偏高岭土和稻壳灰对自密实混凝土力学性能影响

黄 薇

(宜春交通投资集团有限公司，江西 宜春 336000)

自密实混凝土是一种高流动性混凝土，浇筑过程中无需振捣，在自重作用下能够自由填充模板[1].与普通混凝土相比，自密实混凝土需要添加大量的水泥作为填料，以改善混凝土的流动性，而水泥在制造过程中会产生大量废气，这会造成严重的环境污染[2].

偏高岭土由高岭土高温煅烧脱水形成，具有较高的火山灰活性，其主要成分为Al2O3和SiO2，在常温常压下即可与水泥水化生成的Ca(OH)2反应生成C-S-H等水化产物.Erhan等发现偏高岭土替代一定比例水泥可以显著提高混凝土强度[3].稻壳作为稻谷的副产品，燃烧后稻壳灰可以作为水泥基材料的矿物掺合料[4].武肖雨等的研究表明，将稻壳灰掺入混凝土中可以有效改善混凝土性能，降低混凝土成本[5].王收等认为稻壳灰提高混凝土强度的原因在于微集料效应和二次水化反应，当稻壳灰掺量为10%时，混凝土抗压强度达到最大值[6].

综上所述，偏高岭土和稻壳灰在普通混凝土中的应用已有大量研究，但是目前关于偏高岭土和稻壳灰同时作为水泥替代物在自密实混凝土中协同使用的研究较少.因此，本文以5%、10%、15%的偏高岭土和10%、15%、20%的稻壳灰替代部分水泥，分别研究偏高岭土和稻壳灰对新拌自密实混凝土工作性和不同龄期自密实混凝土力学性能的影响，以期为偏高岭土和稻壳灰在自密实混凝土中的工程化应用提供参考.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥为P·O 42.5 级水泥，其性能参数如表1所示.偏高岭土选用山西忻州某公司生产的偏高岭土.稻壳灰选取廊坊市某生物质能发电厂在600～800 ℃内焚烧的稻壳灰.水泥、偏高岭土和稻壳灰的化学组成如表2所示.细骨料选用细度模数2.65的天然河砂，表观密度2 860 kg/m3.粗骨料为卵石，表观密度2 620 kg/m3，最大粒径为9.5 mm.外加剂采用聚羧酸高性能减水剂，密度为0.62 g/cm3，pH值为10.水为自来水.

1.2 试验方案

以质量分数为5%、10%、15%的偏高岭土和10%、15%、20%的稻壳灰替代部分水泥，分别研究偏高岭土和稻壳灰对新拌自密实混凝土工作性和不同龄期自密实混凝土力学性能的影响.试验水胶比为0.55，具体的配合比如表3所示.

表3 自密实混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

按照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》和EFNARC UK—2002 Specification and Guidelines for Self-compacting Concrete，通过坍落扩展度试验、J环扩展度试验、V型漏斗试验和和L型仪试验对新拌自密实混凝土的工作性进行测试，并对养护28 d自密实混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度进行测试.

2 结果与讨论

2.1 新拌自密实混凝土的工作性

新拌自密实混凝土的工作性能参数见表4，可以看出：随着偏高岭土和稻壳灰替代水泥比例的增加，J环扩展度和L型仪试验值均逐渐减小，新拌混凝土通过V型漏斗的时间逐渐增加，表明随着偏高岭土和稻壳灰的掺入，自密实混凝土的和易性逐渐降低.这是由于偏高岭土和稻壳灰均具有较高的比表面积和反应活性，其会吸附更多的自由水，进而减小了新拌混凝土的流动性.此外，随着偏高岭土和稻壳灰替代水泥比例的增加，新拌混凝土的含气量基本保持不变.

表4 新拌自密实混凝土工作性测试结果

2.2 硬化自密实混凝土的力学性能

2.2.1 抗压强度

图1为单掺偏高岭土和稻壳灰自密实混凝土的28 d抗压强度，可以看出：偏高岭土替代水泥时，自密实混凝土的28 d抗压强度随着偏高岭土替代比例的增加而增加，与对照组C0的抗压强度(41.6 MPa)相比，C3组的抗压强度(51.2MPa)提高了23.1%，分析其原因是因为偏高岭土在胶凝体系中发挥了较强的火山灰效应和填充效应，形成了较为稳定的水化产物，改善了自密实混凝土的微观结构，进而提高了其强度；当稻壳灰替代水泥时，随着稻壳灰替代率的增加，自密实混凝土的28 d抗压强度逐渐减小，与对照组C0相比，C4组的抗压强度(43.4 MPa)提高了4.3%，C5组和C6组的抗压强度均低于对照组，表明当稻壳灰替代自密实混凝土中的水泥的比例超过10%时，会对其强度产生不利影响.

