双掺偏高岭土和石灰石粉对混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONCRE T E AND CE MEN T P R0DUC T S 2 01 3 No 2 F e b r u a r y 双掺偏高岭土和石灰石粉对混凝土性能的影响 魏 莹 ( 甘肃环通工程试验检测有限公司， 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 通过可蒸发水含 量法结合扫描 电镜 ( S E M) 微 观分析 ， 研 究 了双掺偏 高岭 土和 石灰石粉对 混凝土强度 、 抗碳化 和抗 氯 离子渗透性能的影响 。 结果表 明， 双掺 1 0 偏 高岭 土和不超过 2 0 的石灰石粉可 以细化混凝土孔结构 并 改善其界 面结构 ， 从 而提 高混凝 土强度 、 抗碳化和抗 氯离子渗透性 能， 双掺时石灰石粉 最佳掺 量为 2 0 ； 继续增加 石灰石粉掺 量对改善混凝土 内部结构无益 ， 反 而劣化 了混凝土性能。 关键词 ： 偏 高岭 土 ； 石灰石粉 ； 强度 ； 碳化 ； 氯 离子渗透 ； 孔 隙率 Ab s t r a c t ：T h e e f f e c t s o f t h e me t a k a o l i n a n d l i me s t o n e p o wd e r o n t h e s t r e n g t h s ，t h e r e s i s t a n c e t o c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n s p e n e t r a t i o n p e rf o r ma n c e a r e s t u d i e d b y t h e e v a p o r a b l e w a t e r t e s t a n d s c a n n i n g e l e c tr o n m i c r o s c o p e( S E M ) T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t r e n gth s ， t h e r e s i s t a n c e t o c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n s p e n e t r a t i o n p e r form a n c e o f c o n c r e t e mi x e d wi th 1 0 me t a k a o l i n a n d n o t mo r e t h a n 2 0 l i me s t o n e p o wd e r a r e i mp r o v e d f o r the p o r e s t r u c t u r e i s r e fi n e d a n d t h e i n t e rfa c e s t r u c t u r e i s i mp r o v e d I e o p t i ma l r e p l a c i n g d o s a g e o f l i me s t o n e p o wd e r i s 2 0 wh e n d o u b l e mi x i n g the me t a k a o l i n a n d l i me s t o n e p o w d e r Th e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e mi x e d w i th 1 0 me t a k a o l i n a n d mo r e t h a n 2 0 l i me s t o n e p o wd e r a r e d e g r a d e d for t h e i n t e r n a l s t ruc t u r e i s n o t i mp mv e d e f f e c t i v e l y Ke y wo r d s ：Me t a k a o l i n ； L i me s t o n e p o w d e r ； S t r e n g t h ； Ca r b o n a t i o n ； C h l o r i d e i o n s p e n e t r a t i o n ； P o r o s i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 1 9 0 3 0前 言 随着 国家基础工程的发展 ， 混凝土使用量越来 越大 ，导致合格 的混凝 土原材料慢慢趋于枯竭状 态 ，同时对混凝土质量提出了越来越 高的要求 ， 其 耐久性指标越来越得到重视 。