偏高嶺土混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能研究

劉驍（天津港航工程有限公司，天津 300456）

偏高嶺土混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能研究

劉驍
（天津港航工程有限公司，天津 300456）

偏高嶺土是一種具有高活性的人工火山灰材料，將偏高嶺土加入水泥混凝土中，可對混凝土的各項性能產生增強影響。本文將偏高嶺土等量替代水泥加入到混凝土后，詳細研究了偏高嶺土混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能。結果表明偏高嶺土一定量替代水泥加入到混凝土后，混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能均得到了顯著的提高。當偏高嶺土的摻量為15%時，其增強效果達到最佳。

偏高嶺土 混凝土 力學性能 抗氯離子滲透性能

【Abstract】Metakaolin，a kind of high activity pozzolanic material，can improve the correspondingly performance of concrete after partly instead of cement in concrete. In this paper，the mechanical and chloride penetration resistance performances of metakaolin concrete were investigated. The results showed that the added metakaolin improved the mechanical and chloride penetration resistance performance. The optimum improving was obtained by metakaolin with 15% proportion.

【Keywords】metakaolin； concrete； mechanical performance； chloride penetration resistance performance

隨著社會的快速發展，人們也越來越重視延長混凝土結構的服務壽命，具有優良性質的高性能混凝土已是現在混凝土發展的必然趨勢。研究學者發現在混凝土中加入偏高嶺土部分替代水泥，能夠有效的改善混凝土的強度、和易性和耐久性。在國外，人們在上世紀八十年代開始了對偏高嶺土在混凝土領域的應用研究，而在我國，偏高嶺土的作用近十年來開始逐漸被人們重視，研究將其作為礦物摻合料摻入混凝土中一度成為熱點［1~2］。

表1　42.5級普通硅酸鹽水泥的參數Tab.1 Parameters of Ordinary Portland cement 42.5

表2　偏高嶺土化學性能Tab.2 Chemical parameters of metakaolin

表3　偏高嶺土混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of metakaolin concrete

表4　偏高嶺土混凝土的力學性能Tab.4 Mechanical properties of metakaolin concrete

表5　偏高嶺土混凝土的電通量測試結果Tab.5 Chloride penetration performance of metakaolin concrete

偏高嶺土（Metakaolin，簡稱MK）是一種高活性的人工火山灰材料，是由高嶺土在適當溫度下（約540-880℃）條件下脫水而得到的鋁硅酸鹽，具有較強的火山灰活性，可與Ca（OH）2等進行反應生成具有強度的水化產物，有超級火山灰之稱［3~4］。國內外多名學者對摻偏高嶺土后水泥漿體和混凝土的微觀結構和性能進行了研究，發現摻入偏高嶺土后，水泥漿體和混凝土的平均孔徑尺寸明顯降低，有害孔明顯減少，顯著提高混凝土性能。錢曉倩［5］的研究表明，偏高嶺土摻量分別為5%、10%時，混凝土的軸拉強度分別比基準混凝土增加30% 和59%，28d抗壓強度分別比基準混凝土提高21%、69%，摻量為10% 和15%時，28d抗彎強度分別比基準提高32%和38%，但摻量為5%時增幅較小，混凝土的拉壓比和彎壓比均隨偏高嶺土摻量增多而下降。Ding等［6］研究了用5%～15%偏高嶺土取代水泥制備的混凝土的自由收縮和限制收縮。取代量為5%、10%、15%時28d自由收縮較基準混凝土分別降低15%、25%和40%。在受限情況下，隨著取代量增加，混凝土穩定裂紋寬度減小，但開始出現裂紋的時間提前。Zhang等［7］的研究也得到了類似結果，從其給出的300次凍融循環后試件膨脹率、脈沖速度和共振頻率變化及耐久性指數可以看出，摻加偏高嶺土后混凝土抗凍性略有提高。Aquino等［8］研究了偏高嶺土和硅粉對用高堿水泥和含5%蛋白石的集料制備的砂漿的堿集料反應膨脹量，結果表明偏高嶺土和硅粉均能降低堿集料反應膨脹量。偏高嶺土和硅粉取代量為10%時，在NaOH溶液中放置21d后砂漿柱試件的膨脹率，分別較基準水泥砂漿試件降低60%和50%。

在本文中，偏高嶺土以不同摻量代替水泥分別加入到混凝土中制備偏高嶺土混凝土，并對偏高嶺土混凝土的力學性能和抗氯離子滲透性能進行了細致的分析和探討。

1　試驗

1.1原材料

天然粗集料（連續級配，最大粗骨料25mm）和天然細集料（細度模數為2.8）均由天津當地的礦山提供；水泥采用北京金隅有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，其參數如表1所示； 減水劑采用天津君沙建材有限公司提供的聚羧酸高效減水劑，其固含量為30%，減水率為25%；偏高嶺土購自河北輝和礦產公司，其化學成分如表2所示。

