復摻偏高嶺土-礦渣對輕骨料混凝土性能的影響

程書凱，水中和，楊榮輝，王云搖

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢　430070)

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復摻偏高嶺土-礦渣對輕骨料混凝土性能的影響

程書凱，水中和，楊榮輝，王云搖

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢430070)

輕骨料混凝土具有收縮較大和滲透性較差的特性，礦物摻合料的加入可以改善輕骨料混凝土的性能。將偏高嶺土(MK)和礦渣(S)以低于25%的總摻量復摻到輕骨料混凝土中，研究復摻摻合料及不同摻量對輕骨料混凝土的力學性能、氯離子擴散系數和干燥收縮的影響。利用XRD、TG、SEM等測試方法，對其影響機理進行探討。結果表明，復摻10wt%偏高嶺土與10wt%礦渣對輕骨料混凝土力學性能和抗氯離子滲透性能有顯著的改善；復摻10wt%偏高嶺土和15wt%偏高嶺土能有效降低輕骨料混凝土干燥收縮。偏高嶺土復合礦渣能優化水泥漿體的組成與結構，增強骨料與水泥漿體間的結合，降低界面過渡區的鈣硅質量比，從而提高輕骨料混凝土各齡期抗壓強度的抗滲性能。

輕骨料； 偏高嶺土； 氯離子擴散系數； 界面過渡區

1　引　言

隨著現代混凝土研究的深入，高強、高性能已經成為混凝土的主要發展方向，抗壓強度超過100MPa的超高混凝土的使用已得到推廣[1]。普通混凝土的容重和設計結構尺寸較大，性能優異，但混凝土工程會消耗很多自然資源，產生大量溫室氣體CO2。與普通混凝土相比，輕集料混凝土具有輕質、保溫、耐火、隔熱、抗震、比強度高等諸多性能優點，被大量應用在高層建筑和橋梁工程[2]。

礦物摻合料的使用，快速推動了高強高性能輕骨料混凝土的發展，其中硅灰、粉煤灰、礦渣應用最為廣泛[3-5]。這些礦物摻合料替代水泥添加到混凝土中，使混凝土的諸多性能得到提升，降低自然資源消耗同時減少溫室氣體排放。但實際工程中存在一些問題，礦物參合料中硅灰較為昂貴，顆粒較細不易分散；粉煤灰的早期活性較低，且摻量較大時會嚴重影響混凝土的力學性能；礦渣的使用需要通過粉磨工藝提升，在一定程度上增加工程成本。偏高嶺土是一種近年來備受關注的礦物摻和料，其具有與硅灰相近的化學活性，組成穩定且價格低于后者。偏高嶺土與水泥水化會產生微膨脹效應，可以改善混凝土的體積收縮；礦渣的使用能降低混凝土的成本，并改善混凝土的堆積結構，輕骨料混凝土具有收縮較大和滲透性較差的特點，許多研究探討了硅灰、粉煤灰和礦渣對輕骨料混凝土的抗壓強度與抗滲性能的影響，但是對于偏高嶺土復合礦渣體系輕骨料混凝土的研究相對較少。

本文以偏高嶺土和礦渣作為礦物摻合料，研究其對輕骨料混凝土的力學性能、抗氯離子滲透性能和體積穩定性的影響，并對其強化輕骨料混凝土界面過渡區機理進行分析。

2　實　驗

2.1實驗原材料

圖1　輕骨料的吸水率Fig.1　Water absorption of lightweight aggregate

本試驗采用華新水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥，其密度3.13 g/cm3，比表面積339 m2/kg，初凝211 min、終凝294 min。偏高嶺土由廣東茂名高嶺土科技有限公司生產，系高嶺土經過750 ℃煅燒制成，比表面積2800 m2/kg。礦渣是武漢鋼鐵集團公司生產的?；郀t礦渣，密度2.96 g/cm3，比表面積308.6 m2/kg，化學成分分析得礦渣的質量系數K=1.75，堿性系數M0=0.94。原材料的化學組成如表1。細集料為普通河砂，細度模數2.38，表觀密度與堆積密度分別為2604 kg/m3、1534 kg/m3。粗集料選用宜昌匯騰700級碎石型人工頁巖陶粒，粒徑為5～25 mm連續級配。根據GB/T 7431-2010《輕骨料及其試驗方法》，對輕骨料進行了基本物理性能測試，測試結果如表2和圖1所示。陶粒的早期吸水率較大，3 d后吸水率大幅降低，侵濕7 d后達到飽和狀態。

