比FA大,对细观孔隙孔径结构改善效果更好。当SF掺量为5%时,最大孔径为167 μm;当SF和FA掺量>15%时,细观孔隙孔径均达到80 μm以下。故SF和FA掺量>15%对细观孔隙平均孔径均有不错的改善效果。
外掺FA时,植草混凝土细观孔隙间距系数总体呈现增长趋势;而外掺SF时,间距系数总体呈现减小趋势,结合图5分析得到间距系数减小的原因是微小孔隙数量出现了增长,外掺SF时火山灰效应产生的C-S-H凝胶堆积仍然会产生较小的孔隙[22],使得相邻两个细观孔隙中心点之间的距离降低。但微小孔隙含量的增加不会导致抗压强度降低,这是因为更小的孔隙可以增加SF和水泥之间的接触面积,为二者之间的化学反应提供更多的界面,提高水化产物含量,有利于强度的提高。因此,间距系数的变化影响胶凝材料性能及其内部孔隙结构,进而影响植草混凝土的抗压强度。间距系数还受到其他因素的综合影响,如矿物掺合料种类和水灰比等。

2.2 抗压强度分析

图7为植草混凝土抗压强度随矿物掺合料掺量和养护龄期变化情况。
图7 抗压强度随矿物掺合料掺量和养护龄期变化

Fig.7 Changes in compressive strength with dosage and curing age

由图7(a)可知,当养护龄期在7 d时,植草混凝土抗压强度变化趋势较为复杂,尤其在外掺FA时,出现了双峰的情况,这主要是因为植草混凝土属于多孔结构材料[23],相对于普通混凝土结构更为复杂,抗压试验存在不稳定性,且水化反应在7 d养护时尚未完全结束。外掺SF和FA的植草混凝土抗压强度最高可分别增加5.8 MPa和6.4 MPa。SF或FA掺量为0%时,抗压强度最低,为4.6 MPa;SF或FA掺量为20%时,抗压强度最大,分别为10.4 MPa和10.8 MPa;随着SF或FA掺量继续增加,抗压强度又出现了下降。
由图7(b)可知,养护龄期在28 d时,植草混凝土抗压强度变化趋势较为简单,随掺和料掺量的增加总体呈现先上升后下降的趋势。这是因为养护龄期为28 d时水化反应已经完全结束,植草混凝土结构更稳定。养护龄期在28 d时外掺SF和FA的植草混凝土抗压强度最高可分别增加5.3 MPa和6.5 MPa。SF或FA掺量为0%时抗压强度最低,为4.8 MPa;SF掺量为25%时抗压强度最大,为10.1 MPa;FA掺量为20%时抗压强度最大,为11.3 MPa。综上,一定掺量的SF或FA均可提升植草混凝土抗压强度,且FA的提升效果要优于SF。

2.3 细观孔隙结构对抗压强度的影响

在研究植草混凝土细观孔隙结构对植草混凝土抗压强度的影响前,要明确在2.1.1节和2.1.2节中,用于分析细观孔隙的胶凝材料经过了28 d的养护,这是因为经历7 d养护的胶凝材料水化反应可能未完全结束,内部细观孔隙结构可能在7 d后仍出现变化。为不影响试验准确性,故选用经过28 d养护的胶凝材料。因此,在分析细观孔隙结构对抗压强度的影响时,选用植草混凝土28 d抗压强度数据。
从2.1.1节可知,植草混凝土细观孔隙含量随矿物掺合料掺量的增加而逐渐减小;从2.2节可知植草混凝土28 d抗压强度随矿物掺合料掺量的增加呈现先增加后减小的趋势,外掺SF或FA的植草混凝土抗压强度分别在掺量<25%和<20%时逐渐增加,故分析细观孔隙结构对抗压强度的影响时,优先选用SF掺量<25%和FA掺量<20%时的抗压强度。在SF掺量<25%时,细观孔隙含量和抗压强度之间存在负相关关系,即随着细观孔隙含量的增加,抗压强度逐渐减小,此时R2=0.652 2,二者存在一定的相关性;在FA掺量<20%时,细观孔隙含量和抗压强度之间同样存在负相关关系,此时R2=0.955 8,二者之间存在显著的相关性(见图8、表6)。
图8 细观孔隙含量与抗压强度关系拟合曲线

