偏高岭土对混凝土工作性能及抗压强度的影响研究.pdf

2 0 1 4年第 3期 ( 总 第 2 9 3期 ) 混 凝 土 Nu mb e r 3 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 3 ) Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERl AL AND ADM I NI CLE 偏高岭土对混凝土工作性能及抗压强度的影响研究 谢立军。刘林 。周宇飞 ，杨文 ( 中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 研究 了偏高岭土掺量对混凝土抗压强度和工作性能的影响。 研究表明： 偏高岭土可明显提高凝土的抗压强度， 偏高岭 土掺量为 1 5 时 ， 混凝土抗压强度较好 ， 2 8 d 抗压强度增长 1 9 ， 同时随着掺量 的增加 ， 混凝土工作性能降低 ， 但可通过适当提高 效减水剂的掺量 ， 可保持其工作性能不变。 关键词： 偏高岭土 ；抗压强度；工作性能 中图分类号： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 l 1 3 0 3 Re s e a r c h o n t he e ffe c t o f me t a k a o l i n o n w o r k i n g p e r f o r m a n c e a n d c ompr e s s i n e s t r e n g t h o f c o n c r e t e X I EL ij t m， L I UL i n ， Z HO U y u f e Y AN G We n ( Ch i n a S t a t e Co n s t r u c t i o n Re a d y Mi x C o n c r e t e Co ， L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e i nfl ue nc e s o f me t a k o l i n wi t h d i f f e r e n t mi x a mo un t o n c o n c r e t e wo r k a b i l i t y a nd me c h a n i c a l pr o p e r t i e s a r e s t u d i e d i n t h i s pa pe r ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t the c o mp r e s s ive s t r e n g t h o f c o n c r e t e c a n be s i g n i fic an t l y i mp r o v e d b y i n c o r p o r a t i o n o fme t a ka o l i n， the c o m p r e s s i v e s t r e n gth C an b e i n c r e a s e d b y 1 9 a t 2 8 d c u r i n g a g e u n d e r t h e o p t i mu m mi x a mo un t 1 5 ， and t h e c o n c r e t e wo r k a b i l i ty d o e s d e - c l i n e wi t l l the mi x a mo u nt r a i s i n g an d C an be ma i n t a i n e d b y i nc r e a s i n g a mo u nt of wa t e r r e d uc i n g a g e n t whi l e K e y wo r d s ： me t a k o l i n i c o mp r e s s i v e s t r e n gth； c o n c r e t e wo r k a b i l i ty 0 引 言 偏高岭土( me t a k a o l i n ， 简称 MK) 是高岭土( A1 2 0 3 2 S I O 2 2 H 2 0， AS 2 H ： ) 在适 当温度下 ( 6 0 0 9 0 0) 经脱水形成 的无 水硅酸铝( A 1 2 0 3 2 S I O 2 ， A S ) 。 高岭土经加热脱水处 理后虽 保持原先的层状结构， 但是原子间已发生了较大的错位， 形 成了结晶度很差偏高岭土。 因此 ， 偏高岭土 中的原子排列是 不规则 的， 呈现热力学介稳状态 ， 在适 当激 发作用 下具有 胶凝性 1 - 2 。 