偏高嶺土替代硅灰

1、第32卷第4期2004年4月硅酸鹽學(xué)報(bào)JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.32,No.4April,2004簡報(bào)偏高嶺土替代硅灰配制高性能混凝土陳益蘭,趙亞妮,李靜,曹德光(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南寧530004)摘要:用偏高嶺土和硅灰分別與粉煤灰和礦渣復(fù)摻配制高性能混凝土。通過對各組試樣進(jìn)行力學(xué)性能、耐久性能檢測和微觀結(jié)構(gòu)分析,探討偏高嶺土替代硅灰作為活性礦物摻合料的可行性。研究了偏高嶺土的工作性能,同時(shí)系統(tǒng)地研究了偏高嶺土的摻入對高性能混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明:經(jīng)700800熱處理得到的偏高嶺土結(jié)晶度很低,具有相當(dāng)高的水化活性;摻合料,所配制的混

2、凝土具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。關(guān)鍵詞:高性能混凝土;偏高嶺土;硅灰;復(fù)摻中圖分類號:TU528文獻(xiàn)標(biāo)識號20040524HIGHWITHMETAKAOLINMIXEDREPLACINGOFSILICAFUMECHENYilan,ZHAOYani,LIJing,CAODeguang(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)Abstract:Ahighperformanceconcretemadebymetakaolinandsilicafumemixedrespectivel

3、ywithflyashandslagwasstudied,andthefea2sibilityofmetakaolinreplacingsilicafumeasthemixingmaterialofactivemineralwasexploredbyanalyzingthemechanicalproperties,dura2bilityandmicrostructuresofthetestingsamples.Atthesametime,theperformanceofmetakaolinandtheeffectofaddingmetakaolininhighperformanceconcre

4、tewereinvestigatedsystematically.Theresultsshowthatthemetakaolinmadebyheattreatingof700800haslowde2greeofcrystallizationandhighhydratingactivity.Theconcretecompoundedbythemetakaolinhasgoodmechanicalpropertiesanddurability.Keywords:highperformanceconcrete;metakaolin;silicafume;mix在配制高性能混凝土?xí)r,活性礦物摻合料已作

5、為混凝土的重要組成部分,其作用不可忽視。目前國內(nèi)外礦物摻合料種類逐漸增多,普遍使用的是礦渣、粉煤灰、硅灰等,這些礦物摻合料尤其是硅灰對混凝土的強(qiáng)度有重要影響。我國硅灰的產(chǎn)量低,價(jià)格高,且密度小,不易運(yùn)輸,因此,尋求一種能替代硅灰的活性礦物摻合料就顯得更為重要。高嶺土作為一種特殊的粘土,在我國有豐富的資源,其化學(xué)組成與粉煤灰、礦渣、硅灰等活性礦物材料非常相似,將高嶺土進(jìn)行熱處理得到的偏高嶺土具有相當(dāng)高的活性。為了研究偏高嶺土用于高性能混凝土中的工作性能及影響規(guī)律,選用偏高嶺土與不同的礦物摻合料配制高性能混凝土,通過測試其力學(xué)性能和耐久性能,探討偏高嶺土替代硅灰在高性能混凝土中應(yīng)用的可行性。收稿日

6、期:20030702。修改稿收到日期:20031229。Receiveddate:20030702.Approveddate:20031229.基金項(xiàng)目:廣西壯族自治區(qū)教育廳資助項(xiàng)目。作者簡介:陳益蘭(1957),女,副教授。),female,associateprofessor.Biography:CHENYilan(1957E2mail:chenyilan008© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第32卷第4期陳益蘭等:偏高嶺土替代硅灰配制高性能混

7、凝土525劑為北京慕湖外加劑有限公司的UNF5型高效減水劑。粉1實(shí)驗(yàn)1.1原材料采用廣西華宏水泥股份有限公司生產(chǎn)的52.5強(qiáng)度等級的硅酸鹽水泥,其28d抗壓強(qiáng)度為64.9MPa。細(xì)集料為廣西邕江七塘中砂,細(xì)度模數(shù)2.9,含泥量<2%。粗集料為廣西武鳴碎石,粒徑525mm,連續(xù)級配,壓碎指標(biāo)8%。減水煤灰取自廣西田東電廠,粉磨至比表面積為465m2/kg。礦渣取自廣西田東冶煉廠,粉磨至比表面積為420m2/kg。采用北京慕湖外加劑有限公司提供的硅灰,其比表面積為18000m2/kg。偏高嶺土為南寧郊區(qū)高嶺土,在箱式電阻爐中進(jìn)行700800的焙燒,保溫2h,再經(jīng)粉磨和篩分制得,比表面積為12

