偏高岭土对混凝土力学性能及耐久性的研究

蒋国伟,吕国玉

(1.歌山建设集团有限公司,浙江 杭州 310005;2.浙江建设职业技术学院,浙江 杭州 311231)

随着我国城市化进程的快速发展,大量的混凝土构建物在规划和建造之中。数据显示我国混凝土的年使用量达到惊人的25亿m3以上,2015年水泥的年产量也达到24亿t。然而,据有关数据统计,全世界因生产水泥而向大气中排放的二氧化碳约占全球的5%～8%,因此减少水泥用量控制二氧化碳排放已经成为刻不容缓的研究问题[1]。

偏高岭土(简称MK)是用高岭土在500 ℃～900 ℃下经过煅烧脱水形成的无水硅酸铝[2]。由于偏高岭土中含有大量的无定型二氧化硅和氧化铝,因此,它不但能够在混凝土中起到填充孔隙的作用，还能与混凝土中的水化产物发生二次水化[3-5]。这对于减少水泥用量,控制二氧化碳的排放具有重要的意义。目前,各国学者对偏高岭土的研究进行了大量的报道,然而这些研究都是针对混凝土的力学性能并且结论相差较大,没有系统研究偏高岭土对混凝土力学和耐久性的影响。针对上述问题,我们系统研究了偏高岭土不同掺量对混凝土流动度、抗压强度、抗折强度、抗碳化性能和抗冻性的影响,并利用压汞法探究了偏高岭土不同掺量对混凝土孔结构的影响。通过对偏高岭土的研究,探讨偏高岭土等质量代替水泥在混凝土中的应用,不仅能够减少水泥用量,提高偏高岭土的有效利用率,达到节约经济成本的效果,为工程实际应用提供行之有效的参考；而且还能有效地间接减少二氧化碳的排放,缓解温室效应。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥为P·Ⅱ525级水泥；粗骨料为石灰岩碎石；细骨料为河砂、中砂,其细度模数为2.7。偏高岭土的比表面积为12 000 m2/kg。水泥与偏高岭土的主要化学成分见表1。

1.2 实验方案

根据查阅文献和大量调研,系统研究了偏高岭土不同掺量对混凝土力学和耐久性能的影响。具体的配合比见表2。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

试验成型尺寸为100 mm×100 mm×400 mm(用于加速碳化试验和冻融循环试验)和100 mm×100 mm×100 mm(用于抗压强度和抗折强度测试)的混凝土试块,将试样脱模后放入标准养护室养护。

1.3 试验方法

1.3.1 抗压强度

将试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土按《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》测试抗压强度。

1.3.2 加速碳化试验

将试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的混凝土按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》进行。

1.3.3 抗冻性试验

将试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的混凝土按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》进行。

2 结果与讨论

2.1 偏高岭土对水泥水化放热量的影响

图1表示偏高岭土不同掺量对水泥水化放热量的影响。从图1中能够看出掺加15%偏高岭土水化总放热量最大,其在水化初期放热总量增长速度也最快。这是因为偏高岭土中含有大量的活性二氧化硅和氧化铝,能够呈现热力学介稳结构,因此，能够与水泥水化生成的氢氧化钙发生二次水化从而促进水泥水化速率。从图1中还能看出掺加5%偏高岭土和未掺加偏高岭土水化总放热量基本一致,但是前者在水化初期总放热量增长较快；然而，当掺加25%偏高岭土时,水泥水化放热总量却是最小。究其原因有以下两个方面：一方面是偏高岭土与水泥水化产物发生二次水化,增大了放热速率及放热总量,这是偏高岭土的“正效应”；另一方面是由于偏高岭土取代了大量的水泥,导致水泥含量减小,在水泥水化过程中减小总放热量,这是偏高岭土的“负效应”。偏高岭土对水泥水化放热量的影响由这两方面原因共同决定。

图1 偏高岭土不同掺量对水泥水化放热量的影响

2.2 偏高岭土不同掺量对混凝土流动度的影响

为了研究偏高岭土不同掺量对混凝土流动度的影响,因此测试了偏高岭土混凝土拌合物的坍落度。在测定坍落度后,能够看出偏高岭土混凝土拌合物的粘聚性和保水性均较好。图2表示不同掺量的偏高岭土对混凝土流动度的影响。从图2中能够看出不掺加偏高岭土混凝土的流动度为125 mm,随着偏高岭土掺量的增加,混凝土的流动度增大,当掺加到15%的偏高岭土时,混凝土的流动度达到最大为148 mm,再继续增加偏高岭土的掺量时,混凝土的流动度开始降低,当掺加35%偏高岭土时,混凝土的流动度降至101 mm。因此,由于偏高岭土的微集料效应,掺加不高于15%掺量的偏高岭土能有效改善混凝土的流动性。综上所述,掺加偏高岭土混凝土拌合物的流动度均较好,且掺加15%偏高岭土的流动度最大。

图2 偏高岭土不同掺量对混凝土流动度的影响

2.3 偏高岭土不同掺量对混凝土抗压强度的影响

图3表示偏高岭土的掺量对混凝土抗压强度的影响。从图3中能够看出随着偏高岭土掺量的增加,偏高岭土混凝土的抗压强度呈现先增加后降低的趋势,且在偏高岭土掺量为15%时混凝土的抗压强度达到最大,比如在养护龄期为28 d时,不掺加偏高岭土、掺加5%偏高岭土、掺加15%偏高岭土、掺加25%偏高岭土和掺加35%偏高岭土混凝土的抗压强度分别为44.9,46.2,49.8,43.7,41.2 MPa,可以计算得到掺加15%偏高岭土混凝土的抗压强度提高了10.9%,掺加35%偏高岭土混凝土的抗压强度降低了8.2%(相比于不掺加偏高岭土的混凝土)。这是因为偏高岭土具有微集料效应和活性效应,掺加少量的偏高岭土不但能够填充在混凝土孔隙当中,而且能够与水泥的水化产物发生二次水化,生成更多的水化产物,提高混凝土的密实度,从而提高混凝土的抗压强度；然而,当掺加较多的偏高岭土时,虽然其具有微集料效应,能够填充孔隙,但是大量的水泥被偏高岭土取代,导致生成的水化产物降低,混凝土密实度降低,从而使其抗压强度降低。总之,掺加少量的偏高岭土能够增加混凝土的抗压强度,当偏高岭土的掺量大于20%时,混凝土的抗压强度会有些许降低。

