等强混凝土界面过渡区的纳米压痕表征.pdf

第 1 7 卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F BUI LDI NG MATE RI AL S Vol _l 7。 NO 6 De c ， 2 O 1 4 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 6 1 0 8 2 0 5 等强混凝土界面过渡区的纳米压痕表征 何智 海 ， 钱春香。 ， 张 异 ， 赵 飞。 ( 1 绍兴文理学 院 土木 工程学 院 ， 浙江 绍兴 3 1 2 0 0 0 ；2 东 南大学 材料科学 与工程学 院 ， 江苏 南 京 2 1 1 1 8 9 ) 摘 要 ：通过 背散 射 电子 图像 分析 结合 纳 米压痕技 术研 究 了等 强混 凝土界 面过 渡 区性 能 结 果表 明 ： 矿 物掺合 料 不 同程 度 改善 了等 强混 凝 土 界 面过 渡 区性 能 ， 同 时也 增加 了其 非 匀质 性 双掺 偏 高岭 土 和石 灰石粉 可减 小等强 混凝 土界 面过 渡 区的厚 度 ， 明 显 降低 其 弹 性模 量 增 长 幅 度 ， 但提 高 了基 体 的 弹性模 量 ， 而粉 煤灰仅仅 降低 了等 强混凝 土界 面过 渡 区弹性模 量 的增 长幅度 关 键词 ：等 强混凝 土 ；背散射 电子 图像 分析 ；纳米 压痕 ； 界 面过 渡 区 ；弹性模 量 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 6 0 2 5 Na n o i n de nt a t i o n Cha r a c t e r i s t i c s o f I n t e r f a c i a l Tr a ns i t i o n Zo n e s i n Co n c r e t e u nd e r Eq u a l Co mp r e s s i v e S t r e n g t h HE Zh i h a i ， QI AN Ch u n xi a n g。 ， ZHANG Y i ， ZHAO Fe i 。 ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g，S h a o x i n g Un i v e r s i t y ，S h a o x i n g 3 1 2 0 0 0，Ch i n a ； 2 C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y，Na i n g 2 1 1 1 8 9，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e p e r f o r ma n c e s o f i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e s( I TZ) i n c o n c r e t e u n d e r e q u a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s we r e s t u d i e d q u a n t i t a t i v e l y b y t h e b a c k s c a t t e r e d e l e c t r o n i ma g e a n a l y s i s a n d n a n o i n d e n t a t i o n Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t mi n e r a l a d mi x t u r e s i mp r o v e t h e p e r f o r ma n c e s o f I TZ t o t h e d i f f e r e n t d e g r e e ， a l s o i n c r e a s e t h e h e t e r o g e n e i t i e s ；a mi x t u r e o f me t a k a o l i n( M K) a n d 1 i me s t o n e p o wd e r ( LP) c a n d e c r e a s e t h e t hi c kne s s o f I TZ，a n d r e d uc e t he i n c r e a s e v a l u e of e l a s t i c mo du l u s r e ma r ka bl y。a n d m e a n whi l e i t i mpr o v e s t h e e l a s t i c mo d u l u s i n ma t r i x；h o we v e r ，t h e i mp r o v i n g f u n c t i o n o f f l y a s h ( F A)o n I TZ s h o ws t h e d e c r e a s e o f t h e i nc r e a s e v a l u e o f e l a s t i c m o du l us o nl y Ke y wo r d s ：c o nc r e t e u nd e r e qu a l c ompr e s s i ve s t r e ngt h；b a c ks c a t t e r e d e l e c t r o n i ma ge a na l y s i s；na n o i nd e nt a t