8、72m2/kg。各摻合料化學(xué)成份如表1所示。表1活性摻合料的化學(xué)成分Table1ChemicalcompositionofactiveadmixturesAdmixtureFlyashSlagMetakaolinSilicafumeIL1.288.243.830.72SiO257.5722.6563.0691.Al2O327.549.7528.93Fe2O36.2427.062.2933CaO3.0122.MgO0.833.0.68SO30.50TiO2ZrO2Total96.9795.2299.1699.38w/%0.036.31112配到A,B,C,D4組試樣,同時(shí)設(shè)計(jì)了一組不加摻合料的基

9、準(zhǔn)樣(E組試樣),將復(fù)摻活性摻合料試樣與基準(zhǔn)樣進(jìn)行對比。各高嶺土占7%,摻合料超量取代系數(shù)為1.6。固定水膠比為0.28,混凝土用水量為174kg/m3,砂率為38%。拌制混凝土?xí)r,在保證坍落度大于200mm的情況下確定減水劑用量。與其它礦物摻合料相比,偏高嶺土的流動(dòng)性較差,為獲得相同的坍落度,必須加大UNF5型高效減水劑的用量。表2是各組試樣的配合比。組試樣中活性摻合料占膠凝材料總量的20%,其中硅灰或偏表2混凝土拌和物配合比Table2MixproportionsofconcreteSampleNo.ABCDEMixproportions/(kgm-3)Cement500500500500

10、580Flyash8686SlagSilicafume44MetakaolinFineaggregate630630630630630Coarseaggregate10001000100010001000UNF5waterFluidity/mm210204248230245reducerw/%1.21.51.21.51.08686444444113力學(xué)性能測試按GBT500812002普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法11.4.1抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)參照GBJ8285普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法2進(jìn)行抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)。采用HS40WA數(shù)控式滲透儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最高工作壓力4.0MPa。實(shí)驗(yàn)中采用的升壓方法是:每2

11、h升壓0.1MPa,初始壓力為0.6MPa,最終壓力為3.8MPa。將試塊劈開后測量各試塊的滲水高度。1.4.2抗腐蝕實(shí)驗(yàn)將試塊置于飽和硫酸鈉溶液中浸泡20h,然后在(105±5)烘箱中烘4h為一個(gè)循環(huán),共循環(huán)14進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量實(shí)驗(yàn)?；炷翆?shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。114耐久性實(shí)驗(yàn)各組試塊標(biāo)養(yǎng)28d后進(jìn)行抗?jié)B性實(shí)驗(yàn)、抗腐蝕實(shí)驗(yàn)及收縮實(shí)驗(yàn)。次,比較各試塊的質(zhì)量變化率及強(qiáng)度保持率。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserve

12、d. 硅酸鹽學(xué)報(bào)2004年526表3混凝土力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3ResultsofmechanicsperformanceofconcreteSampleNo.ABCDECompressivestrength/MPa3d60.165.468.466.450.17d78.282.176.481.362.528d93.198.596.091.786.460d99.9102.9105.795.188.8Splittingstrength/MPa3.164.263.333.973.86Splittingstrength/Compressivestrength1/29.51/23.11/28.

13、81/23.11/22.4Axisstrength/MPa72.677.873.571.855.6Elasticmodulus/MPa4.3054.3774.3444.3864.2131.4.3收縮實(shí)驗(yàn)按GBJ8214,28,45d和60d的長度變化。85普通混凝土長期性能和到的偏高嶺土,在超細(xì)磨的過程中進(jìn)一步機(jī)械活化,顆粒的缺陷增加,其形態(tài)效應(yīng)優(yōu)于硅灰,偏高嶺土在超細(xì)化,混凝土配制過程中,與硅灰相比,偏高Al2O33,可與水泥水化析出的2發(fā)生二次水化反應(yīng),生成水化鋁酸鈣,如果有SO3同耐久性能實(shí)驗(yàn)方法2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別測定各組試樣的3,7,115微觀結(jié)構(gòu)分析對摻合料和各組試樣進(jìn)行X(XRD)(