图3 偏高岭土不同掺量对混凝土抗压强度的影响

2.4 偏高岭土不同掺量对混凝土抗折强度的影响

图4表示偏高岭土不同掺量对混凝土抗折强度的影响。从图4中能够看出掺加15%偏高岭土混凝土的抗折强度最大,掺加35%偏高岭土混凝土的抗折强度最小。比如在养护90 d时,不掺加偏高岭土、掺加5%偏高岭土、掺加15%偏高岭土、掺加25%偏高岭土和掺加35%偏高岭土混凝土的抗压强度分别为7.2,7.4,8.1,6.9,6.6 MPa。

图4 偏高岭土不同掺量对混凝土抗折强度的影响

2.5 偏高岭土不同掺量对混凝土的抗碳化研究

图5表示偏高岭土不同掺量对混凝土抗碳化性能的研究。从图5中能够看出偏高岭土混凝土的碳化深度随着碳化龄期的增加而增大。从图中还能看出当偏高岭土的掺量为15%时,偏高岭土混凝土的碳化深度最小,说明掺加15%偏高岭土的混凝土的抗碳化性能最优,当偏高岭土的掺量为5%时,偏高岭土混凝土的抗碳化性能次之,当偏高岭土的掺量为35%时,偏高岭土混凝土的抗碳化性能最差。比如碳化龄期为28 d时,不掺加偏高岭土、掺加5%偏高岭土、掺加15%偏高岭土、掺加25%偏高岭土和掺加35%偏高岭土混凝土的碳化深度分别为4.0,3.5,2.5,5.0,6.5 mm。究其原因,由于掺加15%偏高岭土的抗压强度最大,其结构最为密实,导致二氧化碳进入混凝土内部的传输通道受阻,降低了二氧化碳的传输速率,从而增大了混凝土的抗碳化性能；随着偏高岭土掺量的增加,混凝土抗压强度降低,其内部结构开始变得疏松,增大了二氧化碳的传输速率,导致混凝土的抗碳化性能开始降低。因此，掺加不高于15%偏高岭土混凝土均能增大混凝土的抗碳化性能。

图5 偏高岭土不同掺量对混凝土抗碳化性能的影响

2.6 偏高岭土不同掺量对混凝土的抗冻性研究

为了研究偏高岭土在西部严酷环境下能否适用,系统研究了偏高岭土不同掺量对混凝土抗冻性的影响,见图6。从图6中能够看出在冻融循环初期,混凝土的质量均有所增加,随着冻融循环到60次时,混凝土的质量开始出现下降趋势。从图中还能够看出掺加35%偏高岭土混凝土的质量变化最快,在冻融循环300次时,其质量损失率已达1.89%,掺加15%偏高岭土混凝土的质量损失率最小,在冻融循环300次时其质量损失率仅为0.57%。这是因为掺加少量的偏高岭土能够增大混凝土的抗压强度,因此，能够改善混凝土的抗冻性。

图6 偏高岭土不同掺量对混凝土抗冻性的影响

3 偏高岭土混凝土孔结构的变化

混凝土的力学性能和耐久性均与其孔结构密切相关,因此研究偏高岭土混凝土孔结构的变化能够从机理上探究偏高岭土的不同掺量对混凝土的影响。

采用压汞法探究了标准养护60 d后偏高岭土不同掺量对混凝土的孔结构的影响,见图7。从图7中能够看出不掺加偏高岭土、掺加5%偏高岭土、掺加15%偏高岭土和掺加25%偏高岭土混凝土的孔隙率分别为8.9%，8.8%，7.2%，11.8%。可以看出掺加25%偏高岭土混凝土的孔隙率最大,掺加15%偏高岭土的孔隙率最小。从图7中还能看出掺加5%偏高岭土混凝土和掺加15%偏高岭土混凝土的最可几孔径均小于不掺加偏高岭土混凝土的最可几孔径,说明掺加5%和15%偏高岭土后混凝土的小孔增多；但当掺加25%偏高岭土时,混凝土的最可几孔径增大,说明掺加25%偏高岭土后混凝土的大孔增多。这也解释了为什么掺加25%偏高岭土混凝土的抗压强度降低。

图7 偏高岭土不同掺量对混凝土孔结构的影响

4 结 语

1)掺加15%偏高岭土能增加水泥水化放热总量,掺加25%偏高岭土降低水泥水化放热总量。

2)掺加不高于15%掺量的偏高岭土能增大混凝土的流动性。

3)混凝土的抗压强度和抗折强度随着偏高岭土掺量的增加而增大,当掺加15%偏高岭土时,混凝土的抗压强度和抗折强度达到最大,继续增加偏高岭土掺量,混凝土的抗压强度和抗折强度降低。

4)掺加不高于15%掺量的偏高岭土能增大混凝土的抗碳化性能和抗冻性能。但是掺加35%偏高岭土时,混凝土在冻融循环300次时的质量损失率达到1.89%。

5)掺加不高于15%掺量的偏高岭土时,随着掺量的增加,混凝土的孔隙率和最可几孔径均减小。