Fig.8 Fitting curves of mesoscopic pore content against compressive strength

表6 细观孔隙结构对抗压强度的影响

Table 6 Influence of mesoscopic pore structure on compressive strength

细观孔隙
结构参数		 矿物
掺合料		 R2 拟合函数
细观孔
隙含量		 SF 0.652 2 y=8.808x-0.758
FA 0.955 8 y=10.219 5x-0.836
平均孔径 SF 0.610 5 y=291.33x2-90.87x + 11.798
FA 0.842 4 y=-864.87x2+59.441x+9.333 6
间距系数 SF 0.358 6 y=-30.987x+10.117
FA 0.133 9 y=31.959x+4.220 2
由表6可知,在矿物掺合料掺量范围为0%~25%时,平均孔径和抗压强度之间存在一定相关性,二者也呈现负相关关系,但是R2小于孔隙含量的R2,即平均孔径对抗压强度的影响没有孔隙含量显著,而间距系数与抗压强度之间基本不存在明显相关性,其中R2最大仅为0.358 6。综上,在一定矿物掺合料掺量范围内,细观孔隙含量、平均孔径均与抗压强度呈现负相关,即细观孔隙含量减少和平均孔径减小可提高植草混凝土的强度,且矿物掺合料FA的影响要大于SF,间距系数对抗压强度产生的影响微乎其微。

2.4 微观机理分析

2.4.1 XRD衍射分析

XRD衍射分析和SEM电镜试验可以从微观角度分析植草混凝土细观孔隙结构特征变化及其对抗压强度影响的主要原因。植草混凝土水化产物主要物相为Ca(OH)2、C-S-H凝胶等[24],SiO2、Ca(OH)2、C-S-H凝胶的主要衍射峰分别位于26.67°、34.09°、29.43°。
由图9(a)可知单掺SF后的植草混凝土的SiO2、Ca(OH)2、C3S 物相特征衍射峰明显减弱,而C-S-H的衍射峰明显增强,其主要原因是SF的火山灰效应较强,一方面促进了C3S的水化进程,另一方面可以与水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H等水化凝胶。由图9(b)可知外掺FA的植草混凝土C-S-H的衍射峰无明显变化,而C-A-S-H的衍射峰明显增强。这主要是由于FA含有大量的Al3+,在参与水化反应过程中可以与SiO2、Ca(OH)2反应生成更多的C-A-S-H凝胶,故导致C-A-S-H的衍射峰增强;并且Al3+的存在使得C-A-S-H凝胶更加致密,强度要高于C-S-H凝胶的强度[25]。所以外掺FA的植草混凝土抗压强度要高于外掺SF的植草混凝土抗压强度。此外,FA同样可以促进水化反应,使植草混凝土内部的SiO2、C3S和H2O反应生成更多的C-S-H以及AFt,导致胶凝材料的C3S衍射峰减弱。
图9 水泥砂浆XRD衍射分析

Fig.9 XRD diffraction pattern of gelling material

2.4.2 SEM电镜试验

单掺SF和FA的植草混凝土胶凝材料的电镜图像如图10所示。在放大400倍的条件下,未掺加矿物掺合料的植草混凝土微观形貌呈现海绵状,质地疏松,存在较多细观孔隙;且Ca(OH)2晶体堆积于胶凝材料内,水化产物C-S-H较少,降低了胶凝材料与植草混凝土粗骨料之间的粘结性,导致植草混凝土强度较低。但由图10(b)、图10(c)可知,外掺SF和FA后植草混凝土胶凝材料中细观孔隙数量和Ca(OH)2晶体明显减少,水化产物C-S-H增多,胶凝材料结构更加密实。这主要是因为SF和FA的火山灰效应促进了水泥的水化反应,生成了更多的C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶,填充了胶凝材料的孔隙,改善了胶凝材料的微观结构,提高了植草混凝土的强度,如图11所示。FA也发挥了其微集料填充性[26],未参加水化反应的颗粒状FA填充了胶凝材料中的细观孔隙,提高了胶凝材料密度,这也是减少细观孔隙含量、提升植草混凝土力学性能的重要原因。
图10 水泥砂浆微观组织形貌