14、,SE)結(jié)構(gòu)分析。時(shí)存在,可生成水化硫鋁酸鈣,使混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度增加,強(qiáng)度提高。2.1.2劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量及混凝土的脆性混凝2結(jié)果與分析2.1混凝土的力學(xué)性能2.1.1抗壓強(qiáng)度混凝土各試樣抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢如圖1所示。由圖1可以看出:摻入活性摻合料的各組試樣各齡土與其它硅酸鹽材料相似,組成相具有的鍵絕大部分屬共價(jià)鍵性質(zhì),原子間的作用力高度方向化、飽和化,一旦鍵斷開就產(chǎn)生斷裂,無法形成位錯(cuò)滑移,所以容易發(fā)生脆性破壞4。加荷實(shí)驗(yàn)中,在沒有任何明顯變形的情況下,高強(qiáng)混凝土試樣就突然斷裂破壞。混凝土28d的劈裂抗拉強(qiáng)度與28d的立方體抗壓強(qiáng)度比(拉壓比)可以反映混凝土的脆性。由表3可見:與基準(zhǔn)樣

15、相比,摻入活性摻合料后的各組試樣的劈拉強(qiáng)度均有提高,同時(shí),彈性模量也增大。因?yàn)檫@些試樣的抗壓強(qiáng)度很高,所以拉壓比仍然較低。摻合料的加入并不能減小混凝土的脆性,當(dāng)混凝土的強(qiáng)度越高時(shí)脆性的特征越明顯。通常將拉壓比的倒數(shù)稱為壓拉比。壓拉比越大,說明混凝土的脆性愈大。各組試樣的壓拉比如圖2所示。由圖2可見:摻入硅灰的A組試樣和C組試樣的壓拉比最大,摻偏期強(qiáng)度均比基準(zhǔn)樣的高,其中偏高嶺土與粉煤灰復(fù)摻的B組試樣28d齡期強(qiáng)度高達(dá)98.5MPa,硅灰與粉煤灰復(fù)摻的A組試樣28d強(qiáng)度達(dá)到93.1MPa。各組試樣60d齡期的強(qiáng)度均有持續(xù)增長,從強(qiáng)度發(fā)展總體趨勢來看,摻偏高嶺土的混凝土試樣與摻硅灰的混凝土試樣達(dá)到

16、相同的強(qiáng)度等級。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),盡管偏高嶺土比表面積低于硅灰,但表現(xiàn)出來的微集料填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)并不亞于硅灰,經(jīng)熱處理得圖1不同摻合料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1InfluenceofdifferentadmixturesoncompressivestrengthofconcreteSample圖2混凝土脆性Fig.2Brittlenessofconcrete© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第32卷第4期陳益蘭等:偏高嶺土替代硅灰配制高性能混凝

17、土高嶺土的B組試樣和D組試樣的壓拉比與基準(zhǔn)樣接近,說明在同一強(qiáng)度等級條件下,摻偏高嶺土比摻硅灰更能改善混凝土的延展性。5272.2.3收縮性能圖3表示了A組試樣、B組試樣和E組試樣的不同齡期和收縮值的關(guān)系。212混凝土的耐久性對各組混凝土試樣進(jìn)行了抗?jié)B、抗腐蝕和收縮實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4和圖3所示。2.2.1抗?jié)B性能由表4可以看出,在相同的條件下,當(dāng)壓力達(dá)到3.8MPa時(shí),摻入礦物摻合料的混凝土的抗?jié)B性明顯比基準(zhǔn)樣好,其中摻粉煤灰和偏高嶺土的B組試樣的滲水高度僅為3.5mm,而基準(zhǔn)樣E組試樣的滲水高度為19mm。由于活性礦物摻合料顆粒很小,很容易進(jìn)入到水泥顆粒的孔隙中,堵塞混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和大孔