图1 偏高岭土和稻壳灰单掺对自密实混凝土 抗压强度的影响

图2为偏高岭土和稻壳灰复掺后自密实混凝土的28 d抗压强度，可以看出：复掺后的自密实混凝土的28 d抗压强度均大于对照组C0，说明通过偏高岭土和稻壳灰同时替代水泥，可以显著提高自密实混凝土的抗压强度，且当偏高岭土和稻壳灰替代水泥的比例分别为10%时，28d抗压强度最大，与C0组相比，自密实混凝土的抗压强度提高了26.6%；但是当偏高岭土替代水泥的比例一定时，自密实混凝土的抗压强度随着稻壳灰替代水泥比例的增加而减小，究其原因是因为稻壳灰中含有大量的SiO2，具有较好的火山灰活性；当掺量适当时，水泥熟料水化后生成的氢氧化钙能促进火山灰反应；当掺量过多时，未反应或残留的稻壳灰在硅酸盐沉淀中分层，导致水泥砂浆整体性降低，从而降低其抗压强度[7-9].

2.2.2 劈裂抗拉强度

图3为单掺偏高岭土和稻壳灰自密实混凝土的28 d劈裂抗拉强度，可以看出：掺加偏高岭土的自密实混凝土的劈裂抗拉强度均大于未掺偏高岭土的自密实混凝土，且随着偏高岭土掺量的增加，自密实混凝土的劈裂抗压强度逐渐增加；相比于对照组C0，偏高岭土替代水泥的比例为5%、10%、15%时，自密实混凝土的劈裂抗拉强度分别提高了7.7%、15.5%、26.9%；自密实混凝土的劈裂抗压强度随着稻壳灰的掺入逐渐减小，但是C4组和C5组的劈裂抗压强度仍大于对照组，说明适量掺入稻壳灰有利于提高自密实混凝土的劈裂抗拉强度.

图2 偏高岭土和稻壳灰复掺对自密实混凝土 抗压强度的影响

图3 偏高岭土和稻壳灰单掺对自密实混凝土 劈裂抗拉强度的影响

图4为偏高岭土和稻壳灰复掺后自密实混凝土的28 d劈裂抗拉强度，由图4可知，偏高岭土和稻壳灰复掺后自密实混凝土的28 d劈裂抗拉强度和复掺后混凝土的抗压强度具有相同的变化趋势.复掺后的自密实混凝土的28d劈裂抗拉强度均大于对照组C0，说明通过偏高岭土和稻壳灰同时替代水泥，可以显著提高自密实混凝土的劈裂抗拉强度.当偏高岭土的掺量为5%时，自密实混凝土的劈裂抗拉强度随着稻壳灰掺量的增加先增加后减小；当偏高岭土的掺量为10%和15%时，自密实混凝土的劈裂抗拉强度随着稻壳灰替代水泥比例的增加而减小，其中偏高岭土和稻壳灰的替代水泥的比例均为10%时，自密实混凝土的劈裂抗拉强度最大.这是因为当偏高岭土和稻壳灰的掺量较小时，二者均具有较好的火山灰活性和填充效应，可以有效提高浆体和界面过渡区的密实度，但是当掺量过大时，浆体中会夹杂未反应的稻壳灰薄弱层，这会对自密实混凝土的强度造成不利影响[10].

图4 偏高岭土和稻壳灰复掺对自密实混凝土 劈裂抗拉强度的影响

2.3 微观结构SEM电镜分析

通过扫描电镜观察空白对照组C0及偏高岭土和稻壳灰复掺自密实混凝土，微观结构如图5所示，可以看出：图5(a)中对照组C0有大量的孔隙，水泥水化产物较为稀疏；而图5(b)～(f)中的胶凝材料水化产物较致密，这也是复掺偏高岭土和稻壳灰后自密实混凝土强度显著增加的原因；图5(c)中形成的C-S-H凝胶致密且明显分散，微观结构变得更加均匀和致密，这表现为C10组的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度最大；对比图5(d)～(e)发现，当稻壳灰替代水泥的比例超过10%时，未反应或残留的稻壳灰在硅酸盐沉淀中分层，微观结构中存在细小的孔隙，导致水泥砂浆整体性降低，进而导致混凝土强度降低[9].

3 结论

1) 自密实混凝土的和易性随着偏高岭土和稻壳灰的掺入逐渐降低，含气量基本保持不变.

2) 随着偏高岭土替代比例的增加，自密实混凝土的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度逐渐增加；稻壳灰替代水泥的比例超过10%时，会对自密实混凝土的强度产生不利影响.

3) 偏高岭土和稻壳灰同时替代水泥，可以显著提高自密实混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，当偏高岭土和稻壳灰替代水泥的比例均为10%时，自密实混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度最大.

4) 自密实混凝土中掺加适量的偏高岭土和稻壳灰可以有效改善混凝土的微观结构，增加混凝土密实度，进而改善其力学性能.

图5 掺加偏高岭土和稻壳灰的自密实混凝土微观结构