Fig.10 Microstructure morphology of gelling material

图11 水化产物改善细观孔隙示意图

Fig.11 Schematic diagram of hydration products improving mesoscopic pore

2.4.3 元素分析

为揭示外掺SF和FA时胶凝材料中各种元素的分布和含量,深入了解胶凝材料生成的水化产物类型,探究微观结构,通过选定区域元素分析可以对胶凝材料水化产物及其微观结构致密程度进行分析。
徐文等[27]、陈友治等[28]通过研究钙硅比对水化产物结构性能的影响发现,钙硅比越高,水化产物表面微观结构越疏松,结晶程度越差。由图12可知,胶凝材料分析区域图内的主要元素包括Ca、Si、C、O、Al、K、Fe、Mg。含有元素Ca、Si、C、O、Al表明存在水化产物(C-S-H、C-A-S-H),并且不同SF和FA掺量导致钙硅比产生明显变化。
图12 胶凝材料EDS元素分析

Fig.12 EDS elemental analysis of cementitious materials

从图13(a)空白组可知,未掺加SF和FA时,元素分析区域1(谱图1)范围内的晶体是空白组胶凝材料的主要晶体,由对应元素谱图1、谱图2可知含有较多的元素Si和O,而Ca含量为0,可初步判定此处应该为SiO,未见其他组成水化产物的元素;而区域2(谱图2)和区域3(谱图3)内的元素主要为Ca、Si、O,证明此处存在水化产物,分析这2个区域内的钙硅比可知,其钙硅比分别为2.7和3.0。
图13 胶凝材料元素区域分析结果

Fig.13 Regional elemental analysis of cementitious materials

由图13(b)可知,区域1内存在的主要元素为Ca和O,还有少量的C,表明区域1内没有水化产物,且该处晶体占比较少;区域2内存在的主要元素包括了Ca、Si、O,钙硅比为2.42,小于图13(a)空白组的钙硅比,表明此处胶凝材料结晶程度更高,微观结构更致密;而区域3内存在的主要元素包括Ca、Si、O、C,且Ca元素含量较高,导致钙硅比较高,主要原因是硅灰石粉中含有较高含量的CaO,与水反应生成了Ca(OH),Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成了CaCO3。
由图13(c)可知,区域1内主要元素为Al、Si、O,因此认为此处化学成分应为Al2O3和SiO,如表2所示,也就是粉煤灰的主要化学成分,所以此处应该是作为微集料起填充作用的粉煤灰颗粒。而区域2内主要元素为Al、Si、O、C,因此该处存在水化产物C-S-H和C-A-S-H。这2个区域内的钙硅比分别为2.3和2.4,小于外掺SF和空白组的钙硅比。
综上所述,未掺加SF和FA的胶凝材料钙硅比较高,微观状态下胶凝材料的质地比较疏松,而外掺SF和FA可以有效降低胶凝材料的钙硅比,其中外掺FA时降低最明显,胶凝材料微观状态下结构更加致密,这一结果与SEM电镜分析结果一致。

3 结论

(1)外掺SF和FA对植草混凝土强度有一定的提升作用,考虑到植草混凝土自身特点,在养护龄期为7 d时掺量为20%的SF或FA对植草混凝土抗压强度提升最大,而养护龄期为28 d时25%的SF或20%的FA对植草混凝土抗压强度提升最大。
(2)SF和FA的掺入均可以改善植草混凝土细观孔隙结构,细观孔隙含量分别降低至0.85%和0.22%,且主要减少的孔隙范围在500~4 000 μm之间,其中FA的改善效果更明显;当SF和FA掺量>15%时,孔隙平均孔径保持在80 μm以下,间距系数也发生明显变化。
(3)在一定矿物掺合料掺量范围内,细观孔隙含量、平均孔径均与抗压强度呈现负相关,即细观孔隙含量的减少和平均孔径的减小可以提高植草混凝土的强度,且矿物掺合料FA的影响要大于SF,间距系数对抗压强度产生的影响微乎其微。
(4)火山灰效应和填充效应共同作用降低了植草混凝土的细观孔隙含量,提高力学性能。根据XRD衍射与SEM电镜结果可知SF和FA消耗了大量Ca(OH),生成了C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶,且SF和FA自身填充了大量的孔隙,有利于提高植草混凝土力学性能。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
江辉, 刘青, 黄宝强, 等. 农村小河流生态固岸新模式探讨[J]. 中国农村水利水电, 2014(12): 56-59.