18、,并將大毛細(xì)孔分割成若干微細(xì)孔,使毛細(xì)孔數(shù)量減小,孔隙變小,大大降低孔隙率,提高混凝土密實(shí)度?；钚缘V物摻合料的活性組份與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物,凝膠類的產(chǎn)物呈膨脹性,隙,使結(jié)構(gòu)密實(shí),2.2.2,圖3Fig.3oftheandthevalueofof:基準(zhǔn)樣(E組)總的收縮值變化都較大,加入摻合料的A組試樣和B組試樣的收縮值較小。特別是28d以后,加入摻合料使混凝土的收縮得到有效的控制。摻有偏高嶺土的試樣與摻有硅灰的試樣在收縮方面的規(guī)律十分相似。由此可知:由于微細(xì)礦物摻合料的粒度小,比表面積大,該摻合料可以填充在水泥石的顆?？障吨?達(dá)到顆粒間的最緊密堆積的效果。另外,

19、由于實(shí)驗(yàn)中摻合料超量取代水泥,使得單位體積的混凝土中膠凝材料比例增大,火山灰反應(yīng)的不斷進(jìn)行,使得混凝土內(nèi)部的孔隙變小且均勻,有效提高混凝土的密實(shí)性,從而提高了混凝土的抗收縮性能。(4)從質(zhì)量變化率可以看出:,但有摻合料的試樣的質(zhì)量變化率小于基準(zhǔn)樣的。從強(qiáng)度保持率看,基準(zhǔn)樣的強(qiáng)度損失較大,這是因?yàn)樗嗨a(chǎn)物與硫酸鹽反應(yīng)較多,引起體積膨脹,膨脹應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度下降。摻合料的加入使得整個(gè)體系中的游離Ca(OH)2含量降低,并且Ca(OH)2處于不滲透的水化硅酸鈣(CSH)凝膠周圍,不利于膨脹性鹽類(如石膏和鈣礬石)的形成,也就明顯地改善抗硫酸鹽性能。此外,硅灰和偏高嶺土能與鋁酸鹽反應(yīng),明

20、顯降低水泥漿中與硫酸鹽反應(yīng)的膨脹復(fù)鹽的形成,如鈣礬石的鋁酸鹽反應(yīng)5。因此,經(jīng)過腐蝕實(shí)驗(yàn)后,有摻合料的混凝土的強(qiáng)度保持率較高,其中摻有偏高嶺土的B組試樣、D組試樣強(qiáng)度保持率分別為83.3%和84.1%,高于摻硅灰的A組試樣、C組試樣。表4各試樣的抗?jié)B和抗腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table4Testingresultofimpermeabilityandcorrosionresis2tanceofsamplesSampleNo.ABCDEHeightofwaterpenetration/mm7.53.57.39.019.0Rateofmasschange/%0.40.50.30.61.0Rateofstren

21、gthkeeping/%76.083.378.384.170.03活性礦物摻合料的作用機(jī)理探討3.1摻合料的強(qiáng)度效應(yīng)摻入偏高嶺土、硅灰、粉煤灰和礦渣等礦物摻合料對混凝土的強(qiáng)度有重要影響6?；钚缘V物摻合料與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的火山灰效應(yīng),生成更多的水化產(chǎn)物,起到化學(xué)填充密實(shí)作用。具有不同級配的微細(xì)礦物摻合料,能夠產(chǎn)生微集料的充填效應(yīng),使水泥基材料趨于密實(shí),孔隙率大大下降,強(qiáng)度得以提高。在討論摻合料在混凝土中對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)時(shí),可以給出一個(gè)摻合料活性的評價(jià)指標(biāo),即:強(qiáng)度效率系數(shù)KSKS=RwSRS(1)其中:RC為有摻合料混凝土的強(qiáng)度值(MPa);RS為無摻合料混凝土的強(qiáng)度值(MPa);wS為

22、混凝土中水泥的含量(%)。wS=×100%mB(2)其中:mB為混凝土中膠凝材料的總含量(kg);mC為混凝土中摻合料的含量(kg)。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 硅酸鹽學(xué)報(bào)2004年528KS表征了各種摻合料在不同摻量的條件下對混凝土強(qiáng)3.3微觀結(jié)構(gòu)分析為了進(jìn)一步研究礦物摻合料的作用機(jī)理,作者對各組試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。圖6是各組試樣水化28d的SEM圖,圖6a和圖6b分別是摻偏高嶺土和粉煤灰的B組試樣和度的貢獻(xiàn)比率。沒有摻合料時(shí),K

