摻偏高嶺土對砂漿新拌性能及力學(xué)性能研究

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、引言

依托我國國情，伴隨著社會主義初級階段過程中大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國混凝土年產(chǎn)量在25億噸的基礎(chǔ)上，每年仍以7% 左右的速度増長。在生產(chǎn)混凝土的過程中，其最重要的組分之一——水泥是一種非環(huán)境友好型的材料，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計[1]每生產(chǎn)1噸水泥熟料就會向大氣中排放大約0.8～1.2噸的CO2，全世界因水泥生產(chǎn)而向大氣中排放的CO2化約占全球5%～8%的溫室氣體排放量[2,3]。為了保護我們的生產(chǎn)環(huán)境、實現(xiàn)國家和社會的可持續(xù)發(fā)展，減少水泥用量就成為了一個刻不容緩的研究問題。

偏高嶺土[4](Metakaolin，簡稱MK)是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O,簡稱AS2H2)為原料，在合適溫度(500℃～900℃)下經(jīng)鍛燒脫水形成的無水硅酸鉛(Al2O3·2SiO2，AS2)，這種硅酸鋁鹽主要以無定型的形式存在，能與氫氧化鈣反應(yīng)生成具有強度的水化產(chǎn)物。在國內(nèi)外已有的研究中顯示，偏高嶺土作為輔助膠凝材料，因具有優(yōu)異的火山灰活性，能夠顯著提高水泥制品的早期強度，且在后期對強度也有較高的改善作用；相對于硅灰，偏高嶺土有一定的微膨脹作用能夠補償混凝土的早期收縮；此外，偏高嶺土可有效減輕混凝土拌合物的泌水現(xiàn)象，加速水泥的水化進程，提高混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度，從而增強構(gòu)件的抗?jié)B性能、耐久性能。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國高嶺土的資源儲量豐富，排在世界的第五位，己探明的高嶺土儲量在30億噸左右。從礦石的成分上來看，國內(nèi)的高嶺土礦石中Al2O3含量(品位)一般為20%左右，最高可達38%以上。從開采程度上看，地質(zhì)礦產(chǎn)部《我國建材非金屬礦產(chǎn)資源對2010年國民經(jīng)濟建設(shè)保證程度論證報告》指出，1992年至2010年全國高嶺土礦石累計需求量和可采儲量比為1：6.9，至2020年預(yù)計該比值也僅為1：3.7，這表明著我國對高嶺土的開發(fā)和應(yīng)用都還處于起步階段，我國在對高嶺土進行加工應(yīng)用研究和利用高嶺土開發(fā)新材料方面的技術(shù)水平與國外相比差距明顯，如果將偏高嶺土廣泛應(yīng)用于我國建筑行業(yè)，可以為我國減少大量的水泥用量，緩解環(huán)境污染，資源浪費，幫助我國早日實現(xiàn)真正意義上的可持續(xù)發(fā)展。此外，偏高嶺土還可以顯著提高混凝土構(gòu)件的強度等級和耐久性能，提高建筑物和構(gòu)筑物的抗震性能，延長其使用壽命，減少維護經(jīng)費。然而目前為止，我國還沒有在任何大型項目中運用偏高嶺土，這主要是由于國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的缺失和施工經(jīng)驗的不足。綜上所述當(dāng)前我國工程界急需對偏高嶺土有一個全面的認識，加速其應(yīng)用于工程項目中的進程,從而使工程更符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展方針。

二、試驗設(shè)計

(一)試驗原材料

水：采用本地自來水，比重1.00。

水泥：采用中國廣州石井水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。強度等級為42.5，比重為3.11，比表面積為1.55×106m2/m3。

細骨料：采用普通河砂。比重為2.66，細度模數(shù)1.5，質(zhì)量吸水率為1.10%，含水率0.04%，比表面積為2.16×104m2/m3，最大粒徑1.18mm。

偏高嶺土：某企業(yè)提供的偏高嶺土

減水劑：采用巴斯夫有限公司提供的第三代聚羧酸高效減水劑，比重1.03，含固量20%。

(二)配合比設(shè)計

通過結(jié)合參考文獻及試配，確定減水劑的用量及砂漿配合比。本試驗的配合比設(shè)計如下表1所示：

表1 碳纖維水泥砂漿配合比設(shè)計

(三)試驗方案

本研究將分為兩個階段，第一階段新拌性能研究，包括：迷你坍落擴展度試驗、石棒粘附性試驗；第二階段力學(xué)性能研究，軸心抗壓強度試驗，共三個實驗進行：

1.迷你坍落擴展度試驗

將迷你坍落度筒放于水平、光滑的鋼板或者其它硬質(zhì)底板中心之上；把砂漿倒入迷你坍落度筒中，直到迷你坍落度筒被完全填滿，用泥刀刮平頂部砂漿表面。接著輕輕抬起坍落度筒，使砂漿流動和擴展至少3分鐘。待砂漿拌合物流動穩(wěn)定后，利用迷你坍落度筒和鋼尺測量坍落度筒頂面與砂漿最高點之間的高度差，即坍落度值，精確至1 mm。然后測得兩個相互垂直方向的直徑，精確至1 mm，算得兩者的平均值即為擴展度值。注意觀察擴展開的砂漿形狀，如果偏離圓形，測得的兩直徑之差大于5cm，則應(yīng)另取試樣重新進行試驗。觀察最終坍落后的砂漿狀況，如發(fā)現(xiàn)最終擴展后的砂漿邊緣有較多水析出，表示此砂漿拌合物抗離析性不好，應(yīng)測量析出的水環(huán)厚度，精確至1 mm。