(JIANG Hui, LIU Qing, HUANG Bao-qiang, et al. Construction of New Modes of Ecological Reinforcement Strands in the Rural Small Rivers[J]. China Rural Water and Hydropower, 2014(12): 56-59. (in Chinese))

[2]
KANG K, KIM W J, PARK S J. Application of Activated Carbon and Crushed Concrete as Capping Material for Interrupting the Release of Nitrogen, Phosphorus and Organic Substance from Reservoir Sediments[J]. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 2016, 58(2): 1-9.

[3]
KIM H H, PARK C G. Performance Evaluation and Field Application of Porous Vegetation Concrete Made with By-product Materials for Ecological Restoration Projects[J]. Sustainability, 2016, 8(4): 294.

[4]
江辉, 刘瑶, 黄海清, 等. 适于小河流的植草混凝土配合比优化设计及应用[J]. 硅酸盐通报, 2019, 38(5):1349-1355.

(JIANG Hui, LIU Yao, HUANG Hai-qing, et al. Mixture Ratio Optimal Design of Porous Vegetation Concrete and Its Application in Small River[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2019, 38(5):1349-1355.(in Chinese))

[5]
吴春波, 崔力谨. 植草混凝土强度性能影响因素的研究进展[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(增刊2): 6-9.

(WU Chun-bo, CUI Li-jin. Research Progress on Influencing Factors of Strength of Porous Vegetation Concrete[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52 (Supp.2): 6-9. (in Chinese))

[6]
胡勇有, 胡春明, 谢磊, 等. 植生型生态混凝土孔隙状态对植物生长的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2006, 34(12): 5-9.

(HU Yong-you, HU Chun-ming, XIE Lei, et al. Effect of Void Status in Eco-concrete for Planting on Plant Growth[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2006, 34(12): 5-9. (in Chinese))

[7]
李维维, 高宽能, 杨华山, 等. 植生型“夹心” 生态混凝土的试验研究[J]. 混凝土, 2020(4): 110-113, 117.

(LI Wei-wei, GAO Kuan-neng, YANG Hua-shan, et al. Experimental Study on Planting Type“Sandwich” Ecological Concrete[J]. Concrete, 2020(4):110-113, 117. (in Chinese))

[8]
SUMANASOORIYA M S, NEITHALATH N. Pore Structure Features of Pervious Concretes Proportioned for Desired Porosities and Their Performance Prediction[J]. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(8): 778-787.

[9]
CHINDAPRASIRT P, HATANAKA S, CHAREERAT T, et al. Cement Paste Characteristics and Porous Concrete Properties[J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(5): 894-901.

[10]
MANAHILOH K N, MUHUNTHAN B, KAYHANIAN M, et al. X-ray Computed Tomography and Nondestructive Evaluation of Clogging in Porous Concrete Field Samples[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(8):1103-1109.

[11]
刘婷婷, 温福胜, 赵村罡, 等. 现浇植被混凝土细观孔隙结构分析及渗流模拟[J]. 中国农村水利水电, 2020(10):88-93,105.

(LIU Ting-ting, WEN Fu-sheng, ZHAO Cun-gang, et al. Mesoscale Pore Structure Analysis and Seepage Simulation of Cast-in-situ Vegetation Concrete[J]. China Rural Water and Hydropower, 2020(10):88-93,105. (in Chinese))

[12]
CHUNG Sang-yeop, HAN Tong-seok. Percolation Analysis on Porous Concrete Using Microstructural CT Image Processing and Probability Distribution Functions[J]. Journal of The Korean Society of Civil Engineering A, 2012, 32(1A): 31-37.

[13]
POON C S, LAM L, WONG Y L. A Study on High Strength Concrete Prepared with Large Volumes of Low Calcium Fly Ash[J]. Cement and Concrete Research, 2000, 30(3): 447-455.

[14]
高明, 刘宁, 陈兵. 微硅粉改性磷酸镁水泥砂浆试验研究[J]. 建筑材料学报, 2020, 23(1): 29-34.

(GAO Ming, LIU Ning, CHEN Bing. Effect of Silica Fume on Properties of Magnesium Phosphate Cement Mortar[J]. Journal of Building Materials, 2020, 23(1): 29-34. (in Chinese))

[15]
UCHIKAWA H, UCHIDA S, HANEHARA S. Measuring Method of Pore Structure in Hardened Cement Paste, Mortar and Concrete[J]. IL Cimento, 1991, 88(2): 67-90.

[16]
IGARASHI S I, WATANABE A, KAWAMURA M. Evaluation of Capillary Pore Size Characteristics in High-strength Concrete at Early Ages[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(3): 513-519.

