偏高岭土基改性剂在海工混凝土中的应用研究.pdf

2 0 1 3年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 3 M a r c h 偏高岭土基改性剂在海工混凝土中的应用研究 孙长军 ， 马军涛 ， 水 中和 。 ， 李 远 ( 1 唐山曹妃甸发展投资集团有限公司 ， 0 6 3 2 0 0 ； 2 华北水利水电学院土木与交通学院， 郑州 4 5 0 0 1 l ； 3 硅酸盐建筑材料国家重点试验室 ， 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 4 武汉地产开发投资集 团有限公司， 4 3 0 0 1 2 ) 摘要 ： 依托 曹妃 甸北环立交工程 ， 以偏 高岭 土为基础 制备偏 高岭土基改性剂 ， 针对其对混凝土工作性 、 强度和 耐久性的影响进行研究 ， 并通过 孔结构分析探 讨其机理 。结 果表 明， 偏 高岭土基改性剂可在不影响混凝 土工作性 能 的基础上 ， 显著增 强混凝 土的强度和 抗氯 离子渗透性能 ， 并改善其微观 结构。 关 键 词 ： 偏 高 岭 土 基 改 性 剂 ； 海 工 混 凝 土 ； 耐 久 性 ； 孔 结 构 Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e C a o f e i d i a n n o r t h e m l o o p o v e r p a s s p r o j e c t ， t h e m e t a k a o l i n - b a s e d mo d i fi e r i s p r e p a r e d b y t h e me t a k a o l i n T h e e f f e c t s o f t h e me t a k a o l i n b a s e d mo d i fi e r o n t h e w o r k a b i l i t y 。s t r e n g t h a n d d u i a b i l i t y o f c o n c r e t e a r e r e s e a r c h e d A n d t h e i mp r o v i n g m e c h a n i s m i s s t u d i e d w i t h m e r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i m e t r y a n a l y s i s( MI P ) T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t me t a k a o l i n b a s e d mo d i fi e r h a s o b v i o u s l y i mp r o v e d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d p e n e t r a t i o n r e s i s t a nc e o f c o n c r e t e wh i l e h a s n o d i s a d v a n t a g e e f f e c t s o n c o n c r e t e S w o r k a b i l i t y T h e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g me t a k a o l i n b a s e d mo d i fi e r h a s b e e n o p t i mi z e d t o i mp r o v e t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d e n h a n c e t h e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o t co n c r e t e Ke y wor ds ：Me t a ka o l i n b as e d mo d i fie r ；Mar i n e c o nc r e t e ；Dur a b i l i t y ；Po r e s t r u c t u r e 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 3 1 5 0 4 0前言 曹妃甸开发区位于渤海海湾附近 ， 其中海 中建 筑 物 和 临海 建 筑 物 均在 不 同 程 度 上 受 到 海 洋 环 境 的影响。