i on：i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o ne：e l a s t i c m o du l us 混凝 土 的结 构 主要 由骨料 、 水 泥浆 体 和骨 料一 浆 体之 间 的界面 过 渡 区 3相 组 成 ， 其 中界 面 过 渡 区是 混凝土的最薄 弱环节， 由“ 墙效应” 和“ 微 区泌水 效 应” 共同作用所致 1 界面过渡区的形貌 、 组成和结 构都与混凝土基体有着显著的区别 ， 具体表现为孔 隙率较 高 ， 未 水 化 胶 凝 材 料 颗 粒 较 少 ， 水 化 产 物 C S _ H凝胶较少， 富集定 向生长的 C a ( 0H) ， 从 而影 响混 凝土 的诸 多性 能 为延长混凝土服役 寿命 ， 经 常采用一些技术措 施 来 强 化 界 面 过 渡 区 性 能 或 消 除 细 观 界 面 过 渡 区 2 有关混 凝 土界 面过 渡 区的特点 以及 影 响 因素 ， 国内外开 展 了大量 的研究 L 3 早 期对 界 面过 渡 区 的 研究主要借 助于扫描电镜和显微硬度 仪_ 4 ， 其 结果主观性较强 ， 精度不高 近年来 ， 采用纳米压痕 技术 对混 凝土 界 面过渡 区进行 研 究L 3 ， 其 结 果较 为 客观 ， 且精度 较 高 通 常认 为 ， 界 面 过 渡 区 随混 凝 土 强 度 的 增 加 而 强化 但是 ， 掺加矿物掺合料后 ， 混凝土强度存在较 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 7 1 6 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 9 1 2 基金项 目： 国家重点基础研 究发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) 第一作者 ： 何智海( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 湖南郴州人 ， 绍兴文理学院讲师 ， 博士 E - ma i l ： z h i h a i h e 1 9 8 1 1 0 2 0 1 2 6 c o m 通信作者 ： 钱春香 ( 1 9 6 6 一) ， 女 ， 浙江桐庐人， 东南 大学教授 ， 博士生导师 ， 博士 E - ma i l ： c x q i a n s e u e d u e n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 何智 海 ， 等 ： 等强混凝土界面过渡 区的纳米压痕 表征 大的差别 ， 致使界面过渡 区性能差异很大 因此 ， 探 明相同强度混凝土界面过渡区的差异 ， 具有更重要 的现实意义 本文借助背散射 电子图像分析和缚米 压痕技术定量研究不同矿物掺合料混凝土界面过渡 区性能 ， 以便为混凝土配合 比优化设计 和实 际工程 应用提供技术指导 1 试 验 1 1 原 材料 水泥 ( C ) 为 P 工5 2 5级水 泥 ； 粉煤 灰 ( F A) 为 火 电厂 工级粉煤灰 ； 偏高岭土( MK) 为高岭土在 8 0 0 下煅 烧 4 h的产 物 ， 其 中 A1 。 o。 和 S i O 质量 分 数 之 和大于 9 0 ； 石灰石粉( L P ) 为粉磨石屑细粉， 其 中 C a C Os 含量( 质量分数) 在 9 O 以上 ； 细骨料为细度 模数 为 2 5的天 然 河 砂 ； 粗 骨 料 为 粒 径 5 2 5 mm 的石 灰石 碎 石 ； 减 水 剂 ( W R A) 为 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂， 其减水率( 质量分数) 为 2 5 5 1 2 试 验 配合 比 通过调整水胶 比及矿物掺合料的品种 、 掺量 ， 以 保证一元 、 二元和三元胶凝材料体系的混凝 土 2 8 d 抗 压强度 相 近 ； 通过 调 整 减 水 剂 掺 量来 保 证 混 凝 土 的泵 送性 能 混凝 土配 合 比及 2 8 d标 准 立方 体 试 件 抗压 强度 见表 1 表 1 混凝土配合比及 2 8 d抗压 强度 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n s a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e c u r o d f o r 28 d 1 3 试 验 方法 纳米 压 痕 仪 为 Mi c r o Ma t e r i a l s公 司 生 产 的 Na n o Te s t TM ， 其最 大荷 载 为 5 0 0 mN， 试验 参 照文 献 3 ， 1 0 进行 借助 B S E - I A找到界面过渡 区， 从骨 料表面处 每隔 1 0 m进行垂 直方 向的纳米 压痕试 验 ， 直至离 骨料表 面 6 0 m 处为止； 沿骨料 表面方 向每 隔 1 0 m 进 行 纳 米 压 痕 试 验 ， 直 至 离 起 点 4 0 m处 为止 界 面过 渡 区 纳 米 压 痕 试 验 区 面 积 为 4 0 m6 0 m， 共 3 O个 纳米 压痕 点 纳米 压 痕 试 验 加 卸 载 制 度 ： 在 3 0 S内 加 载 至 2 mN， 然 后恒 载 3 0 S ， 最 后在 3 0 S内卸 载完 毕 根 据 式( 1 ) 计算样品的弹性模量 E E 一( 1 一 u z ) 1 一 _ ( 1 ) L r i J 式 中 ： u 为样 品的泊 松 比 ， 对 于 水 泥 基 材 料 而 言 ， u 一 0 2 ； Ei ， u