[17]
焦楚杰, 彭兰, 谭思琪, 等. 植生混凝土成型方式研究[J]. 混凝土, 2021(12): 128-131.

(JIAO Chu-jie, PENG Lan, TAN Si-qi, et al. Study on the Forming Method of Plant Concrete[J]. Concrete, 2021(12): 128-131. (in Chinese))

[18]
PADE C, JAKOBSEN U H, ELSEN J. A New Automatic Analysis System for Analyzing the Air Void System in Hardened Concrete[C]// Proceedings of the 24th International Conference on Cement Microscopy. San Diego, California. April 8-11, 2002:204-213.

[19]
GB 50010—2002, 混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

(GB 50010—2002, Code for Design of Concrete Structures[S]. Beijing: China Architecture Industry Press, 2002. (in Chinese))

[20]
骆冰冰, 毕巧巍. 混杂纤维自密实混凝土孔结构对抗压强度影响的试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2012, 31(3):626-630.

(LUO Bing-bing, BI Qiao-wei. Experimental Study on the Influence of Pore Structure of Hybrid Fibers Self-compacting Concrete on Compressive Strength[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2012, 31(3):626-630. (in Chinese))

[21]
董瑞鑫, 申向东, 薛慧君, 等. 风积沙混凝土的气泡参数对其强度的影响[J]. 材料导报, 20, 36(12):105-109.

(DONG Rui-xin, SHEN Xiang-dong, XUE Hui-jun, et al. Influence of Air Void Parameters of Aeolian Sand Concrete on Its Strength[J]. Materials Reports, 20, 36(12):105-109. (in Chinese))

[22]
甘新平. CSH凝胶结构的探讨[J]. 硅酸盐学报, 1996, 24(6): 23-28.

(GAN Xin-ping. Study on the Structure of CSH Gel[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 1996, 24(6): 23-28. (in Chinese))

[23]
陶祥令, 刘辉, 程雷. 植被生态混凝土制备工艺研究进展[J]. 材料导报, 2016, 30(13): 152-158.

(TAO Xiang-ling, LIU Hui, CHENG Lei. Research Status of Preparation Process for Vegetation Ecological Concrete[J]. Materials Review, 2016, 30(13): 152-158. (in Chinese))

[24]
魏风艳, 吕忆农, 兰祥辉, 等. 粉煤灰水泥基材料的水化产物[J]. 硅酸盐学报, 2005, 33(1): 52-56.

(WEI Feng-yan, LÜ Yi-nong, LAN Xiang-hui, et al. Hydration Products of Fly Ash cement-based Material[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2005, 33(1): 52-56. (in Chinese))

[25]
马骁, 何巨鹏, 谢雪鹏, 等. 基于分子动力学模拟的C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶研究[J]. 混凝土, 2019(1):118-122.

(MA Xiao, HE Ju-peng, XIE Xue-peng, et al. Study of C-S-H Gel and C-A-S-H Gel Based on Molecular Dynamics Simulation[J]. Concrete, 2019(1): 118-122. (in Chinese))

[26]
肖力光, 李正鹏. 复合矿物掺合料对高性能混凝土强度的研究[J]. 应用化工, 2023, 52(8): 2284-2287.

(XIAO Li-guang, LI Zheng-peng. A Study of the Potency of Composite Mineral Amalgamated with High-performance Concrete[J]. Applied Chemical Industry, 2023, 52(8): 2284-2287. (in Chinese))

[27]
徐文, 武小雷. 钙硅比对水热合成水化硅酸钙实验的影响研究[J]. 硅酸盐通报, 2018, 37(4): 1294-1298.

(XU Wen, WU Xiao-lei. Influence Research of the Calcium Silicon Ratio on the Synthetizing Hydrated Calcium Silicate[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2018, 37(4): 1294-1298. (in Chinese))

[28]
陈友治, 钟浩轩, 殷伟淞, 等. 钙硅比对水化硅酸钙结构、Zeta电势及减水剂吸附性能的影响分析[J]. 硅酸盐通报, 2020, 39(6): 1798-1804.

(CHEN You-zhi, ZHONG Hao-xuan, YIN Wei-song, et al. Effect of Calcium-silicon Ratio of Calcium Silicate Hydrate on Its Structure, Zeta Potential and Adsorption Capacity of Superplasticizer[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2020, 39(6): 1798-1804. (in Chinese))

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