一般认为 ， 在混凝土 中掺用矿物掺合料可 以提高其 耐久性 和体积稳定 性， 产生显著的社会和经济效益n 1 。传统的矿物掺合 料诸如粉煤灰 、矿粉和硅灰等 由于其 使用技术成 熟 ， 使用 量大 ， 其储量 已难以满足 日益增长 的工程 建设需 要 ， 为有效缓解这一 困境 ， 掺用偏高岭土和 石灰石粉混凝 土的制备与应用研究 日益增多 ， 并取 得 了一系列成果 。石灰石粉一般是在碎石厂生产碎 石和机制砂 时产生的石屑磨细而成 ， 将其掺用到混 凝土 中可以提高混凝土的早期强度 ， 改善其工作性 和部分耐久性指标 ，产生 良好 的社会 和环保效益 ， 提高混凝土的“ 绿色化” 2 】 ， 由于石灰石粉主要是一 种惰性掺合料 ， 限制 了其取代水泥 的掺量 ， 一般最 佳掺量为 1 O 【 3 J 。偏高岭土是高岭土经高温焙烧 、 脱 去烃基后所得的产物 ， 其活性较高 ， 能够显著提高 混凝土强度 ， 改善混凝土综合性能 ， 效果与硅灰 的 效果相 当 ， 其最佳 掺量为 1 0 一 2 0 ， 由于其产量 相对较低 ， 价格相 比于石灰石粉较贵 ， 限制 了其大 范围的推广使用 。 为有效解决 日益短缺的合格矿物掺合料需求 ， 以偏高岭土最佳掺量 1 0 为基础 ， 提高石灰石粉掺 量 ，研究 了双掺偏 高岭土和石灰石粉对混凝 土强 度 、 碳化和抗氯离子渗透性能 的影响规律 ， 并结合 孔结构和 S E M微观分析了其影响机理 ， 以得到双掺 偏高岭土 和石灰石粉 时石灰石粉在混凝土 中的最 佳用量 ， 从而提高混凝土 的“ 绿色化” ， 据此 为推广 双掺偏 高岭土 和石灰石粉混凝 土工程应用提供相 关技术支持 。 1 试 验 1 1 试验原材料 水 泥为 4 2 5级 P 0硅 酸盐水 泥 ，比表 面积 3 5 0 m k g ；石灰石粉为石屑磨制而成的细粉 ， C a C O 3 含量在 8 0 以上 ， 比表面积 4 0 0 m2 k g ； 偏 高岭土 中 A 1 0 和 S i O 2 含量在 9 0 以上 ，比表 面积 1 0 0 0 m k g ； 细集料为天然河砂 ， 细度模数为 2 4， I I 区级配 ， 表观密度 2 5 2 #c m ； 粗集料为石灰石碎 石 ， 粒 径范 围为 5 2 5 mm， 表观密度 2 6 7 g c m ； 减水剂为聚羧酸 系高效减水剂 ， 减水率 2 4 8 ； 水为洁净 自来水 。 1 2 试验方案 由于偏高岭土活性较高， 其价格较贵， 因此以 偏高岭土取代水泥的最佳掺量 1 0 为基础 ， 再掺人 石灰石粉 ，不 断提 高其取代水泥 的掺量 ，分别为 1 0 、 2 0 和 3 0 ， 以求得双掺时石灰石粉 的最佳掺 量 ， 通过调整减水剂用量使得混凝土工作性达到泵 一 1 9 2 0 1 3 年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 送要求 ， 混凝土配合 比见表 1 。混凝土强度按 G B rr 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行 ，其抗碳化性能和抗氯离子渗透性能按 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性能试 验方法标准 进行。为揭示其影响机理 ， 同时进行了 混凝土样 品 2 8 d 龄期的孔结构和 S E M微观分析。 混 凝土孔结构采用可蒸发水含量法测试 5 - 6 1 。混凝土总 孔 隙率由完全饱水的试件在 1 0 5 下烘干 2 4 h至恒 重时的失水量求得 ； 混凝土的气孔及粗毛细孔孔隙 率 由完全饱水 的试件在约 9 0 相对湿度条件下 的 失水量求得 ； 细毛细孔孔隙率即为总孔隙率与气孔 及粗毛细孔孔隙率的差值。 2结果 与讨论 2 1 双掺对混凝土强度的影响 图 1为双掺偏 高岭土和石灰石粉对混凝土不 同龄期抗压强度的影响。 表 1 混凝 土配合比 k g m 窖 鹱 U l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 龄期， d 图 1 双掺对混凝 土强度 的影响 从 图 1 可 以看 出 ， 随着龄期的增长 ， 混凝 土试 件强度不断增长 ； 双掺 1 0 偏高岭土和 1 0 石灰石 粉 的混凝土试件 ( MK + 1 0 L P ) 各龄期强度与基准混 凝土试件相近 ； 增加石灰石粉掺量到 2 0 的双掺混 凝土试件 ( MK + 2 0 L P ) ， 其强度明显高于基准混凝土 试件 ； 继续增加石灰石粉掺量到 3 0 ， 反而降低 了 强度 ，与基准混凝土试件 9 0 d强度 5 3 5 MP a 相 比， 双掺混凝土试件 ( MK + 3 0 L P )降低了 2 0 6 ，仅为 4 2 5 MP a 。