最近 3 0 多年 以来 ， 国外对偏高岭 土的研究 ， 特 别是在建筑材料应用领域走到了我们的前面 ， 在利用高岭 土研制水泥基材料方面取得了很大 的进展 ， 为 国民经济的 建设和可持续发展起着重要 的作用2 J 。 阿尔及利 亚大清真寺位 于阿尔及尔中轴线上 ， 毗邻地 中海 ， 建 筑面积 4 O 万 mz ， 建成后将成为非洲最高 、 规模最 大的清真寺 ， 也是世界第三大清真寺。 本试验研究结合阿尔 及利亚市场上混凝土原材料的实际( 无粉煤灰 、 矿渣 ， 水泥 质量不稳定 ( 立窑生产 ) 等 ) ， 开展偏高岭土对混凝土工作 性和抗压强度影响研究 。 1 原材料 ( 1 ) 水泥 ： 本工程采用 C H L E F 产的 C P J C E MI I A 4 2 5 级 水泥 ， 2 d 强度 1 8 9 MP a ， 2 8 d 强度 4 3 1 MP a ， 化学分析见表 1 。 表 1 水泥、 偏高岭土的化学成分 ( 2 ) 集料 ： 粗集料采 用 当地 E L H A C H I MI A生产 的粒 径 8 1 5 mn l 和 1 5 2 5 mm的碎石 ， 压碎值为 1 0 5 ， 针片状 4 ， 含泥量 0 9 ， 泥块含量 0 -4 。 细集料采用产 自B I S K R A 的黄砂 ， 细度模数为 2 0 、 含泥量 0 3 和产 自B A G H L I A的 水洗黑砂， 细度模数为 3 1 、 含泥量 1 6 。 ( 3 ) 偏高岭土 ： 采用 G R A C E厂家生产的偏 高岭 土 ， 化 学成分见表 1 ， X R D和 s E M 图谱见图 1 、 2 。 由图 1 可知 ， 高岭土经加热脱水处理成偏高岭土以后 ， 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 9 - 0 6 高岭石转变成非晶态材料， 衍射消失， 仅存石英特征峰。 从 图 2中可 以看出 ， 偏高岭土颗粒达到微米级 ， 且微观形态 为不定形状态 ， 锯齿棱角较多 ， 因此对于水和减水剂 的吸 附比较大 ， 使得掺偏高岭土的混凝土需水量和减水剂用量 相应增加 。 ( 4 ) 减水剂和水 ： 减水剂采用 S I K A生产的 T E MP O 1 2型 聚羧酸型高效减水剂 ， 固含量为 3 0 2 ， 减水率 为 2 8 。 拌 和用水为 自来水 。 l 1 3 图 1 偏高岭土的 X R D图谱 图 2 偏高岭土的 S E M 图谱 2试 验 方 法 本试验研究了偏高岭土掺量对偏高岭土混凝 土工作 性能和物理力学性能的影响。 试验配合 比见表 2 ， 试验 I 一 保持水胶比不变， 设定偏高岭土掺量为 5 ， 研究其对混凝 土工作性能 的影响 ； 试 验 A E固定水胶 比为 0 4 1 ， 偏 高岭 土采用 内掺法等量取代水泥 ， 保证混凝土工作性能不变的 情况下 ， 研究其对混凝土抗压强度 的影响。 表 2试验配合比 编号 偏高岭土 水泥 G1 5 2 5 G8 1 5黑砂 黄砂水减水剂 注： 减水剂掺量为胶凝材料的百分 比。 混凝土拌合物工作性能试验依据 B S E N 1 2 3 5 0 2 ， 2 0 0 9 进行 ， 抗压强度试 验依据 B S E N1 2 3 9 0 4 2 0 0 0 进行。 3 试验结果及分析 3 1 偏高岭土对混凝土工作性的影响 图 3 是在保持水胶比不变 ， 偏高岭土掺量为 5 条件下 ， 研究偏高岭土J t- 剂掺量的影响试验结果。 对比试验 I 和I I ， 在偏高岭土替代 5 的水泥 ， 保持减水剂掺量不变 的条件下 ， 混凝土坍落度和扩展度明显降低， 工作性变差； 对比试验 I I I 和 ， 在达到同基准试验 I 相 同工作性 时， 减水剂掺量 增加 ， 相 对基准试验 I ， 减水剂掺量增加约 2 5 ， 且混凝 土 和易性 良好 ， 无泌水和板结现象 。 试验结果与先前对偏 高岭 土的微观结构分析一致 ， 表明偏高岭土对减水剂和水 的吸 附作用较大。 1 1 4 g 舀 、 世 H 试 验 编 号 图 3 偏高岭土对9 H J n 剂掺量的影响 图 4 是在水胶 比为 O 4 1 的条件下 ， 偏高岭土掺量对混 凝土工作性能影响的试验结果 。 结果表明 ， 随着偏高岭土掺 量 的增加 ， 要保持工作性能不变 ， 减水剂 的用量也 相应的 增加 ， 在 1 0 1 5 掺量时 ， 增幅最大 ， 减水剂相对基准 ( 0 ) 增加约 5 0 ； 偏高岭土掺量 1 5 以上 时 ， 减水 剂增加的幅 度呈逐渐减小的趋势 ， 表明偏高岭 土对减水剂 的吸附作用 存在一个限值 ， 超过该限制 ， 吸附作用降低 。 宣 暑 、 H U 5 1 U 1 5 ZU 2， 偏高岭土掺量 图 4 偏高岭土掺量对混凝土工作性能的影响 3 2 偏 高岭 土对混凝 土抗压 强度 的影 响 图 5 是偏高岭土对混凝 土抗压强度影响试验结果 ， 以 试验不掺高岭土 的抗压强度 为基准强度。 