i 分别为压头弹性模量和泊松 比， 对于金刚 石 压 头 而 言 ， E i 一 1 1 4 0 G P a ， u i 一 0 0 7 ； E 为 压 痕 模 量 2 试 验结果及讨论 根 据 B S E I A 确 定 出纳 米 压 痕 试 验 区 ， 如 图 1 所示 根据 B S E I A 灰度值判 断混凝土界面过渡 区 主要 由孔 隙 裂 缝 、 C S - H 凝 胶 、 C a ( OH) 和 未 水 化 胶 凝材 料 颗粒 4相 组成 5 由 图 1 可 见 ， 样 品 C存 在 较 多 较 大 的 暗 黑 色孔 隙裂缝 ， 样 品( C+F A) 相 比于样 品 C孔 隙裂缝较 少 ， 存在 亮 色未 水化 胶 凝材 料 颗粒 ， 而样 品 ( C+ MK+L P ) 由于 掺 人 了 L P， 可 见 大 量 未 水 化 胶 凝 材 料 颗粒 研究 1 0 表 明 ： 水 化 产 物 的 弹性 模 量 不 超 过 4 O GP a ， 而孔隙裂缝 、 低密度 C - S - H 凝胶 ( L D C - S - H凝胶) 、 高密度 C s H 凝胶 ( HD C s _ H 凝胶) 和 氢 氧化 钙 ( CH) 的弹性 模量 范 围分别 为 0 1 3 ， 1 3 2 2 ， 2 2 3 3 ， 3 3 4 0 GP a 水 化 产 物 和胶 凝 材 料 颗 粒 的典 型 载 荷一 压痕 深 度 曲线 ， 如 图 2所 示 原 材 料 的 弹性 模 量列 于表 2 从表 2可以看出， 胶凝材料颗粒的弹性模量与 文献值差别大小不一 ， 这可能与材料本身 的材质和 试验方法步骤不同有关 胶凝材料颗粒 的弹性模量 均大于水化产物 排除未水化胶凝材料颗粒 的影响， 得 到界 面过渡 区 的纳米 压痕 弹性模 量 ， 如 图 3 所 示 从 图 3可 以看 出 ， 随着 骨料表 面距 离增 大 ， 胶凝 浆体的弹性模量开始增加 ， 到一定距离后 ， 其 弹性模 量趋 于稳 定 ， 而且 不 同样 品 的 弹性 模 量 趋 于 稳 定 的 距离 不 同 因此 ， 可 将弹性 模 量稳定 的距 离作 为界 面 过渡 区厚 度 虽 然 不 同 混 凝 土 2 8 d的抗 压 强 度 相 近 ， 但 其 界 面 过 渡 区 厚 度 有 所 不 同 ； 对 于 样 品 C， ( C +F A) ， 其 界 面 过 渡 区 厚 度 约 为 4 0 m， 而 样 品 ( C+MK+L P ) 的界面过 渡 区约 为 3 0 m 样 品 C的 弹性模 量 标准 差相 对较 小 ， 均小 于 4 1 GP a ， 而 样 品 ( C +F A) ， ( C+MK+ L P ) 的 弹性 模 量 标 准 差 相 对 较大 ， 均大于 5 8 GP a ， 如此大的界面过渡 区弹性模 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 8 6 建筑材料学报 第 1 7 卷 8 9 1 O 究口 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 9 ) ： 1 1 1 - 1 1 4 CH EN Lu y i ， ZHENG Zh i h e， SHAO H u i q u a n， e t a 1 Re s e a r c h o n a s y mme t r y o f i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i n c o n c r e t e J J o ur na l o f Wuh a n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， 2 0 0 7，2 9(9 )： 1 1 1 1 1 4 ( i n Ch i n e s e ) 郑克仁 ， 孙伟 ， 林玮 ， 等 矿渣对界 面过渡 区微力学性质的影 响 J _ 南京航 空航天大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 0 ( 3 ) ： 4 0 7 4 1 l _ Z H ENG Ke r e n， SUN W e i ， LI N W e i ， e t a 1 Ef f e c t s o f bl a s t f u r n a c e s l a g o n mi c r o 。 me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f i n t e r f a c e t r a n s i _ t i o n z o n e J J o u r n a l o f Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s& As t r o n a u t i c s ， 2 0 0 8， 4 0 ( 3 )： 4 0 7 4 11 ( i n Ch i ne s e ) 钱春香 ， 黄蓓 ， 董华 集料尺寸和形状及掺合料对混凝土界面的 影响 J 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 4 ) ： 8 4 0 8 4 3 QI AN Chu n x i a n g， HUANG Be i ， DOING Hu a I nf l u e n c e o f s i z e a n d s h a pe o f a g g r e g a t e a n d mi n e r a l a d mi x t ur e o n i n t e r f a c e