由此可见 ， 双掺时以石灰石粉掺量为 2 0 时对混凝土强度最为有利。 2 2 双掺对混凝土抗碳化性能的影响 图 2为双掺偏高岭土和石 灰石粉对 混凝 土不 同龄期抗碳化性能的影响。 从 图 2可以看出 ， 随着龄期 的增长 ， 混凝 土试 件的碳化深度不 断增加 ，其增长速度慢慢趋于平 缓。各混凝土试件 3 d碳化深度基本相近 ， 双掺 1 0 偏高 岭 土和 1 0 石灰 石 粉 的混凝 土试 件( MK+ I O L P ) 碳化深度略低于基准混凝土试件 ； 增加石灰 石粉掺量到 2 0 的双掺混凝土试件 ( MK + 2 0 L P ) 碳 化深度明显低于基准混凝 土试件 ， 其 9 0 d碳化深度 一 2 0一 、 謇 赚 O l U 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 7 O 8 O 9 0 1 0 0 龄期 d 图 2 双掺对混凝土抗碳化性能的影响 下降 了 1 2 9 ， 仅为 1 4 2 mm， 极大地提高 了试件的 抗碳化性能 ； 继续增加石灰石粉掺量到 3 0 ， 反而 明显增加 了双掺混凝土试件 ( MK+ 3 O L P ) 的碳 化深 度 ， 9 0 d达到了 1 7 3 mm， 劣化了其抗碳化性能。由此 可见 ， 从抗碳化性能角度 出发 ， 双掺时石灰石粉掺 量 不宜 超过 2 0 。 2 3 双掺对混凝土抗氯离子渗透性能的影响 图 3为双掺偏 高岭土和石 灰石粉对混凝土不 同龄期抗氯离子渗透性能的影响。 从 图 3可看 出 ， 随着龄期的增长 ， 混凝土试件 氯离 子扩散系数不 断减小 。双掺 1 0 偏高岭土 和 1 0 石灰石粉的混凝土试件( MK + I O L P ) 氯离子扩散 系数与基准混凝土试件相近； 增加石灰石粉掺量到 2 0 的双掺混凝土试件( MK + 2 0 L P ) 氯离子扩散系数 明显低于基准混凝土试件 ， 提高 了其抗氯离子渗透 性能； 继续增加石灰石粉掺量到 3 0 的双掺混凝 土 试件反而增加了氯离子扩散系数 ， 相比基准混凝 土 试件 3 d和 9 0 d的氯离子扩散系数 9 2 x 1 0 硎 s和 5 2 x l O h n 2 s ， 分别增加 了 4 1 3 和 3 0 8 ， 劣化 了其 抗氯离子渗透性能。由此可见 ， 提高双掺混凝土试 柏 如巧 魏莹 双掺偏高岭土和石灰石粉对混凝土性能的影响 量 誓 龄 期， d 图 3 双掺对混凝 土抗氯 离子渗透性能 的影响 件抗氯离子渗透性能的石灰石粉最佳掺量为 2 0 。 2 4 机理分析与讨论 矿物掺合料掺入到混凝土中 ， 一般发挥 出形态 效应 、 微集料效应 、 微 晶核效应和一定 的化学 活性 效应 ， 从而改变混凝土的内部孔结构和界面粘结强 度 ， 并最终影响其强度和耐久性等宏观性能翻 。图 4 为双掺偏 高岭土和石灰石粉混凝 土试 件 2 8 d采 用 可蒸发水含量法测试得到的孔隙率。图 5为基准混 凝土试件和双掺 1 0 偏高岭土和 2 0 石灰石粉混 凝土试件( MK + 2 0 L P ) 的 2 8 d龄期 S E M照片。 蛙 c MK+1 0 L P MK+2 0L P MK+3 0L P 图 4 双掺对混凝 土孔隙率的影响 一 一 ( a ) 基准 混凝 土试件 C ( b ) 双掺混凝土试件 ( MK + 2 0 L P ) 图 5 混 凝土试件 2 8 d龄期 S E M照 片 从图 4可 以看 出， 双掺混凝土试件 ( MK + 1 0 L P ) 和( MK + 2 0 L P) 的总孔 隙率 与基准混凝土试 件基本 相近， 但其细毛细孔孔隙率在总孔隙率中所占的比 例分别为 7 8 和 8 8 ， 明显高于基准混凝土试件的 6 7 。由此可见， 双掺 1 0 偏高岭土和不超过 2 0 石灰石粉可 以有效细化混凝土 内部孔结构 ， 从 而提 高其强度和改善其耐久性 ， 其 中以双掺 1 0 偏 高岭 土和 2 0 石灰石粉效果更好 。双掺时， 当石灰石粉 掺量增加到 3 0 时， 混凝土试件 ( MK + 3 0 L P ) 各项孔 隙率均高于基准混凝土试件 ， 其细毛细孔孔隙率在 总孔隙率中所 占的比例为 6 3 ， 与基准混凝土试件 基本相 当 ， 由此可见 ， 双掺时掺用 3 O 石灰石粉增 大了混凝土孔隙率 ，同时也不能细化其 内部孔结 构 ， 最终劣化了混凝土性能 。 