云南地區(qū)偏高嶺土對膠砂和混凝土性能的影響

趙彥，李國新

（1. 西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055；2. 云南建投曲靖建材有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

混凝土是目前應用最為廣泛的建筑材料，礦粉、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料具有良好的填充效應和活性，可改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀性能，因此礦物摻合料已成為現(xiàn)代混凝土技術(shù)中不可缺少的組分[1]。云南地區(qū)的礦粉、粉煤灰來源單一，處理工藝相對較差，難以達到對礦物摻合料的性能要求，不能滿足云南地區(qū)對礦物摻合料的需求。然而云南地區(qū)具有豐富的偏高嶺土資源。

偏高嶺土是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）在 500～900℃ 下煅燒脫去羥基水而得到的[2]，具有無定形的結(jié)構(gòu)和較高的火山灰活性[3]。Shekarchi 等[4]研究了偏高嶺土對混凝土的性能影響，表明偏高嶺土的摻入加速了混凝土的初始凝結(jié)時間，提高了抗壓強度。楊鳳玲等[5]通過試驗表明，偏高嶺土等量取代 5%～25% 水泥時，混凝土各齡期的抗壓強度均有所提高。Kakali 等[6]研究表明，偏高嶺土對水泥強度增長有積極作用，使得混凝土在 7～28d 的強度迅速增加。鄭居煥[7]研究了偏高嶺土配制的活性粉末混凝土的抗壓強度，結(jié)果表明偏高嶺土性能與硅灰相似，能明顯提高混凝土的抗壓強度。王偉等[8]研究表明偏高嶺土的摻入可以改善混凝土在干燥環(huán)境下的收縮性能，且隨著偏高嶺土摻量的增大改善效果越明顯。已有研究表明偏高嶺土可以改善混凝土的性能。

本文主要針對云南地區(qū)的偏高嶺土，以不同比例的偏高嶺土取代水泥，研究其對膠砂和混凝土的工作性能和力學性能的影響，為云南地區(qū)偏高嶺土在混凝土中的使用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

（1）水泥：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，宜良紅獅水泥有限公司生產(chǎn)，主要技術(shù)指標見表 1，粒徑分布見圖1。

（2）偏高嶺土：云南天鴻高嶺礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的偏高嶺土。對云南地區(qū)偏高嶺土的化學組成及粒徑進行了分析，其化學組成見表 2、粒徑分布見圖 1。

（3）骨料：粗骨料采用粒徑為 5～31.5mm 公分石和 5～16.0mm 瓜子石的兩種連續(xù)級配的碎石人工級配而成；細骨料采用天然砂與機制砂進行人工級配，混合砂達到了中砂技術(shù)要求。

（4）減水劑：PCA-800 型高性能聚羧酸減水劑，固含量為 14.8%，云南建投高分子有限公司生產(chǎn)。

表1 水泥主要技術(shù)指標

表2 偏高嶺土化學成分 wt.%

圖1 云南地區(qū)偏高嶺土、水泥粒徑微分分布曲線

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 云南地區(qū)偏高嶺土—水泥膠砂試驗研究

試驗研究了云南地區(qū)偏高嶺土取代不同比例（0%、10%、20%、30%）水泥時，對膠砂流動度和抗壓強度的影響。具體試驗配合比見表 3。

表3 云南地區(qū)偏高嶺土—水泥膠砂試驗配合比 g

1.2.2 云南地區(qū)偏高嶺土對混凝土性能的影響

試驗參照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》以 C30 混凝土配合比為基準，使用云南地區(qū)偏高嶺土取代不同比例（0%、10%、15%、20%、30%）的水泥，成型 100mm×100mm×100mm 混凝土試樣，其中水膠比為 0.45，砂率為 49%，減水劑摻量為 1%。混凝土的具體配合比見表 4。

表4 摻偏高嶺土混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

本試驗主要研究不同偏高嶺土摻量對膠砂、混凝土的工作性能和力學性能的影響，評價指標包括膠砂流動度和抗壓強度，混凝土抗壓強度。膠砂流動度、抗壓強度試驗參照 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》及 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法（ISO 法）》進行?；炷恋目箟簭姸葏⒄?GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 云南地區(qū)偏高嶺土—水泥膠砂試驗研究