23、S=1,隨著摻合料的加入,KS值會發(fā)生變化。KS值越大,說明摻合料活性越高,對混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)越大。根據(jù)公式(1)和公式(2),可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中的各組試樣各齡期的KS值,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見:加入摻合料的A組試樣、B組試樣、C組試樣、D組試樣的KS值都比較大,尤其是摻入偏高嶺土和粉煤灰的B組試樣,其7d齡期的KS值為1.66,28d齡期的KS值為1.44,表現(xiàn)出良好的增強(qiáng)效果。B圖4KS的關(guān)系Fig.4Relationshipbetweendifferentmixingmaterials,agesandKS3.2偏高嶺土的活性偏高嶺土作為混凝土摻合料,無論在力學(xué)性能還是在耐久性方面均可與硅

24、灰相媲美。偏高嶺土之所以具有活性礦物摻合料的優(yōu)良性能,主要由于偏高嶺土在形成過程中產(chǎn)生了大量斷裂的化學(xué)鍵,表面能很大,而使其具有很強(qiáng)的火山灰活性6。圖5是經(jīng)熱處理后的偏高嶺土的XRD圖。(b)SampleE(c)SampleB)2/(°圖5不同煅燒溫度下偏高嶺土的XRD圖Fig.5XRDpatternsofmetakaolinatdifferentcalciningtempera2tures由圖5可見:700800焙燒的偏高嶺土結(jié)晶度很低,高嶺石礦物脫水生成了無定形的SiO2和Al2O3呈現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。偏高嶺土摻入混凝土中其活性組分能迅速與水泥水化生成的Ca(OH)2起反應(yīng),形

25、成的水化產(chǎn)物主要是CAH,水化硅鋁酸鈣相(CASH)以及鈣礬石(AFt)相,(d)SampleC圖6B組試樣、C組試樣和E組試樣28d的SEM圖Fig.6SEMphotographsofsampleB,sampleCandsampleEat28d可以認(rèn)為CASH對混凝土強(qiáng)度起了重要的作用7。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第32卷第4期陳益蘭等:偏高嶺土替代硅灰配制高性能混凝土E組基準(zhǔn)樣的SEM圖。從圖6中可以明顯觀察到:摻有活性5292混凝土系統(tǒng)

26、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南(上冊)M.北京:中國建筑施工學(xué)術(shù)摻合料的混凝土其孔洞明顯少于不摻摻合料的基準(zhǔn)樣,摻有活性摻合料混凝土的整體結(jié)構(gòu)非常密實(shí)?；钚晕⒓?xì)摻合料的加入,使得水泥石與骨料界面粘結(jié)力增強(qiáng),這是由于活性微細(xì)摻合料除了有填充效應(yīng)外,還吸附了大量自由水,使骨料底部水量減少、孔隙變小,界面趨于密實(shí)。同時(shí),活性礦物細(xì)摻合料的加入,生成了較多的凝膠物質(zhì),有利于混凝土力學(xué)性能的提高。比表面積很大的硅灰和偏高嶺土在混凝土中的作用機(jī)理相似,形成的混凝土結(jié)構(gòu)非常致密,水化產(chǎn)物交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),凝膠產(chǎn)物填充于晶體骨架之間。如圖6c和圖6d所示。委員會混凝土質(zhì)量控制與非破損檢測學(xué)組,中國土木工程學(xué)會混凝土及預(yù)應(yīng)力學(xué)會混

27、凝土質(zhì)量委員會編部,1996.695714.TheAppliedGuideofConcreteLevel(thefirstvolume)(inChinese).Beijing:TheQualitycontrolandNon2DamdgeTestinChineseArchi2tectureConstructionAcademicCommittee,TheConcreteQualityCom2mitteeinChineseCivilEngineeringInstituteandPrestressedConcrete,1996.695714.3曹德光,陳益蘭,歐紹權(quán),等.燒粘土的堿膠凝性研究J.中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊,2000(2):2122.CAODeguang,CHENYilan,OUShaoquan,etal.ChinNonMetMinIndHerald(inChinese),2000(2):2122.4馮乃謙.實(shí)用混凝土大全M,北京:科技出版社,2001.406408.4結(jié)論(1)經(jīng)700800FENGPracticalConcrete(inChinese).Beijing:Sci2,鋒M.北京:原子能