由图 5可看 出， 基准混凝土试件水化产物较为 单一 ， 其界面结构较为疏松 ， 而双掺 1 0 偏 高岭土 和 2 0 石灰石粉 的混凝土试件 ( MK+ 2 0 L P ) 水化 产 物较为丰 富 ， 界面结构较为致密 ， 这些都有利 于改 善混凝土内部孔结构 ， 从而提高其强度和耐久性。 3 结 论 ( 1 ) 双掺 1 0 偏高岭土和 1 0 石灰石粉 的混凝 土试件其强度 、 抗碳化和抗氯离子渗透性能与基准 混凝土试件相近 ； 双掺时增加石灰石粉掺量到 2 0 时进一步提高 了混凝土试件 的强度、 抗碳化和抗氯 离子渗透性能；继续增加石灰石粉掺量到 3 0 ， 反 而劣化了混凝土性能。掺 l 0 偏高岭土的双掺混凝 土试件石灰石粉的最佳掺量为 2 0 。 ( 2 ) 掺 1 0 偏 高岭土和适量石灰石粉可以细化 混凝土孑 L 结构并改善其界面结构 ， 从而提高其强度 和部分耐久性 ， 掺用过量的石灰石粉对 改善混凝土 内部结构无益。 参 考文献： 1 B a r b a r a L o t h e n b a c h ， K a r e n S c r i v e n e r ，R D H o o t o n S u p p l e me n t a r y c e m e n t i t i o u s ma t e r i a l s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ( 4 1 ) ： 1 2 4 4 - 1 2 5 6 2 】 杨华 山， 方坤河， 涂 胜金， 等 石灰石粉在水泥基材料 中的 作用及机理【 J 混凝 土， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 3 2 3 5 【 3 】肖斐， 崔洪涛， 陈剑雄 ， 等 超 磨细 石灰石 粉高强 混凝 土 的研究 J 硅 酸盐 通报 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 3 0 3 - 1 3 0 7 4 R a f a t S i d d i q u e ， J u v a s K l a u s I n fl u e n c e o f m e t a k a o l i n o n t h e p r o p e r t i e s o f mo r t a r a n d c o n c r e t e ： A r e v i e w J A p p l i e d C l a y S c i e n c e ， 2 0 0 9 (43 ) ： 3 9 2 - 4 0 0 【 5 】 N g a l a V T P a g e CLP a r r o t t L J ， e t a 1 D i ff u s i o n i n c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s ： F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s o f c h l o ri d e a n d o x y g e n d i ff u s i o n i n w e l l - c u r e d O P C a n d O P C 3 0 P F A p l a s t e r s叨 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , 1 9 9 5 ， 2 5 (4 ) ： 8 1 9 - - 8 2 6 网 何智海， 钱春香， 刘运华， 等 石灰石粉和粉煤灰对混凝土抗 冻融性能的影响叨 沈阳工业大学学报， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 5 ) ： 5 7 6 - 5 8 1 7 谢 友均， 马昆林， 龙广成， 等 矿 物掺 合料对混凝 土 中氯 离 子渗透性的影响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 1 ) ： 1 3 4 5 1 3 5 0 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 1 - 0 6 作者简介 ： 魏莹 ( 1 9 8 3 一 ) ， 女 ， 工程师 。 通讯地址 ： 兰州 市城关 区和政路 1 3 1 号 联 系电话 ： 1 5 1 9 3 1 4 8 7 7 0 E ma i l ： t t x h s d l 9 8 2 1 2 6 c o rn 一 2 l一 m 8 6 4 2 O