在季风携带较高浓度海盐的风力作用下 ， 混凝 土构件 承受 了较 高浓度 氯盐的附着 和直接腐 蚀 ， 从而对混凝土的耐久性产生重要影响l 1 - 2 1 。因此 ， 混凝土耐久性问题在海工工程中显得尤为重要 。 在混凝土 中掺加矿物掺合料是 改善混凝土耐 久 性 的重要 途 径 ， 而 偏 高岭 土作 为一 种 新 型 混凝 土 掺合 料 ， 在 国内外 已有 大量 的研 究 。 F C a s s a g n a b e r e 13 和 K h a t i b 4 1 分别针对偏高岭土对 混凝土早期和后期 强度 的影响进行 了研究 ， 证 明掺加偏高岭土对混凝 土不 同 阶段 的力学 性能 均有 较 大程度 的增 强 。李鑫 等人 的研究表 明偏高岭土可大幅改善混凝土 中的 氯离子导 电量 。 T h o ma s 等人 6 1 通过研究发现 ， 在较高 浓度下 ， 掺加较细偏高岭土粉末的水泥浆体氯离子 结合能力有明显增加。水中和等人7 - 9 针对偏高岭土 在混凝土中的应用进行 了一系列 的研究 ， 表明偏高 基金项 目：国家 自然科学基金一 固碳插层材料抑 制混 凝土碳 化反应的基础研究( 5 1 2 7 2 1 9 4 ) 、中央高校 自主创新 研究基 金一 无机插 层材料 抑制混凝 土碳 化反应机 理及应 用( 2 0 1 2 - I V一 0 0 2) 。 岭土在水泥基材料 中可有效促进其水化作用 ， 从而 改 善混 凝 土 的微 观 结 构 并增 强 混 凝 土 的强 度 和 抗 渗 透性 能 。 但就 目前而言， 基于偏高岭土 自身层状外观形 貌与层间吸水等原因， 偏高岭土较难直接作为掺合 料在混凝土中得到应用 。J J B r o o k等人n 0 1 的研究表 明了偏 高岭土对 混凝土工作性能有极为明显的影 响。王康等人f l l 使用粉煤灰和石粉等掺合料与偏高 岭 土进行复合 ， 利用其滚珠轴承效应 ， 改善偏高岭 土对 混凝 土工 作性 能 的不利 影 响 。 本文使用超 细粉煤灰与偏 高岭土复合制备偏 高岭土基改性剂 ， 针对其 在海工混凝土 中的应用开 展试验 ， 分析其对混凝 土性能 的影 响 ， 并对其机理 进行分析 。试验依托于曹妃甸北环立交工程 ， 分别 针对立交桥箱梁标 号 C 5 0混凝 土与墩身标号 C 4 0 混凝土进行偏高岭土改性剂试验 ， 并与基准试样进 行 对 比。 1 试 验 1 1 试 验 原材料 试验 中水泥取 自唐山某公 司生产 的 4 2 5级普 通硅酸盐水泥 ，密度为 3 1 l g c m ，比表面积为 3 3 6 m2 k g ， 作为混凝土掺合料的粉煤灰和矿粉均取 自唐 一 1 5 孙长军 ， 马军涛 ， 水中和 ， 等 偏高岭土基改性剂在海工混凝土中的应用研究 显 ，而 掺加 改 性 剂混 凝 土 拌合 物 的 1 h经 时 损 失 与 基 准试样相仿 ，均可满足泵送混凝土的使用要求 。 根据研究表 明， 偏高岭土 自身的层状结构导致其 对 混凝土 的工作性能影 响极为明显 ， 而当与超细粉煤 灰 复合时 ，由于粉煤灰在混凝 土 中的滚珠轴承作 用 ， 大大降低了片状形态的偏高岭土在胶材 中的移 动 阻力 ， 同时 ， 粉煤灰相对较低 的需水量在一定程 度上弥补了偏高岭土所引起的坍落度损失。 表 3 混 凝 坍 落 度测 试 结 果 试样编号 混凝土坍 落度 m m 0mi n 60 mi n 图 3为混凝 土在标 准环境下养护 2 8 d与暴露 条件下放置 1 8 0 d的抗压强度测试结果 。由图 3可 知 ， 在不同强度标号的混凝土 中加入偏高岭土基 改 性 剂均可显著增强混凝土的抗压强度 ， 2 8 d抗压 强 度 的增加 幅度 达到 了 1 0 以上 ； 而 对 于 C 4 0混凝 土 而言， 2 8 d强度增加了 2 0 左右。在经过 1 8 0 d的暴 露试验后 ， 混凝 土的强度较 之 2 8 d仍有增加 ， 而偏 高岭土改性试样强度仍高于基准试样 ， 表 明偏高岭 土基改性剂在水化后期仍对混凝土强度具有促 进 作用。由于偏 高岭土的火 山灰效应 ， 其在胶凝材料 的水 化反 应 过程 中生 成 了更 多 的 C S H凝 胶 ， 同时 不 同级配 的掺合料在混凝土 中起 到了填充孔 洞的 作用 ， 显著密实 了混凝土的孔结构 ， 从而改善 了混 8 0 重 0 繁6 0 5 0 4 0 XL DS ( a ) 标准养护 2 8 d抗压强度 试 样 凝 土 的强 度 。 将经过 1 8 0 d暴露试验 的混凝土试样通过电通 量法测试其抗氯离子渗透性能 。表 4为不同试样的 混凝土 电通量测试结果 。由表 4可知 ， 当偏高岭土 基改性剂替代水泥掺入混凝 土时 混凝土 的抗氯离 子渗透性能有 明显改善 ， 这验证 了偏高岭土基改性 剂在 昆凝土中对混凝 土的密实作用 ， 改善 了混凝土 内部孔结构 ， 显著增强了混凝土的抗渗性能。 