煅燒高嶺土粉對低碳混凝土性能影響的研究*

郭春芳，張 明

1．山東輕工職業(yè)學(xué)院，山東 淄博255300；2．山東華偉銀凱建材科技股份有限公司，山東 淄博256410

低碳混凝土是指水泥用量較低而大量使用粉煤灰和礦粉等工業(yè)廢渣粉配制的混凝土.因水泥用量少，因此呈現(xiàn)出低碳特點.隨著國內(nèi)工程和房地產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，礦粉的價格也不斷攀升，使低碳混凝土的成本不斷增加.另一方面，我國高嶺土資源總量豐富，達(dá)到190億t，僅次于美國、英國，且其具有良好的可塑性、高粘結(jié)性、抗酸溶性、耐火性等理化特性，經(jīng)濟(jì)成本低.近幾年，有報道高嶺土粉作為摻合料應(yīng)用于混凝土[1-6]，以改善混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土適用性，同時可降低混凝土成本.本文采用煅燒高嶺土粉作為摻合料替代礦粉，研究了其對低碳混凝土性能的影響，為后續(xù)實際應(yīng)用提供理論參考.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥：山鋁牌P.O 42.5水泥，其熟料的化學(xué)成分與物理力學(xué)性能列于表1和表2；砂(產(chǎn)地臨朐):細(xì)度模數(shù)為2.5，含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%；骨料：邊河碎石，5～25 mm，連續(xù)級配，含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%；粉煤灰：萊蕪電廠Ⅱ級灰，其成分見表3；礦粉：張店鋼鐵廠，等級S95，其成分見表3；高嶺土：試劑純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，其成分見表4；水：自來水.

1.2 試驗方法

將高嶺土漿料于110 ℃烘干3 h，然后粉碎、研磨，置于馬弗爐500 ℃煅燒 2 h，即得煅燒高嶺土粉體.將煅燒高嶺土粉按一定比例摻入低碳混凝土中代替部分礦粉，并與基準(zhǔn)組進(jìn)行比較，探討其對低碳混凝土性能的影響.依照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》和GB/T 50082-2009《普通混凝土長期耐久性能試驗方法》對所制備的低碳混凝土的物理性能、強(qiáng)度及耐久性能進(jìn)行檢測.

基準(zhǔn)低碳混凝土配比為m(水泥)∶m(礦粉)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石子)=165∶149∶16∶760∶1120，用水量以達(dá)到混凝土初始坍落度為(80±10)mm時為準(zhǔn).其中煅燒高嶺土粉以基準(zhǔn)樣礦粉總質(zhì)量的10%，20%，30%和40%取代礦粉，詳見表5.

表1 水泥熟料的化學(xué)成分

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 礦粉與粉煤灰的化學(xué)成分

表4 高嶺土的化學(xué)組成

表5 混凝土的配合比

表5中1號為基準(zhǔn)樣，2號、3號、4號、5號分別為高嶺土替代率為10%，20%，30%，40%的低碳混凝土試樣.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 煅燒高嶺土的特性

圖1為煅燒后高嶺土的SEM與FTIR譜圖.由圖1(a)可知，煅燒高嶺土是由大量的納微米級管狀和條狀顆粒組成，呈疏松的堆積態(tài)，這種物態(tài)使高嶺土具有高分散性.圖1(b)顯示，譜圖中3552 cm-1處為結(jié)構(gòu)配位水和層間吸附水的H—O 鍵伸縮振動峰，說明煅燒后的高嶺土沒有完全脫水，仍含有少量結(jié)構(gòu)水；1620 cm-1處為Si—O 伸縮振動峰，1097 cm-1處為高嶺土的Al—O—Si振動峰；469 cm-1處附近為Si—Al振動峰.這些官能團(tuán)說明煅燒高嶺土主要是硅鋁化合物，具有水化活性.

圖1 煅燒后高嶺土的SEM(a)與FTIR譜圖(b)Fig.1 SEM(a) and FTIR(b) spectra of kaolin after calcination

2.2 混凝土試樣的力學(xué)性能

以煅燒高嶺土粉替代基準(zhǔn)混凝土中礦粉總質(zhì)量的10%～40%，按照表5的配合比制作低碳混凝土樣塊.根據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》對養(yǎng)護(hù)3d，7d，28d的混凝土樣塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，測試結(jié)果列于表6.