图 5 的试验结果 可 以看出 ， 掺偏高岭土能够显著提高混凝土的抗压强度。 随 着偏高岭土掺量 的增加 ， 混凝土 的抗压 强度增 加 ， 早龄期 强度随掺量增加而增长不明显 ， 2 8 d 抗压强度随掺量增加 而增长较 为明显 ， 后期抗压强度在掺量低于 1 5 时随着掺 量增加而增长 ， 当掺量 高于 1 5 后 ， 强度保持稳定 。 结果 表 明 ， 偏高岭土对混凝土抗压强度发展具有积极作用 。 1 4 1 2 1 O s 0 6 0 4 O 2 0 ， 2 6 养护 龄期 ， d 图 5 偏高岭土掺量对混凝土抗压强度的影响 随着偏高岭土的掺量的增加 ， 混凝土 2 8 d 抗压强度相 对 7 d 龄期强度的增长率逐渐增加， 在掺量 1 5 时达到最高 值 ； 混凝土 5 6 d 抗压强度相对 2 8 d龄期强度 的增 长规律 随掺量 的增加大致呈正态分布 曲线 ， 在 掺量 1 0 时 ， 达 到 最高值 。 8 7 6 5 4 3 2O 1 1 1 _軎 幂嚣隶 O O O 0 O O O 0 0 0 O 如 如 加 如0 ，1 ；1 l 蛹 最畚 偏 高岭土能够改善混凝土的抗 压强度 ， 可能是 因为偏 高岭土是介稳态 的无定形硅铝化合物 ， 在水泥水化产物环 境的碱激发下， 硅铝化合物由解聚到再聚合， 形成一种硅 铝 酸盐 网络结构 ， 其活性 的 A 1 2 0 和 S i O ： 迅速与水泥水化 生 成的 C a ( O H) 反应 ， 生成 具有一定胶 凝性能 的水 化硅 酸钙 、 水化铝酸钙 ， 降低了 C a ( O H) 晶体含量 ， 改善了界面 过渡区的结构， 使混凝土的结构更加密实， 促进了水泥的 水化 ， 强度更高 。 从试 块破碎面可以发现 ， 基准混凝 土试块的孑 L 洞 明显 多于掺偏高岭土 的试块 ， 掺有偏高岭土的混凝土整体结构 比较致密。 这说明偏高岭土的掺人， 填充了混凝土中的空隙 ， 使水泥石与骨料界面的黏结力增强 。 这是 因为活性微细掺 合 料除 了有填充效应外 ， 还吸附 了大量 自由水 ， 使骨料底 部水量减少 、 孔 隙变小 ， 界面趋于密实 ， 有利于提高混凝土 的力学性能。 并且由于偏高岭土多孑 L 的微观结构， 可以吸收 水泥水化产生 的 c a ( 0 H) ： 而形成水化铝酸钙和 C s H凝 胶， 从而改善水泥混凝土硬化体中的孔隙率和孔结构， 对混 凝 土的力学性能和耐久性起到增强效果 。 4结 论 ( 1 ) 在水胶比一定的情况下， 偏高岭土等量取代水泥 会降低混凝土工作性 ， 本试验取代 5 时 ， 混凝土坍落度 降 低 约 3 0 mm； 减水剂掺量增加 2 5 后 。 混凝 土和易性较好 ， 上接第 1 1 2页 3 8 4 MP a ， 而在工程实际 中， C 3 0 普通河砂混凝土 7 d的抗 折 强度一般仅为 2 5 3 5 MP a ， 可见 由风化砂取代细骨料 ， 可以明显提高混凝土的早期抗折强度 。 产生这一现象的原 因是风化砂表面凹凸不平 ， 比表 面积较大 ， 作为细骨料掺 人后 ， 增大 了水泥浆与砂颗粒 的接触面积 ， 因此早期强度 较一般混凝土增长较快 。 ( 3 ) 养护 7 d 后 ， 混凝 土的抗 折强度增长较为缓慢 ， 7 、 2 8 d 抗折强度仅增长 0 5 2 MP a ， 2 8 d 风化砂混凝 土抗折强 度为 4 3 6 MP a ， 略低 于普通混凝土 2 8 d 时 4 5 MP a 的抗折 强度。 同时根据 J T G D 4 0 2 0 1 1 公路水泥混凝土路 面设 计规范 中对水泥 昆 凝土路面弯拉强度的规定 ， 风化砂? 昆 凝 土 2 8 d的抗折强度达到 了轻交通混凝土路面的要求。 4结论 通过使用风化砂来取代混凝土 中的细骨料 ， 通过一 系 列的室 内研究 ， 可以得 出以下结论 ： ( 1 ) 风化砂作为细骨料拌和的混凝土具有较好的保水 性 和流动性 ， 坍落度较小 ， 且满足混凝土路 面摊铺机具 的 作业 时的要求 。 ( 2 ) 风化砂混凝土早期抗压强度增长较普通混凝土快 ， 7 d 抗压强度就 已达到 7 4 6 ， 但后期强度增长较慢 ， 2 8 d 的 抗压强度值仅达到设计强度 8 9 2 。 ( 3 ) 风化砂作为细骨料可明显提高混凝土的早期抗折 强度， 但后期抗折强度增长幅度较小， 2 8 d 抗折强度达到了 4 3 6 MP a ， 达到 了轻交通混凝土路面的抗折要求 。 可保持不变 。 ( 2 ) 偏 高岭土有利于增强混凝土 的抗压强度 ， 尤其是 有利于后期强度发展。 本试验掺量 为 1 5 时， 相对基准混凝 土 ， 7 d 抗压强度增长约 7 ， 2 8 d 抗压强度增长约 1 9 ， 5 6 d 强度增长约 2 5 。 ( 3 ) 随着偏高岭土掺量增加 ， 混凝土后期抗 压强度幅 度逐 渐增大 ， 掺量超过 1 5 时 ， 偏高岭土对混凝 土后期强 度的增 幅逐渐减小 ， 掺量到 2 5 时 ， 2 8 5 6 d 强度几乎无增 长 ， 约 0 6 。 参考文献 ： 【 1 王立久， 李明 ， 王宝民 偏高岭土的研究现状及展望【 J J 建材技术 与应用 ， 2 0 0 3 f 2 J 方永浩， 郑波， 张亦涛偏 中的应用【 J 硅酸盐学报， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 8 ) ： 8 0 1 8 0 5 【 3 】高安平 ， 崔学民 偏高岭土在水泥及混凝土领域的研究进展【 J 1 厂西大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ( S 1 ) 【 4 】邓岗， 胡江 偏高岭土在水泥混凝土中的应用研究现状 建材 发展导向， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 4 7 4 9 【 5 李鑫， 等 掺偏高岭土混凝土导电量和氯离子渗透性能的研究 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 1 2 1 4 作者简介 ： 谢立军( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 工程师， 研究方向： 混凝土技术与 管理。 联系地址 ： 武汉市东湖高新区华光大道 1 8号 高科大厦 1 6楼 ( 4 3 0 0 7 4 ) 联系电话 ： 1 3 9 9 5 5 1 4 8 7 2 参考 文献 ： 【 1 】杨凤玲， 茁银行， 李玉寿， 等废玻璃细骨料混凝土的试验研究 J 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 8 1 8 6 2 12 陈秀铜， 李璐 磷矿渣作掺合料的碾压混凝土性能试验【 J J _武汉 大学学报 ： 工学版， 2 0 0 8 ， 4 ( 4 1 ) ： 5 6 5 8 3 1陈秀铜， 刘德富， 李璐 掺磷矿渣混凝土性能试验研究f J 1 水利发 电学报 ， 2 0 0 7 ， 6 ( 2 6 ) ： 5 7 6 0 4 】周健， 崔自治， 周康， 等 煤渣取代部分细骨料对混凝土抗压强 度的作用效应研究f J 1 混凝土， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 5 4 5 6 【 5 叶国强 弃料在三峡二期围堰工程中的利用 J _ 水利水电科技进 展 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 3 ) ： 5 4 5 5 1 6 16 梁倚 ， 邓志恒 ， 黄廷剑 ， 等 以废砖粉和废砂浆为细骨料的再生 混凝土受力性能试验研究 J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 4 4 4 6 7 1孔丽娟 ， 葛勇 ， 袁杰 ， 等 混合骨料混凝土应力 应变全曲线 的研 究【 J 】 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 7 ) ： 1 8 2 1 【 8 肖建庄， 范玉辉， 林壮斌 再生细骨料混凝土抗压强度试验【 J J 建 筑科学与工程学报， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 4 ) ： 2 6 2 9 9 19 李秋义， 李艳美， 毛高峰 ， 等 再生细骨料混凝土碳化性能的试 验研究f J J 青岛理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 5 9 1 6 1 1 0 】 季孝敬， 严云 ， 胡志华 大流动度混凝土用细集料级配优化【 J J 武 汉理工大学学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 2 9 3 4 1 1 】 程云虹 ， 黄菲 ， 刘佳 废弃陶瓷骨料混凝土强度试验研究【 J J 公 路 ， 2 0 1 2 ， 1 1 ( 1 1 ) ： 7 5 7 8 【 1 2 何锦云 ， 贾青 ， 李清扬钢渣矿渣代替细骨料配制混凝土的试验 研究 J 1 河北工程大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 2 ) ： 6 - 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