表 4 混凝土抗氯离子渗透性能测试 混凝 土 抗碳 化 性 能 的测试 仍 针对 暴 露试 验 1 8 0 d的混凝土试块进行 ， 将从现场取 回的混凝土试 块在压力机上劈裂后测试其碳化深度 ， 测试结果如 表 5所示。测试结果表明 ， 在暴露试验 1 8 0 d后混凝 土碳化并不 明显 ， 在室外放置 的环境下混凝土的碳 化深度均在 0 4 e m以下。比较掺加偏高岭土基改性 剂前后的混凝土试样 ， 混凝土碳化深度在掺加改性 剂后有少许的下降 ， 但改善效果有限。这表 明偏 高 岭土的加入虽然对混凝土 内部孔隙存在填充作用 ， 但偏 高岭土在混凝土中消耗 了其 内部的 C H组分 ， 减少 了混凝土内部可碳化物质 ， 使其对混凝土的抗 碳化性能改善并不明显。 表 5 混凝 土碳化深度测试结果 在经过暴露试验试样 内部提取直径为 5 - 1 0 ram 董7 0 蓍6 0 5 0 40 图 3 混凝土抗压强度测试结果 ( b ) 暴露条件下放置 1 8 0 d抗压强度 样 一 l 7一 2 0 1 3年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 3期 的砂浆颗粒 ，并通过压汞仪对其进行孔结构分析 ， 分析针 对各指标改善更 为明显 的 C 4 0混凝 土( D S 与 D S 1 ) 进行 。 图 4与 表 6为 D S和 D S 1 试 样 的孑 L 结 构分析结果。由图 4可以看 出， 在混凝土中加入偏 高岭土基改性剂显著降低了混凝土内部 的孔 隙率 ， 掺加 5 改性剂 的 D S I试样相对 D S试样孔 隙率降 低了 2 以上。根据分计进汞量 的测试结果 ， 未掺加 改性剂的 D S混凝土内部存在较多孔径分布在 1 0 0 - 1 0 0 0 n m 的孔 隙， 而经过偏高岭土改性后 ， 该 区间的 孔隙显著减少 ，而 1 0 1 0 0 n m 区间内的孔 隙有所增 加 ， 表明偏高岭土基改性剂 的加入填充 了混凝土 内 部的孔洞 ，使混凝土中较大的孔洞 向小孔转化 ， 从 而密 实 了混凝 土 的孔 结 构 。 孔 径 n m ( a ) 累计孔 隙率 孔径 n m ( b ) 分计进汞量 图 4 C 4 0混凝 土的孔结构分析结果 表 6 C 4 0混凝 土的孔 隙率 吕 毯 J ： 鲁 删 怅 制 士 求 在海工混凝 土工程 中 ，由于外 界环境较为恶 劣 ， 而使混凝土更易受到外部有害离子的侵蚀而发 生破坏 ， 这就要求进一步提高混凝土 的性能以增强 其耐久性 。本试验的研究表明， 试验所用的偏高岭 土基改性剂可在不影响混凝 土工作性能 的基础上 ， 改善混凝土 内部 的孔径分布 ， 密实其孔结构 ， 从而 显著增强混凝土的早期强度与抗氯离子渗透性能。 3结论 ( 1 ) 偏高岭土与粉煤灰复掺可有效补偿偏高岭 土引起 的坍落度损失 。 一 1 8一 ( 2 )偏高岭土基改性剂可有效改善混凝土的强 度 ， 在早 期强 度 时尤为 明显 。 ( 3 )偏高岭土基改性剂改善了混凝土内部孔结 构 ， 显著增强了混凝土的抗氯离子渗透性能。 ( 4 ) 偏高岭土基改性剂对混凝土的抗碳化性能 并无明显的改善作用。 参考文献： 【 1 】 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝 土 【 M 北京： 中国铁道 出版 社 ， 1 9 9 9 【 2 洪定海 混凝 土中钢筋的腐蚀与防护【 M 北京： 中国铁道 出版社， 1 9 9 8 【 3 C a s s a g n a b r e F ，E s e a d e i l l a s G，Mo u r e t MS t u d y o f t h e r e a c t i v i t y o f c e me n t me t a k a o l i n b i n d e r s a t e a r l y a g e f o r s p e c i f i c u s e i n s t e a m c u r e d p r e c a s t c o n c r e t e J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 7 7 5 - 7 8 4 4 】K h a t i b J M Me t a k a o l i n c o n c r e t e a t a l o w w a t e r t o b i n d e r r a t i o J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 8 ( 2 2 ) ： 