偏高嶺土對混凝土力學(xué)性能及耐久性的研究

蔣國偉,呂國玉

(1.歌山建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310005;2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,大量的混凝土構(gòu)建物在規(guī)劃和建造之中。數(shù)據(jù)顯示我國混凝土的年使用量達(dá)到驚人的25億m3以上,2015年水泥的年產(chǎn)量也達(dá)到24億t。然而,據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,全世界因生產(chǎn)水泥而向大氣中排放的二氧化碳約占全球的5%～8%,因此減少水泥用量控制二氧化碳排放已經(jīng)成為刻不容緩的研究問題[1]。

偏高嶺土(簡稱MK)是用高嶺土在500 ℃～900 ℃下經(jīng)過煅燒脫水形成的無水硅酸鋁[2]。由于偏高嶺土中含有大量的無定型二氧化硅和氧化鋁,因此,它不但能夠在混凝土中起到填充孔隙的作用，還能與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化[3-5]。這對于減少水泥用量,控制二氧化碳的排放具有重要的意義。目前,各國學(xué)者對偏高嶺土的研究進(jìn)行了大量的報道,然而這些研究都是針對混凝土的力學(xué)性能并且結(jié)論相差較大,沒有系統(tǒng)研究偏高嶺土對混凝土力學(xué)和耐久性的影響。針對上述問題,我們系統(tǒng)研究了偏高嶺土不同摻量對混凝土流動度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗碳化性能和抗凍性的影響,并利用壓汞法探究了偏高嶺土不同摻量對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。通過對偏高嶺土的研究,探討偏高嶺土等質(zhì)量代替水泥在混凝土中的應(yīng)用,不僅能夠減少水泥用量,提高偏高嶺土的有效利用率,達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的效果,為工程實際應(yīng)用提供行之有效的參考；而且還能有效地間接減少二氧化碳的排放,緩解溫室效應(yīng)。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥為P·Ⅱ525級水泥；粗骨料為石灰?guī)r碎石；細(xì)骨料為河砂、中砂,其細(xì)度模數(shù)為2.7。偏高嶺土的比表面積為12 000 m2/kg。水泥與偏高嶺土的主要化學(xué)成分見表1。

1.2 實驗方案

根據(jù)查閱文獻(xiàn)和大量調(diào)研,系統(tǒng)研究了偏高嶺土不同摻量對混凝土力學(xué)和耐久性能的影響。具體的配合比見表2。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

試驗成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm(用于加速碳化試驗和凍融循環(huán)試驗)和100 mm×100 mm×100 mm(用于抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試)的混凝土試塊,將試樣脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

將試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》測試抗壓強(qiáng)度。

1.3.2 加速碳化試驗

將試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》進(jìn)行。

1.3.3 抗凍性試驗

將試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 偏高嶺土對水泥水化放熱量的影響

圖1表示偏高嶺土不同摻量對水泥水化放熱量的影響。從圖1中能夠看出摻加15%偏高嶺土水化總放熱量最大,其在水化初期放熱總量增長速度也最快。這是因為偏高嶺土中含有大量的活性二氧化硅和氧化鋁,能夠呈現(xiàn)熱力學(xué)介穩(wěn)結(jié)構(gòu),因此，能夠與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生二次水化從而促進(jìn)水泥水化速率。從圖1中還能看出摻加5%偏高嶺土和未摻加偏高嶺土水化總放熱量基本一致,但是前者在水化初期總放熱量增長較快；然而，當(dāng)摻加25%偏高嶺土?xí)r,水泥水化放熱總量卻是最小。究其原因有以下兩個方面：一方面是偏高嶺土與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化,增大了放熱速率及放熱總量,這是偏高嶺土的“正效應(yīng)”；另一方面是由于偏高嶺土取代了大量的水泥,導(dǎo)致水泥含量減小,在水泥水化過程中減小總放熱量,這是偏高嶺土的“負(fù)效應(yīng)”。偏高嶺土對水泥水化放熱量的影響由這兩方面原因共同決定。

