偏高岭土对高性能水泥砂浆性能的影响

姜 广 戎志丹 孙 伟

(东南大学江苏省土木工程材料重点试验室, 南京 211189)

偏高岭土对高性能水泥砂浆性能的影响

姜 广 戎志丹 孙 伟

(东南大学江苏省土木工程材料重点试验室, 南京 211189)

研究了偏高岭土的火山灰活性,考察了不同偏高岭土掺量对高性能水泥砂浆的流动度、抗折强度、抗压强度和氯离子渗透性的影响．试验结果表明:偏高岭土的火山灰活性高于硅灰;偏高岭土颗粒形貌的不规则性会降低新拌砂浆的流动度;偏高岭土的掺入使砂浆的抗折强度降低,90 d养护龄期时偏高岭土掺量为10%的砂浆抗折强度高于偏高岭土掺量为6%，14%的砂浆抗折强度．偏高岭土掺量为10%的砂浆的后期抗压强度最高,90 d养护龄期时可达96.3 MPa;56 d龄期时偏高岭土掺量为0%,6%,10%,14%的砂浆的氯离子渗透性都较低,电通量分别为165,221,191,158 C．

偏高岭土;火山灰活性;力学性能;氯离子渗透性

混凝土是应用最为广泛的建筑材料之一,每年会消耗掉大量的水泥, 2013年中国的水泥产量为24×109t．生产水泥会消耗大量的原材料和能源,且每生产1 t水泥大约会向大气中排放0.8 t二氧化碳,生产过程中产生的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物会造成温室效应和酸雨,引起严重的环境污染．为了减少水泥工业对环境的影响,可用偏高岭土或其他矿物掺和料来代替一部分水泥,以生产水泥基材料．偏高岭土和水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化,形成改良的浆体微结构,可用于制备高性能的水泥基复合材料[1]．本文研究了偏高岭土的火山灰活性,并就偏高岭土掺量对水泥砂浆的工作性能、力学性能和耐久性能的影响进行了探讨．

1 材料制备

1.1 原材料

水泥采用江南小野田生产的P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥．超细粉煤灰采用南京热电厂生产的Ⅰ级超细粉煤灰．偏高岭土由湖南超牌公司提供,颗粒形貌和粒径分布见图1．硅灰由埃肯公司提供．水泥、粉煤灰、硅灰和偏高岭土的化学组成见表1．细集料采用最大粒径为2.36 mm的普通河砂,细度模数为2.26,连续级配．外加剂采用西卡公司生产的聚羧酸系高效减水剂,减水率为40%．

(a) SEM图片

(b) 粒径分布

表1 水泥、粉煤灰、硅灰及偏高岭土的化学组成 %

1.2 配合比

以流动度相同为标准,进行偏高岭土和硅灰火山灰活性指数试验,配合比见表2．研究了偏高岭土掺量w(偏高岭土)=0%,6%,10%,14%时高性能砂浆的性能,配合比见表3．

表2 活性指数试验配合比

表3 高性能砂浆配合比

1.3 试验方法

1.3.1 成型工艺

成型过程中先将称量好的胶凝材料和河砂缓慢搅拌5 min,然后加入水和减水剂,继续搅拌．当混合料进入黏流状态后快速搅拌3 min,振动成型．标准养护(温度为(20±2)℃,湿度大于95%)1 d后拆模．

1.3.2 流动度

按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)中的规定,将拌和好的水泥胶砂分2层迅速装入模内,开动跳桌跳动25次．跳动完毕后,用卡尺测量胶砂底面互相垂直的2个方向的直径,计算得到的平均值即为流动度．

1.3.3 同步热分析

将相应龄期的样品在无水乙醇中浸泡3 d取出,干燥、研磨后过80 μm方孔筛待测．试验采用德国耐驰公司STA449C型综合热分析仪(TG-DSC),温度选取为20～1 000 ℃,升温速率为10 ℃/min．制样过程中样品碳化会消耗掉一部分氢氧化钙,故残余氢氧化钙的质量应考虑到碳化的部分．设氢氧化钙残余质量分数为X,考虑到偏高岭土或硅灰与氢氧化钙的质量比为1∶1,故可设活性指数n=100-2X[2]．

1.3.4 力学性能测试

参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行砂浆抗折强度和抗压强度的测试和试验结果评定．

1.3.5 电通量测试

将试件切割成直径为(100±1)mm、高度为(50±2)mm的圆柱体试件,每组3个试件．试件真空饱水完毕后需继续泡在水中．安装、密封试件后进行测试．将3个试件于(60±0.1)V的直流恒电压下通电6 h,其间通过试件的电荷量平均值即为电通量．

1.3.6SEM分析

SEM分析所用仪器为Sirion场发射扫描电镜．样品制备过程如下:取尺寸为8 mm×8 mm×5 mm的样品,在无水酒精溶液中浸泡3 d后取出,于(60±2) ℃下干燥48 h,然后将样品表面喷金以待测试．

2 试验结果及讨论

2.1 偏高岭土活性

高岭土在600～850 ℃下煅烧脱羟基后生成结晶度较低的偏高岭土[3]．不同地域的高岭土化学组成不同,其最佳煅烧温度也不相同．研究表明,650 ℃下煅烧3 h或850 ℃煅烧2 h是较为合适的选择[1]．高岭土高温脱羟基生成偏高岭土的反应方程式为[4]

