姜 廣 戎志丹 孫 偉

(東南大學江蘇省土木工程材料重點試驗室, 南京 211189)

偏高嶺土對高性能水泥砂漿性能的影響

姜 廣 戎志丹 孫 偉

(東南大學江蘇省土木工程材料重點試驗室, 南京 211189)

研究了偏高嶺土的火山灰活性,考察了不同偏高嶺土摻量對高性能水泥砂漿的流動度、抗折強度、抗壓強度和氯離子滲透性的影響．試驗結果表明:偏高嶺土的火山灰活性高于硅灰;偏高嶺土顆粒形貌的不規(guī)則性會降低新拌砂漿的流動度;偏高嶺土的摻入使砂漿的抗折強度降低,90 d養(yǎng)護齡期時偏高嶺土摻量為10%的砂漿抗折強度高于偏高嶺土摻量為6%，14%的砂漿抗折強度．偏高嶺土摻量為10%的砂漿的后期抗壓強度最高,90 d養(yǎng)護齡期時可達96.3 MPa;56 d齡期時偏高嶺土摻量為0%,6%,10%,14%的砂漿的氯離子滲透性都較低,電通量分別為165,221,191,158 C．

偏高嶺土;火山灰活性;力學性能;氯離子滲透性

混凝土是應用最為廣泛的建筑材料之一,每年會消耗掉大量的水泥, 2013年中國的水泥產量為24×109t．生產水泥會消耗大量的原材料和能源,且每生產1 t水泥大約會向大氣中排放0.8 t二氧化碳,生產過程中產生的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物會造成溫室效應和酸雨,引起嚴重的環(huán)境污染．為了減少水泥工業(yè)對環(huán)境的影響,可用偏高嶺土或其他礦物摻和料來代替一部分水泥,以生產水泥基材料．偏高嶺土和水泥水化產物氫氧化鈣發(fā)生二次水化,形成改良的漿體微結構,可用于制備高性能的水泥基復合材料[1]．本文研究了偏高嶺土的火山灰活性,并就偏高嶺土摻量對水泥砂漿的工作性能、力學性能和耐久性能的影響進行了探討．

1 材料制備

1.1 原材料

水泥采用江南小野田生產的P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥．超細粉煤灰采用南京熱電廠生產的Ⅰ級超細粉煤灰．偏高嶺土由湖南超牌公司提供,顆粒形貌和粒徑分布見圖1．硅灰由?？瞎咎峁唷⒎勖夯?、硅灰和偏高嶺土的化學組成見表1．細集料采用最大粒徑為2.36 mm的普通河砂,細度模數為2.26,連續(xù)級配．外加劑采用西卡公司生產的聚羧酸系高效減水劑,減水率為40%．

(a) SEM圖片

(b) 粒徑分布

表1 水泥、粉煤灰、硅灰及偏高嶺土的化學組成 %

1.2 配合比

以流動度相同為標準,進行偏高嶺土和硅灰火山灰活性指數試驗,配合比見表2．研究了偏高嶺土摻量w(偏高嶺土)=0%,6%,10%,14%時高性能砂漿的性能,配合比見表3．

表2 活性指數試驗配合比

表3 高性能砂漿配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 成型工藝

成型過程中先將稱量好的膠凝材料和河砂緩慢攪拌5 min,然后加入水和減水劑,繼續(xù)攪拌．當混合料進入黏流狀態(tài)后快速攪拌3 min,振動成型．標準養(yǎng)護(溫度為(20±2)℃,濕度大于95%)1 d后拆模．

1.3.2 流動度

按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)中的規(guī)定,將拌和好的水泥膠砂分2層迅速裝入模內,開動跳桌跳動25次．跳動完畢后,用卡尺測量膠砂底面互相垂直的2個方向的直徑,計算得到的平均值即為流動度．

1.3.3 同步熱分析

將相應齡期的樣品在無水乙醇中浸泡3 d取出,干燥、研磨后過80 μm方孔篩待測．試驗采用德國耐馳公司STA449C型綜合熱分析儀(TG-DSC),溫度選取為20～1 000 ℃,升溫速率為10 ℃/min．制樣過程中樣品碳化會消耗掉一部分氫氧化鈣,故殘余氫氧化鈣的質量應考慮到碳化的部分．設氫氧化鈣殘余質量分數為X,考慮到偏高嶺土或硅灰與氫氧化鈣的質量比為1∶1,故可設活性指數n=100-2X[2]．