圖1 偏高嶺土不同摻量對水泥水化放熱量的影響

2.2 偏高嶺土不同摻量對混凝土流動度的影響

為了研究偏高嶺土不同摻量對混凝土流動度的影響,因此測試了偏高嶺土混凝土拌合物的坍落度。在測定坍落度后,能夠看出偏高嶺土混凝土拌合物的粘聚性和保水性均較好。圖2表示不同摻量的偏高嶺土對混凝土流動度的影響。從圖2中能夠看出不摻加偏高嶺土混凝土的流動度為125 mm,隨著偏高嶺土摻量的增加,混凝土的流動度增大,當(dāng)摻加到15%的偏高嶺土?xí)r,混凝土的流動度達(dá)到最大為148 mm,再繼續(xù)增加偏高嶺土的摻量時,混凝土的流動度開始降低,當(dāng)摻加35%偏高嶺土?xí)r,混凝土的流動度降至101 mm。因此,由于偏高嶺土的微集料效應(yīng),摻加不高于15%摻量的偏高嶺土能有效改善混凝土的流動性。綜上所述,摻加偏高嶺土混凝土拌合物的流動度均較好,且摻加15%偏高嶺土的流動度最大。

圖2 偏高嶺土不同摻量對混凝土流動度的影響

2.3 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3表示偏高嶺土的摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從圖3中能夠看出隨著偏高嶺土摻量的增加,偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,且在偏高嶺土摻量為15%時混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,比如在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時,不摻加偏高嶺土、摻加5%偏高嶺土、摻加15%偏高嶺土、摻加25%偏高嶺土和摻加35%偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為44.9,46.2,49.8,43.7,41.2 MPa,可以計算得到摻加15%偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了10.9%,摻加35%偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度降低了8.2%(相比于不摻加偏高嶺土的混凝土)。這是因為偏高嶺土具有微集料效應(yīng)和活性效應(yīng),摻加少量的偏高嶺土不但能夠填充在混凝土孔隙當(dāng)中,而且能夠與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化,生成更多的水化產(chǎn)物,提高混凝土的密實度,從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；然而,當(dāng)摻加較多的偏高嶺土?xí)r,雖然其具有微集料效應(yīng),能夠填充孔隙,但是大量的水泥被偏高嶺土取代,導(dǎo)致生成的水化產(chǎn)物降低,混凝土密實度降低,從而使其抗壓強(qiáng)度降低?？傊?摻加少量的偏高嶺土能夠增加混凝土的抗壓強(qiáng)度,當(dāng)偏高嶺土的摻量大于20%時,混凝土的抗壓強(qiáng)度會有些許降低。

圖3 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖4表示偏高嶺土不同摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響。從圖4中能夠看出摻加15%偏高嶺土混凝土的抗折強(qiáng)度最大,摻加35%偏高嶺土混凝土的抗折強(qiáng)度最小。比如在養(yǎng)護(hù)90 d時,不摻加偏高嶺土、摻加5%偏高嶺土、摻加15%偏高嶺土、摻加25%偏高嶺土和摻加35%偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為7.2,7.4,8.1,6.9,6.6 MPa。

圖4 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

2.5 偏高嶺土不同摻量對混凝土的抗碳化研究

圖5表示偏高嶺土不同摻量對混凝土抗碳化性能的研究。從圖5中能夠看出偏高嶺土混凝土的碳化深度隨著碳化齡期的增加而增大。從圖中還能看出當(dāng)偏高嶺土的摻量為15%時,偏高嶺土混凝土的碳化深度最小,說明摻加15%偏高嶺土的混凝土的抗碳化性能最優(yōu),當(dāng)偏高嶺土的摻量為5%時,偏高嶺土混凝土的抗碳化性能次之,當(dāng)偏高嶺土的摻量為35%時,偏高嶺土混凝土的抗碳化性能最差。比如碳化齡期為28 d時,不摻加偏高嶺土、摻加5%偏高嶺土、摻加15%偏高嶺土、摻加25%偏高嶺土和摻加35%偏高嶺土混凝土的碳化深度分別為4.0,3.5,2.5,5.0,6.5 mm。究其原因,由于摻加15%偏高嶺土的抗壓強(qiáng)度最大,其結(jié)構(gòu)最為密實,導(dǎo)致二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的傳輸通道受阻,降低了二氧化碳的傳輸速率,從而增大了混凝土的抗碳化性能；隨著偏高嶺土摻量的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度降低,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始變得疏松,增大了二氧化碳的傳輸速率,導(dǎo)致混凝土的抗碳化性能開始降低。因此，摻加不高于15%偏高嶺土混凝土均能增大混凝土的抗碳化性能。