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

偏高岭土的XRD图谱见图2．

图2 偏高岭土的XRD图谱

偏高岭土的活性成分主要为SiO2和Al2O3．由图3(a)可知,偏高岭土和氢氧化钙反应有絮凝状物质和板状晶体生成.文献[5]指出,常温下偏高岭土与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶、C4AH13晶体和C2ASH8晶体．铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时,矿热电炉内产生大量挥发性强的SiO2和Si气体,气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀便生成了硅灰,其成分大部分为活性SiO2,与氢氧化钙反应主要生成C-S-H凝胶(见图3(b))．

采用TG-DSC方法分析了反应龄期T=3,7,28,56 d时偏高岭土和硅灰的火山灰反应活性指数．图4给出了T=7,28 d时的差示扫描量热分析图．由图可知，7 d龄期的偏高岭土和硅灰样品中均有氢氧化钙残余;28 d龄期的偏高岭土试样中氢氧化钙基本全部反应,硅灰样品中仍有氢氧化钙剩余．偏高岭土试样在300 ℃以下的质量损失大于硅灰,这是因为偏高岭土与氢氧化钙的反应产物除了C-S-H凝胶外,还有C4AH13和C2ASH8晶体．

(a) 偏高岭土与氢氧化钙反应

(b) 硅灰与氢氧化钙反应

偏高岭土和硅灰的火山灰活性指数见表4．由表可知,T=3 d时两者的反应活性指数较低;T=56 d时其火山灰活性指数接近;T=7,28 d时偏高岭土的火山灰活性指数较硅灰分别高出14.3和22.6，说明偏高岭土的反应活性指数明显高于硅灰．

表4 活性指数

2.2 偏高岭土掺量对流动度的影响

不同偏高岭土掺量对砂浆流动度的影响见图5．由图可知,新拌砂浆的流动度随着偏高岭土掺量的增加而降低．硅灰、粉煤灰是具有光滑表面的球形颗粒;而偏高岭土的颗粒形状不规则,从而导致其不具备粉煤灰和硅灰所具有的微滚珠效应,相反会因为增大胶凝材料之间的摩擦力而降低流动度．这与文献[6-9]中偏高岭土的掺入会降低流动性能的试验结果一致．

2.3 偏高岭土掺量对力学性能的影响

2.3.1 抗折强度

(a) 偏高岭土样,T=7 d

(b) 硅灰样,T=7 d

(c) 偏高岭土样,T=28 d

(d) 硅灰样,T=28 d

不同偏高岭土掺量对水泥砂浆抗折强度的影响见图6．由图可知,掺入偏高岭土后砂浆的抗折强度明显降低;90 d龄期时，w(偏高岭土)=10%时的砂浆抗折强度较w(偏高岭土)=6%,14%时高,其抗折强度为16.66 MPa．这与文献[7]中结果相似;但与文献[5,10]不同,原因在于试验中水胶比和偏高岭土的化学组分不同．

图5 偏高岭土掺量对砂浆流动度的影响

图6 偏高岭土掺量对砂浆抗折强度的影响

2.3.2 抗压强度

不同偏高岭土掺量对砂浆抗压强度的影响见图7．由图可知,当T=7 d时,w(偏高岭土)=6%,10%的砂浆抗压强度较w(偏高岭土)=0%时低,这主要是因为7 d龄期内偏高岭土的火山灰活性没有充分发挥,且水泥用量减少导致砂浆密实度降低;w(偏高岭土)=14%时的砂浆抗压强度最高,这是因为此时偏高岭土的微集料填充效应使得砂浆的密实度较高．T≥28 d时,偏高岭土的火山灰活性得到了充分的激发,导致水泥基复合材料的抗压强度有较大提升;w(偏高岭土)=10%时的砂浆抗压强度最大,90 d龄期可达96.3 MPa．这与文献[10-11]中的研究结果不一致,可能是由于偏高岭土性质和配合比不同导致的．

图7 偏高岭土掺量对砂浆抗压强度的影响

2.4 偏高岭土掺量对电通量的影响

不同偏高岭土掺量对电通量的影响见图8．由图可知,56 d龄期时不同配比的砂浆试件电通量都较低;MK0,MK6,MK10,MK14的电通量分别为165,221,191,158 C;MK6和MK10比基准组高,MK14比基准组低．文献[6]中指出,w(偏高岭土)=0%,5%,10%,15%时,混凝土氯离子扩散系数分别为1.29×10-12,4.71×10-12,3.31×10-12,1.23×10-12,试验结果趋势和本文试验结果一致,即随着偏高岭土掺量的增大,水泥基复合材料的抗氯离子渗透性能先降低后升高．

图8 偏高岭土掺量对砂浆电通量的影响(T=56 d)

3 结论

1) 偏高岭土的火山灰活性高于硅灰．

2) 偏高岭土颗粒形貌的不规则性降低了新拌砂浆的流动度．

3) 偏高岭土的掺入导致砂浆的抗折强度降低．90 d养护龄期时掺入10%偏高岭土的砂浆抗折强度高于掺入6%和14%偏高岭土的砂浆抗折强度．掺入10%偏高岭土的砂浆的后期抗压强度最高,90 d养护龄期时可达96.3 MPa.

4) 56 d龄期时掺入0%,6%,10%,14%偏高岭土的砂浆试件的氯离子渗透性都较低,电通量分别为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. 作者简介: 姜广(1990—)，男，硕士生；戎志丹(联系人)，男，博士,rongzhidan@tom.com.

国家自然科学基金资助项目(51308110)、江苏省自然科学基金资助项目(BK2012754)、江苏省建筑科学研究院有限公司高性能土木工程材料国家重点试验室开放基金资助项目(2012CEM007).

姜广,戎志丹,孙伟.偏高岭土对高性能水泥砂浆性能的影响[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(1):121-125.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.022

TU528

A

1001-0505(2015)01-0121-05