o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 0 9， 3 9( 4 )： 8 4 0 8 4 3 ( i n Ch i n e s e ) 赵素 晶， 孙伟 纳米压 痕在水 泥基材 料 中的应用 与研究 进展 j 硅酸盐学报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 1 ) ： 1 6 4 1 7 6 Z HAO S u j i n g， S UN We i Ap p l i c a t i o n a n d r e s e a r c h p r o g r e s s o f n a n o i n d e n t a t i o n i n t h e f i e l d o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l s J J o u r n a l o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 01 1， 3 9( 1 )： 1 6 4 1 7 6 ( i n Chi n e s e ) 1 1 NE ME C E KJ ， S MI LAUE R V， K0P E c KY L， e t a 1 Na n o i n d e n t a t i o n o f a l k a l i a c t i v a t e d f l y a s h J J o u r n a l o f t h e T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h Bo a r d， 2 0 1 0， 2 1 41 ( 1 ) ： 3 6 4 0 1 2 赵庆新 ， 孙伟 ， 郑 克仁 ， 等 水泥 、 磨细矿渣 、 粉煤灰颗粒弹性模 量的比较口 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 7 ) ： 8 3 7 8 4 1 ZHAO Qing x i n， S UN W e i ， ZHENG Ke r e n， e t a 1 Co mp a r i s o n f o r e l a s t i c mo d u l u s o f c e m e n t ， g r o u nd g r a nu l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g a n d f l y a s h p a r t i c l e s J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y， 2 0 0 5， 3 3 ( 7 )： 8 3 7 - 8 4 1 ( i n Ch i n e s e ) 1 3 MONDAL P， S HAH S P， MARK S L A r e l i a b l e t e c h n i q u e t o d e t e r mi ne t he l o c a l me c h a ni c a l p r o pe r t i e s a t t he n a no s c a l e f o r c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s J Ce me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 07 ， 37 ( 1 O )： 1 4 4 0 1 4 4 4 r 1 4 S AKUL I C H A R， VI C TOR C L Na n o s c a l e c h a r a c t e r i z a t i o n o f e n g i n e e r e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s ( E C C ) J 3 C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 1 1， 41 ( 2) ： 1 6 9 - 1 7 5 1 5 NE ME C E K J ， S MI L AUE R V， KOP E cK Y L Na n o in d e n t a - t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f a l k a l i a c t i v a t e d a l u mi n o s i l i c a t e m a t e r i a l s J C e me n t& C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 2 ) ： 1 6 3 1 7 0 1 6 HE Z H， QI AN C X， Z HANG Y， e t a 1 Na n o i n d e n t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c e me n t wi t h d i f f e r e n t mi n e r a l a d mi x t u r e s J S c i e n c e Ch i n a：Te c h n o l o g i c a l Sc i e n c e s ，2 0 1 3，5 6(5)：1 1 1 9 1 1 2 3 ( 上接第 1 0 6 5页 ) L 1 2 S HI C， DAY R L E a r l y s t r e n g t h d e v e l o p me