2.1.1 云南地區(qū)偏高嶺土—水泥膠砂流動度

通過試驗，偏高嶺土摻量對水泥初始、30min 和60min 膠砂流動度的影響如表5和圖2所示。

表5 不同偏高嶺土摻量下水泥膠砂流動度

圖2 不同偏高嶺土摻量下水泥膠砂流動度

由圖2可以看出：隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥初始、30min 和 60min 膠砂流動度在逐漸的降低。這可能是由于偏高嶺土是一種層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，能夠快速的吸收水分，使得水泥顆粒向微細偏高嶺土周圍靠攏，形成了“粘稠點”，降低了水泥膠砂的流動性[9]。而且偏高嶺土的顆粒形狀是不規(guī)則的，會增大水泥顆粒之間的摩擦力，隨著偏高嶺土摻量的增加，這一現(xiàn)象愈發(fā)明顯。因此隨著偏高嶺土摻入量的增加，水泥膠砂的流動度呈現(xiàn)出減小的趨勢。

2.1.2 云南地區(qū)偏高嶺土—水泥膠砂抗壓強度

根據(jù)表3中的配合比，成型 40mm×40mm×160mm 的膠砂試件。測試了 3d、7d、28d 時不同偏高嶺土摻量水泥膠砂的抗壓強度，結(jié)果如表6和圖3所示。

表6 不同偏高嶺土摻量水泥膠砂試件抗壓強度

圖3 不同偏高嶺土摻量水泥膠砂試件抗壓強度變化

由圖3可以看出：隨著偏高嶺土摻量的增加，膠砂的早期強度（3d）呈現(xiàn)下降趨勢，而有利于膠砂后期強度（7d、28d）的發(fā)展，在偏高嶺土摻量為 30%時，28d 齡期試件抗壓為 51.1MPa，相比空白試樣提高了11.4%。這可能是由于在早期水化過程中，水泥含量降低，減少了水化產(chǎn)物的生成量，且偏高嶺土的活性未能得到發(fā)揮，使得試件的早期強度降低；后期逐漸水化過程中，氫氧化鈣（Ca(OH)2）被消耗，生成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）和鈣礬石（AFt）使膠砂體系更加密實，故抗壓強度逐漸增大。

2.2 云南地區(qū)偏高嶺土對混凝土性能的影響

按照表4的配合比，通過試驗得到不同偏高嶺土摻量的混凝土抗壓強度的變化，結(jié)果如表7和圖4所示。

表7 不同偏高嶺土摻量下混凝土的抗壓強度

圖4 不同偏高嶺土摻量下混凝土抗壓強度變化

從4可以看出：隨著偏高嶺土的加入，混凝土抗壓強度表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。在 28d 齡期，偏高嶺土摻量為 20% 時，試件的抗壓強度達到最高為 46.7MPa，較空白試樣提高了 10.9%。分析原因可能是：（1）由圖1得知偏高嶺土的細度小于水泥，因此偏高嶺土可以填充更小的空隙；（2）偏高嶺土的加入，由于其火山灰效應消耗了水化產(chǎn)物 Ca(OH)2，減少了混凝土體系中水化產(chǎn)物的富集和定向排列。且偏高嶺土與 Ca(OH)2反應，生成了具有膠凝性能的AFt、C-S-H等物質(zhì)，密實了混凝土結(jié)構(gòu)有利于強度的提高。

3 結(jié)論

（1）隨著偏高嶺土摻量的增加，膠砂初始、30min和 60min 流動度逐漸降低。

（2）隨著偏高嶺土摻量的增加，膠砂的早期強度（3d）呈現(xiàn)下降趨勢，但有利于膠砂后期強度（7d、28d）的發(fā)展，在偏高嶺土摻量為 30% 時，28d 齡期試件抗壓為 51.1MPa，相比空白試樣提高了 11.4%。

（3）隨著偏高嶺土的摻量的增加，混凝土抗壓強度表現(xiàn)出升高后降低的變化趨勢。在 28d 齡期，偏高嶺土摻量為 20% 時，試件的抗壓強度達到最高為46.7MPa，較空白試樣提高了 10.9%。