2.石棒粘附性試驗

利用電子稱稱得粘附性石棒測量器的重量m4。將砂漿拌合物倒入小桶中，隨后將粘附性石棒測量器插小桶中的砂漿中約8cm，并保持該狀態(tài)1分鐘。然后將粘附性石棒測量器緩慢并穩(wěn)定地從砂漿中拔出來，置于支架上靜止2分鐘。隨后利用電子稱稱得粘附砂漿后的粘附性石棒測量器的重量m5。用石棒粘附量來表示砂漿拌合物的粘附性，其表達式如下：

式中：SRA——石棒粘附量,單位g/cm2，精確到0.01 g/cm2；

d—石棒的直徑，為1.9 cm；

l—石棒插入砂漿拌合物中的深度，為9.0 cm。

3.立方體抗壓強度試驗

待砂漿試件澆筑并養(yǎng)護28天后，對尺寸為70.7mm的砂漿立方體試塊進行抗壓強度試驗，加載裝置采用MATESTC088-01材料壓縮試驗機，試驗采用每秒1MPa的加載速度連續(xù)均勻地加載。將試塊放入70.7mm砂漿抗壓夾具，待夾具上表面與試驗機上壓板接觸后，試驗機開始讀數(shù)，達到預(yù)壓荷載后讀數(shù)自動歸零。試驗正式開始，觀察試驗現(xiàn)象，記錄試件破壞時的荷載值。試件破壞后，加載會自動停止，之后手動保存實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果精確至0.1MPa。

三、試驗結(jié)果與分析

(一)試驗結(jié)果

通過迷你坍落擴展度試驗、石棒粘附性試驗，分別測得并計算出坍落度、擴展度、石棒粘附量，從而判定摻偏高嶺土對砂漿新拌性能的影響；采用立方體抗壓強度試驗測定偏高嶺土砂漿28d的抗壓強度，用以評定其力學(xué)性能；

按照上述試驗方法對各組砂漿分別開展新拌性能及力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 摻偏高嶺土水泥砂漿試驗結(jié)果

說明：X-Y中，X代表水膠比，Y表示偏高嶺土的摻量。

(二)試驗結(jié)果分析

1.摻偏高嶺土對水泥砂漿坍落擴展度的影響

不同水膠比組別砂漿試樣的坍落擴展度隨著偏高嶺土摻量的變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同水膠比時擴展度隨著偏高嶺土摻量的變化

由圖1可得，水膠比越高，擴展度越好；在水膠比不變的情況下，隨著偏高嶺土摻量的增加，砂漿試樣的擴展度整體呈現(xiàn)減小趨勢。當(dāng)水膠比較低時，隨著偏高嶺土摻量的增加，擴展度的降幅均相對較大。例如，在水膠比為0.9，當(dāng)偏高嶺土摻量從0%增加到30%，擴展度從291mm減小至175mm，降幅達39.9%；但在水膠比為1.5時，當(dāng)偏高嶺土的摻量從0%增加到30%，擴展度從394mm減小到388mm，降幅僅為1.5%。

2.摻偏高嶺土對水泥砂漿粘附性的影響

不同組別砂漿試樣的石棒粘附量隨偏高嶺土摻量的變化趨勢如圖2所示。

圖2 不同水膠比時SRA隨著偏高嶺土摻量的變化

從圖2中可看出，水膠比越高，石棒粘附量越低。當(dāng)水膠比為0.9時，隨著偏高嶺土摻量的增加，石棒粘附量的增幅達到117%。而當(dāng)水膠比較高時，隨著偏高嶺土摻量的增加，石棒粘附量波動范圍不超過0.2g/cm2，且呈現(xiàn)下降趨勢。

3.力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

摻偏高嶺土砂漿立方體抗壓強度的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水膠比時強度隨著偏高嶺土摻量的變化

由圖3可得，當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時，28天強度出現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)摻量大于10%時，28天強度出現(xiàn)明顯上升，且上升幅度較大，最大增幅在水膠比1.3，隨著偏高嶺土摻量從0%增加為30%，砂漿試塊強度時增幅為17.3%。

四、結(jié)論

通過迷你坍落擴展度試驗、石棒粘附性試驗，測得并計算出擴展度、石棒粘附量，從而判定摻偏高嶺土對砂漿新拌性能的影響；采用立方體抗壓強度試驗測定偏高嶺土砂漿28天的抗壓強度，用以評定其力學(xué)性能；結(jié)合理論與計算結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)水膠比越高，砂漿的擴展度越大；在水膠比不變的情況下，隨著偏高嶺土摻量的增加，砂漿試樣的擴展度整體呈現(xiàn)減小趨勢。試驗證明，偏高嶺土的摻入，降低了砂漿的靜態(tài)流動性。

(2)水膠比越高，石棒粘附量越低；當(dāng)水膠比為0.9時，隨著偏高嶺土摻量的增加，石棒粘附量的增幅達到了117%。而當(dāng)水膠比較高時，隨著偏高嶺土摻量的增加，石棒粘附量波動范圍不超過0.2g/cm2，且呈現(xiàn)下降趨勢。在低水膠比時，偏高嶺土的摻入，能大幅度提高砂漿的粘附性。整體而言，偏高嶺土的摻入，降低了砂漿的新拌性能。

(3)當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時，28天強度出現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)摻量大于10%時，28天強度出現(xiàn)明顯上升，且上升幅度較大，最大增幅在水膠比1.3，偏高嶺土摻量從0%增加為30%，砂漿試塊立方體抗壓強度增幅為17.3%。數(shù)據(jù)有效說明，當(dāng)偏高嶺土摻量足夠時，在砂漿中摻入偏高嶺土可以有效提高立方體抗壓強度。