表6混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的試驗結(jié)果

Table6Experimentalresultsofcompressivestrengthofconcreteblocks

試樣編號抗壓強(qiáng)度/MPa3d7d28d1號13.920.832.62號14.221.533.83號13.920.232.14號13.519.331.95號12.418.431.7

由表6可知，隨著煅燒高嶺土粉用量增加，低碳混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先增后減的趨勢.當(dāng)煅燒高嶺土粉替代10%礦粉時，混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，3 d、7 d和28 d的強(qiáng)度分別提高了2.2%、3.4%和3.7%.一方面，煅燒高嶺土粉多為納米級顆粒，在混凝土混合中起到了填充效應(yīng)，減少了用水量；另一方面，高嶺土經(jīng)過煅燒之后，活化了礦物組分，參與了早期的水化反應(yīng)，有效地提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度.當(dāng)煅燒高嶺土粉替代率達(dá)到20%時，低碳混凝土的試樣的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)低碳混凝土的相近.繼續(xù)增大替代率，低碳混凝土試樣在3 d和7 d的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土，但在28 d的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相差不大.這可能是因為：雖然煅燒高嶺土納米級顆粒的填充使混凝土用水量降低，但煅燒高嶺土中的活化礦物組分Al2O3和SiO2早期水化程度仍低于鈣質(zhì)的礦粉，使受檢低碳混凝土的早期強(qiáng)度低，但隨著水泥水化產(chǎn)生Ca(OH)2，并與煅燒高嶺土中的Al2O3和SiO2繼續(xù)反應(yīng)，保證了28 d的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的相差不大.

圖2 煅燒高嶺土粉的添加量對混凝土收縮率比的影響Fig.2 Effect of addition amount of calcined kaolin powder on concrete shrinkage ratio

2.3 混凝土試樣的收縮性能

將所制備的混凝土試樣1～5號養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行收縮性檢測.基準(zhǔn)混凝土試樣28 d收縮率為2.65×10-6，以低碳混凝土28 d的收縮率與基準(zhǔn)混凝土收縮率的比值為收縮率比，測試結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，低碳混凝土試樣的收縮率比均小于基準(zhǔn)低碳混凝土的收縮率比.當(dāng)煅燒高嶺土替代礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，試樣的收縮率比為95%.繼續(xù)增大煅燒高嶺土的替代率，混凝土的收縮率比變化不明顯.煅燒高嶺土中含有大量的活化礦粉組分Al2O3和SiO2，Al2O3和SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)生成硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)的膠凝材料，進(jìn)一步填充了混凝土的毛細(xì)孔，在一定程度上降低了其表面張力，減小了收縮率比.

2.4 混凝土試樣的抗凍融性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期耐久性能試驗方法》，將混凝土試樣經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行快速凍融試驗，經(jīng)200次凍融循環(huán)后，試驗結(jié)果列于表7.

由表7可知，快速凍融試驗后，混凝土試塊的質(zhì)量與抗壓強(qiáng)度均比試驗前低.當(dāng)煅燒高嶺土替代礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，混凝土試樣的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率分別比基準(zhǔn)樣品減少了0.17%和2.07%；繼續(xù)增大煅燒高嶺土的替代率，試樣的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率減小.這主要是因為煅燒高嶺土粉摻入低碳混凝土后，納米級的顆粒填充并減少了混凝土內(nèi)部孔徑，使低碳混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而改善了低碳混凝土的抗凍融性能.

3 結(jié) 論

(1)500℃煅燒高嶺土是由大量納微米級管狀、條狀組成，呈疏松的堆積態(tài)，含有少量的結(jié)構(gòu)水，這種物態(tài)使煅燒高嶺土中硅鋁化合物具有高分散性和高水化活性.

(2)當(dāng)煅燒高嶺土替代礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，低碳混凝土樣塊的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的相近，其收縮率比為95%；經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率比基準(zhǔn)混凝土減少了0.17%和2.07%.

(3)煅燒高嶺土的納米級顆粒填充效應(yīng)和活化礦物組分是改善低碳混凝土性能的主要因素.