1.2試件成型和測試

將稱量好的偏高嶺土，水泥，天然細集料和天然粗集料一同加入到混凝土攪拌機中攪拌，期間加入水和減水劑的混合物，總共攪拌4分鐘。攪拌后立即將混凝土拌合物加入到試模中成型養護，直至齡期進行測試。配合比設計如表3所示。依據國標GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對偏高嶺土混凝土進行力學測試和抗氯離子滲透試驗。

2　試驗結果

2.1力學性能

偏高嶺土混凝土在28天齡期的抗折強度和抗壓強度如表4所示。偏高嶺土混凝土的抗折強度和抗壓強度均有了顯著的提高。表明偏高嶺土對混凝土的強度有顯著的增強效果。隨著偏高嶺土的摻量不斷增加，混凝土的相關力學性能也逐漸提高。當偏高嶺土的摻量達到15%時，其抗折強度和抗壓強度分別達到最大值，分別為12.7MPa和66.5MPa。與空白混凝土試件相比，其抗折強度和抗壓強度分別提高了22.1%和24.5%［9］。

2.2抗氯離子滲透性能

依據國標GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對偏高嶺土混凝土進行抗氯離子滲透試驗。在本次測試中采用電通量法進行測試。在測試之前對偏高嶺土混凝土試件進行飽水處理。飽水24小時后取出試件，將試件安裝在試驗測試裝置中。將配置好的質量濃度為3.0%的NaCl溶液和摩爾濃度為0.3mol/L的NaOH溶液分別注入到試件兩側的試驗槽中，注入NaCl溶液的試驗槽內的銅網應連接電源負極，注入NaOH溶液的試驗槽內的銅網應連接電源正極。連接電源線后，施加60V的直流恒電壓，記錄電流值直至通電6小時。試驗結束后繪制電流與時間的關系圖，通過將個點數據以光滑曲線連接起來，對曲線作面積幾份，得到試驗6小時的電通量（C）。偏高嶺土混凝土試件的電通量值如表5所示。由表5所知，空白混凝土的電通量為2140C。隨著偏高嶺土加入到混凝土中，偏高嶺土混凝土的電通量值有了顯著降低。隨著偏高嶺土摻量的不斷增加，偏高嶺土混凝土的電通量不斷降低。當偏高嶺土摻量為15%時，其電通量測試值達到最低，表明此時偏高嶺土混凝土的抗氯離子滲透性能達到最佳［10］。

3　結語

在本文中，偏高嶺土以不同摻量（0，5%，10%，15%和20%）分別等量替代水泥加入到混凝土中，制備成偏高嶺土混凝土，養護28天后對偏高嶺土混凝土進行力學性能和抗氯離子滲透性能的測試研究。

（1）在力學測試過程中，偏高嶺土混凝土28天的抗折強度和抗壓強度均有了顯著的提高。表明偏高嶺土對混凝土的強度有顯著的增強效果。隨著偏高嶺土的摻量不斷增加，混凝土的相關力學性能也逐漸提高。當偏高嶺土的摻量達到15%時，其抗折強度和抗壓強度分別達到最大值，分別為12.7MPa和66.5MPa。

（2）與空白混凝土試件相比，偏高嶺土混凝土的電通量值有了顯著降低。隨著偏高嶺土摻量的不斷增加，偏高嶺土混凝土的電通量不斷降低。當偏高嶺土摻量為15%時，其電通量測試值達到最低，表明此時偏高嶺土混凝土的抗氯離子滲透性能達到最佳。

［1］曹征良，李偉文，陳玉倫.偏高嶺土在混凝土中的應用［J］.深圳大學學報（理工版），2004（2）：183～186.

［2］尤振根.國內外高嶺土資源和市場現狀及展望［J］.非金屬礦，2005，28（Suppl.）： 2～3.

［3］Khatib J.M.，Wild S. Sulphate resistance of metakaolin motar ［J］.Cem.Conr.Res.，1998，28（1）： 83～92.

［4］陸秋艷.偏高嶺土在我國的開發和使用前景［J］.礦業快報，2004 （7）：7～9.

［5］錢曉倩，詹樹林，李宗津.摻偏高嶺土的高性能混凝土物理力學性能研究［J］.建筑材料學報，2001，4（1）：75～78.

［6］Ding J.T.，Li Z.J. Effect of metakaolin and silica fume on the properties of concrete［J］. ACI Mater. J.，2002，99（4）： 393～398.

［7］Zhang M.H.，Malhotra V.M. Characteristic of a thermally activated alumino-silicate pozzolanic material and its use in concrete［J］. Cem. Concr. Res.，1995，25（8）： 1713～1725.

［8］Aquino W.，Lange D.A.，Jolek E. The influence of metakaolin and silica fume on the chemistry of alkali-silica reaction products［J］.Cem. Concr. Comput.，2001，23（6）： 485～493.

［9］陳益蘭，趙亞妮，雷春燕.摻偏高嶺土的高性能混凝土研究［J］.新型建筑材料，2003（11）： 41～42.

［10］蔣林華，李娟.混凝土抗氯離子滲透性試驗方法比較研究［J］.河海大學學報（自然科學版），2004（1）：55～58.

劉驍（1981—），男，天津港航工程有限公司，工程師。