圖5 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗碳化性能的影響

2.6 偏高嶺土不同摻量對混凝土的抗凍性研究

為了研究偏高嶺土在西部嚴(yán)酷環(huán)境下能否適用,系統(tǒng)研究了偏高嶺土不同摻量對混凝土抗凍性的影響,見圖6。從圖6中能夠看出在凍融循環(huán)初期,混凝土的質(zhì)量均有所增加,隨著凍融循環(huán)到60次時,混凝土的質(zhì)量開始出現(xiàn)下降趨勢。從圖中還能夠看出摻加35%偏高嶺土混凝土的質(zhì)量變化最快,在凍融循環(huán)300次時,其質(zhì)量損失率已達(dá)1.89%,摻加15%偏高嶺土混凝土的質(zhì)量損失率最小,在凍融循環(huán)300次時其質(zhì)量損失率僅為0.57%。這是因為摻加少量的偏高嶺土能夠增大混凝土的抗壓強(qiáng)度,因此，能夠改善混凝土的抗凍性。

圖6 偏高嶺土不同摻量對混凝土抗凍性的影響

3 偏高嶺土混凝土孔結(jié)構(gòu)的變化

混凝土的力學(xué)性能和耐久性均與其孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān),因此研究偏高嶺土混凝土孔結(jié)構(gòu)的變化能夠從機(jī)理上探究偏高嶺土的不同摻量對混凝土的影響。

采用壓汞法探究了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d后偏高嶺土不同摻量對混凝土的孔結(jié)構(gòu)的影響,見圖7。從圖7中能夠看出不摻加偏高嶺土、摻加5%偏高嶺土、摻加15%偏高嶺土和摻加25%偏高嶺土混凝土的孔隙率分別為8.9%，8.8%，7.2%，11.8%?？梢钥闯鰮郊?5%偏高嶺土混凝土的孔隙率最大,摻加15%偏高嶺土的孔隙率最小。從圖7中還能看出摻加5%偏高嶺土混凝土和摻加15%偏高嶺土混凝土的最可幾孔徑均小于不摻加偏高嶺土混凝土的最可幾孔徑,說明摻加5%和15%偏高嶺土后混凝土的小孔增多；但當(dāng)摻加25%偏高嶺土?xí)r,混凝土的最可幾孔徑增大,說明摻加25%偏高嶺土后混凝土的大孔增多。這也解釋了為什么摻加25%偏高嶺土混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

圖7 偏高嶺土不同摻量對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

4 結(jié) 語

1)摻加15%偏高嶺土能增加水泥水化放熱總量,摻加25%偏高嶺土降低水泥水化放熱總量。

2)摻加不高于15%摻量的偏高嶺土能增大混凝土的流動性。

3)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨著偏高嶺土摻量的增加而增大,當(dāng)摻加15%偏高嶺土?xí)r,混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大,繼續(xù)增加偏高嶺土摻量,混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低。

4)摻加不高于15%摻量的偏高嶺土能增大混凝土的抗碳化性能和抗凍性能。但是摻加35%偏高嶺土?xí)r,混凝土在凍融循環(huán)300次時的質(zhì)量損失率達(dá)到1.89%。

5)摻加不高于15%摻量的偏高嶺土?xí)r,隨著摻量的增加,混凝土的孔隙率和最可幾孔徑均減小。