1.3.4 力學性能測試

參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行砂漿抗折強度和抗壓強度的測試和試驗結果評定．

1.3.5 電通量測試

將試件切割成直徑為(100±1)mm、高度為(50±2)mm的圓柱體試件,每組3個試件．試件真空飽水完畢后需繼續(xù)泡在水中．安裝、密封試件后進行測試．將3個試件于(60±0.1)V的直流恒電壓下通電6 h,其間通過試件的電荷量平均值即為電通量．

1.3.6SEM分析

SEM分析所用儀器為Sirion場發(fā)射掃描電鏡．樣品制備過程如下:取尺寸為8 mm×8 mm×5 mm的樣品,在無水酒精溶液中浸泡3 d后取出,于(60±2) ℃下干燥48 h,然后將樣品表面噴金以待測試．

2 試驗結果及討論

2.1 偏高嶺土活性

高嶺土在600～850 ℃下煅燒脫羥基后生成結晶度較低的偏高嶺土[3]．不同地域的高嶺土化學組成不同,其最佳煅燒溫度也不相同．研究表明,650 ℃下煅燒3 h或850 ℃煅燒2 h是較為合適的選擇[1]．高嶺土高溫脫羥基生成偏高嶺土的反應方程式為[4]

Al2O3·2SiO2·2H2O(s)→Al2O3·2SiO2(s)+2H2O(g)

偏高嶺土的XRD圖譜見圖2．

圖2 偏高嶺土的XRD圖譜

偏高嶺土的活性成分主要為SiO2和Al2O3．由圖3(a)可知,偏高嶺土和氫氧化鈣反應有絮凝狀物質和板狀晶體生成.文獻[5]指出,常溫下偏高嶺土與氫氧化鈣反應生成C-S-H凝膠、C4AH13晶體和C2ASH8晶體．鐵合金在冶煉硅鐵和工業(yè)硅(金屬硅)時,礦熱電爐內產生大量揮發(fā)性強的SiO2和Si氣體,氣體排放后與空氣迅速氧化冷凝沉淀便生成了硅灰,其成分大部分為活性SiO2,與氫氧化鈣反應主要生成C-S-H凝膠(見圖3(b))．

采用TG-DSC方法分析了反應齡期T=3,7,28,56 d時偏高嶺土和硅灰的火山灰反應活性指數．圖4給出了T=7,28 d時的差示掃描量熱分析圖．由圖可知，7 d齡期的偏高嶺土和硅灰樣品中均有氫氧化鈣殘余;28 d齡期的偏高嶺土試樣中氫氧化鈣基本全部反應,硅灰樣品中仍有氫氧化鈣剩余．偏高嶺土試樣在300 ℃以下的質量損失大于硅灰,這是因為偏高嶺土與氫氧化鈣的反應產物除了C-S-H凝膠外,還有C4AH13和C2ASH8晶體．

(a) 偏高嶺土與氫氧化鈣反應

(b) 硅灰與氫氧化鈣反應

偏高嶺土和硅灰的火山灰活性指數見表4．由表可知,T=3 d時兩者的反應活性指數較低;T=56 d時其火山灰活性指數接近;T=7,28 d時偏高嶺土的火山灰活性指數較硅灰分別高出14.3和22.6，說明偏高嶺土的反應活性指數明顯高于硅灰．

表4 活性指數

2.2 偏高嶺土摻量對流動度的影響

不同偏高嶺土摻量對砂漿流動度的影響見圖5．由圖可知,新拌砂漿的流動度隨著偏高嶺土摻量的增加而降低．硅灰、粉煤灰是具有光滑表面的球形顆粒;而偏高嶺土的顆粒形狀不規(guī)則,從而導致其不具備粉煤灰和硅灰所具有的微滾珠效應,相反會因為增大膠凝材料之間的摩擦力而降低流動度．這與文獻[6-9]中偏高嶺土的摻入會降低流動性能的試驗結果一致．

2.3 偏高嶺土摻量對力學性能的影響

2.3.1 抗折強度

(a) 偏高嶺土樣,T=7 d

(b) 硅灰樣,T=7 d

(c) 偏高嶺土樣,T=28 d

(d) 硅灰樣,T=28 d

不同偏高嶺土摻量對水泥砂漿抗折強度的影響見圖6．由圖可知,摻入偏高嶺土后砂漿的抗折強度明顯降低;90 d齡期時，w(偏高嶺土)=10%時的砂漿抗折強度較w(偏高嶺土)=6%,14%時高,其抗折強度為16.66 MPa．這與文獻[7]中結果相似;但與文獻[5,10]不同,原因在于試驗中水膠比和偏高嶺土的化學組分不同．