1 6 9 1 1 7 00 5 】 李鑫， 邢锋， 康飞字 偏高岭土及其 复合粉改善 混凝土氯 离 子导 电量 的研究 l J 1 材 料科 学与 工程 学报 ， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 6 ) ： 8 0 9 8 1 2 【 6 】 T h o ma s M D A ， G r u b e r K A， H o o t o n R D T h e u s e o f h i g h r e a c t i v i t y me t a k a o l i n i n h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e 【 C 】 1 s t E n g i n e e ri n g F o u n d a t i o n C o n f e r e n c e o n Hi g h S t r e n g t h C o n c r e t e ， Ha wa i i ：5 1 7 -53 0 【 7 】 J J Z e n g ， Z H S h u i ，G M Wa n g T h e e a r l y h y d r a t i o n a n d s t r e n gth d e v e l o p me n t o f h i g h- s t r e n gth p r e c a s t c o n c r e t e w i t h e e me n t m e t a k a o l i n s y s t e m s J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma t e ri a l s S c i e n c e ， 2 0 1 0 ( 2 5 ) ： 7 1 2 - 7 1 6 【 8 】 z H S h u i ， T S u n ， Z H F u ， G M Wa n g D o m i n a n t f a c t o r s o n t h e e a r l y h y d r a t i o n o f me t a k a o l i n c e m e n t p a s t e J J o u r n al o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy Ma t e r i a l s S c i e n c e ， 2 0 1 0( 2 5 ) ： 8 4 9 - 8 5 2 【 9 P D u a n ，Z H S h u i ，W C h e n ，C H S h e n I n fl u e n c e o f me t a k a o l i n o n p o r e s t r u c t u r e- r e l a t e d p r o p e r t i e s a n d t h e rm o d y ma mi c s t a b i l i t y o f h y d r a t e p h a s e s o f c o n c r e t e i n s e a w a t e r e n v i r o n m e n t J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ( 3 6 ) ： 9 4 7 9 5 3 【 1 0 J J B r o o k ，M A Me g a t ，J o h a r i E f f e c t o f me t a k a o l i n o n c r e e p a n d s h r i n k a g e o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 1 ( 2 3 ) ： 4 9 5 - 5 0 2 1 1 水 中和， 王康， 陈伟 ， 等 改 性偏高岭 土复合粉煤灰 对混 凝土抗渗性能的影 响f J 】 硅酸盐通报， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 6 5 8 6 6 3 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 01 2 6 作者简介 ： 孙长军 ( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 教授级高工。 通讯地址 ： 唐 山曹妃甸工业 区三加市政服务大厦 联 系 电话 ： 1 8 6 3 3 1 21 9 9 8 E - ma i l ： s u n c h o o l 1 2 6 c o m