n t a n d h y d r a t i o n o f a l k a l i a c t i v a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g f l y a s h b l e n d s J Ad v a n c e s i n Ce m e n t Re s e a r c h， I 9 9 9， 1 l ( 4)： 1 8 9 1 9 6 1 3 戴丽莱 ， 陈建 南 ， 芮君渭 碱一 矿渣一 粉煤灰水 泥 J 硅酸盐通 报 ， 1 9 8 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 5 - 3 2 DAI Li l a i ， CHEN J i a nn a n，BI NG J u n we i Al k a l i s l a g f l y a s h c e me n t J B u l l e t in o f C h i n e s e S i l i c a t e S o c i e t y ， 1 9 8 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 5 3 2 ( i n Ch i n e s e ) 1 4 马保 国， 朱平华 ， 黄立付 固体碱激 发制备碱一 矿渣一 高 钙粉煤 灰水泥 的研究口 粉煤灰 ， 2 0 0 1 ， 4 ( 3 ) ： 4 - 6 M A Ba o g u o， ZH U P i n g hu a ， HU ANG Li f u Pr e p a r a t i o n o f a l k a l i s l a g h i g h l i me f l y a s h c e me n t e x c i t e d b y s o l i d a l k a l i J Fl y As h， 2 0 01 ， 4( 3 )： 4 - 6 ( i n Ch i n e s e ) L 1 5 L U C T h e r e s e a r c h a n d t h e r e a c t i v e p r o d u c t s a n d mi n e r a l p h a s e f o r F KJ c e me n t i t i o u s ma t e r i a l C 9 I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n t h e C h e mi s t r y o f C e me n t Ne w De l h i ： s n ， 1 9 9 2： 3 1 9 3 2 4 1 6 KRI VE NKO P V S p e c i a l s l a g a l k a l i n e c e me n t s M Ki e v Bu d i v e l n i k Pu b l i s h e r ， 1 9 9 2： 1 9 5 4 1 7 1 8 1 9 2 O BLAAKMEER J Di a b i n d：An a l k a l i a c t i v a t e d s l a g f l y a s h b i n d e r f o r a c i d r e s i s t a n t c o n c r e t e J Ad v a n c e d C e me n t B a s e d M a t e r i a l s ， 1 9 9 4， 1 ( 6 )： 2 7 5 - 2 7 6 HOBBS S V A s t ud y o f n o n e v a p o r a bl e wa t e r c on t e n t i n c a me nt b a s e d mi x t u r e s wi t h a n d wi t h o u t p o z z o l a n i c ma t e r i a l s D C o r n e l l ： C o r n e l l Un i v e r s i t y ， 2 0 0 0 P OON Ch i Su n， AZHAR S， ANS ON M ， e t a 1 Co mp a r i s o n o f t h e s t r e n g t h a n d d ur a b i l i t y p e r f o r ma n c e o f n o r m a l a n d h i gh - s t r e n g t h p o z z o l a n i c c o n c r e t e s a t e l e v a t e d t e mp e r a t u r e s J C e me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h， 2 00 1， 3 1 ( 9 )： 1 2 9 1 1 3 0 0 XU Y ， W ONG Y L， PO0N C S， e t a 1 I n f l u e nc e o f PFA o n c r a c k i ng o f c o nc r e t e a nd c e m e n t p a s t e a f t e r e x p o s u r e t o h i g h t e mp e r a t u r e s J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 6 )： 2 0 0 9 2 O1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m