圖5 偏高嶺土摻量對砂漿流動度的影響

圖6 偏高嶺土摻量對砂漿抗折強度的影響

2.3.2 抗壓強度

不同偏高嶺土摻量對砂漿抗壓強度的影響見圖7．由圖可知,當T=7 d時,w(偏高嶺土)=6%,10%的砂漿抗壓強度較w(偏高嶺土)=0%時低,這主要是因為7 d齡期內偏高嶺土的火山灰活性沒有充分發(fā)揮,且水泥用量減少導致砂漿密實度降低;w(偏高嶺土)=14%時的砂漿抗壓強度最高,這是因為此時偏高嶺土的微集料填充效應使得砂漿的密實度較高．T≥28 d時,偏高嶺土的火山灰活性得到了充分的激發(fā),導致水泥基復合材料的抗壓強度有較大提升;w(偏高嶺土)=10%時的砂漿抗壓強度最大,90 d齡期可達96.3 MPa．這與文獻[10-11]中的研究結果不一致,可能是由于偏高嶺土性質和配合比不同導致的．

圖7 偏高嶺土摻量對砂漿抗壓強度的影響

2.4 偏高嶺土摻量對電通量的影響

不同偏高嶺土摻量對電通量的影響見圖8．由圖可知,56 d齡期時不同配比的砂漿試件電通量都較低;MK0,MK6,MK10,MK14的電通量分別為165,221,191,158 C;MK6和MK10比基準組高,MK14比基準組低．文獻[6]中指出,w(偏高嶺土)=0%,5%,10%,15%時,混凝土氯離子擴散系數分別為1.29×10-12,4.71×10-12,3.31×10-12,1.23×10-12,試驗結果趨勢和本文試驗結果一致,即隨著偏高嶺土摻量的增大,水泥基復合材料的抗氯離子滲透性能先降低后升高．

圖8 偏高嶺土摻量對砂漿電通量的影響(T=56 d)

3 結論

1) 偏高嶺土的火山灰活性高于硅灰．

2) 偏高嶺土顆粒形貌的不規(guī)則性降低了新拌砂漿的流動度．

3) 偏高嶺土的摻入導致砂漿的抗折強度降低．90 d養(yǎng)護齡期時摻入10%偏高嶺土的砂漿抗折強度高于摻入6%和14%偏高嶺土的砂漿抗折強度．摻入10%偏高嶺土的砂漿的后期抗壓強度最高,90 d養(yǎng)護齡期時可達96.3 MPa.

4) 56 d齡期時摻入0%,6%,10%,14%偏高嶺土的砂漿試件的氯離子滲透性都較低,電通量分別為165,221,191,158 C．

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Effects of metakaolin on properties of high performance mortar

Jiang Guang Rong Zhidan Sun Wei

(Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University,Nanjing 211189, China)

The pozzolanic reactivity of metakaolin and the effects of different metakaolin contents on fluidity, flexural strength, compressive strength and chloride ion penetrability of high performance mortar are studied. The experimental results show that the pozzolanic reactivity of metakaolin is higher than that of silica fume. The irregular morphology of metakaolin decreases the fluidity of fresh mortars. The flexural strength of the mortars decreases due to the addition of metakaolin, and at the curing age of 90 d the flexural strength of the mortars with the metakaolin content of 10% is higher than those with the metakaolin contents of 6% and 14%. In addition, the compressive strength of the mortars with the metakaolin content of 10% is the highest, which reaches 96.3 MPa when the curing age is 90 d. The chloride ion penetrabilities of the mortars with the metakaolin contents of 0%, 6%, 10% and 14% are low when the curing age is 56 d, and the total charges are 165, 221, 191, 158 C, respectively.

metakaolin; pozzolanic reactivity; mechanical properties; chloride ion penetrability

2014-08-01. 作者簡介: 姜廣(1990—)，男，碩士生；戎志丹(聯系人)，男，博士,rongzhidan@tom.com.

國家自然科學基金資助項目(51308110)、江蘇省自然科學基金資助項目(BK2012754)、江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點試驗室開放基金資助項目(2012CEM007).

姜廣,戎志丹,孫偉.偏高嶺土對高性能水泥砂漿性能的影響[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(1):121-125.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.022

TU528

A

1001-0505(2015)01-0121-05