表1水泥、偏高嶺土和礦粉的化學組成

Tab.1Chemical composition of Portland cement, metakaolin and slag/wt%

SiO2Al2O3CaOFe2O3SO3MgONa2OK2OTiOP2O5LOI水泥21.505.8659.812.852.062.230.200.67--3.70MK38.6357.370.030.770.150.070.390.490.400.611.04礦粉33.8215.0238.830.442.347.140.290.570.910.020.73

表2輕集料物理性能

Tab.2Physical Properties of lightweight aggregate

表觀密度(kg/m3)堆積密度(kg/m3)筒壓強度(MPa)吸水率(%)16006805.06.42

2.2輕骨料混凝土配合比

所用輕骨料混凝土試樣水膠比為0.30，偏高嶺土按照5%、10%，礦粉按照5%、10 %、15%單摻或復合形式等質量取代基準配合比中的水泥，混凝土配合比見表3。

表3輕骨料混凝土配合比

Tab.3Mix proportions of lightweight concrete/kg·m-3

組別水泥MK礦粉水陶粒河砂減水劑密度C450.0--1356837132.021920MK5427.522.5-1356837132.251860MK10405.045.0-1356837132.701847S5427.5-22.51356837132.251870S10405.0-451356837132.251864MK5S5405.022.522.51356837132.481895MK5S10382.522.545.01356837132.481847MK5S15360.022.567.51356837132.481890MK10S5382.545.022.51356837133.61880MK10S10360.045.045.01356837133.61867MK10S15337.545.067.51356837133.61860

2.3試驗方法

2.3.1強度測試

根據GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制備100 mm×100 mm×100 mm、φ100 mm×200 mm和100 mm×100 mm×400 mm試樣，1 d后拆模，將100 mm×100 mm×100 mm試樣置于標準養護室養護，用TYA-2000型電液式壓力試驗機分別測試其3 d、7 d、28 d強度。φ100 mm×200 mm試樣按規定齡期后切割成φ100 mm×50 mm，進行快速氯離子遷移系數法測試。100 mm×100 mm×400 mm試樣置于室溫20 ℃，相對濕度60%的恒溫恒濕環境中進行收縮試驗，用立式干縮儀測試其1～90 d的收縮值。

2.3.2物相分析

試樣養護28 d后，破碎取不與表面接觸水泥石，研磨成粉末，部分放置于D8 X射線衍射儀中測試，額定輸出功率3 kW，2θ轉動范圍5°～75°。部分放置于STA449F3型熱重分析儀中測試，測試溫度范圍為25～1000 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2.3.3微觀分析

切割不與表面接觸的水泥石，利用德國蔡司公司生產的Zeiss Ultra Plus 場發射掃描電子顯微鏡觀察界面過渡區形貌分析。

3　結果與討論

3.1抗壓強度

圖2　輕骨料混凝土各齡期抗壓強度Fig.2　The compressive strength of lightweight aggregate concrete

從圖2可以看出，MK與礦渣對輕骨料混凝土強度改善各不相同，對比試樣C、MK5、MK10可以看出，隨著MK的摻量增加，輕骨料混凝土的28 d強度逐漸增加，其中單摻10wt%MK輕骨料混凝土強度為45.1 MPa，強度增幅為18.9%；對比試樣C、S5、S10可以看出，礦渣對于輕骨料混凝土強度改善并不明顯，其中單摻10wt%礦渣輕骨料混凝土強度為38.8 MPa，強度增幅僅為2.4%。復摻MK(5wt%、10wt%)和礦渣(5wt%、10wt%、15wt%)輕骨料混凝土強度呈現先增加后降低的規律，其中試樣MK10S10輕骨料混凝土28 d抗壓強度達48.6 MPa，相比于對照組、單摻10wt%MK、單摻10wt%礦渣，其強度增幅分別為28.2%、7.8%和25.3%。分析其原因是由于輕骨料具有吸水返水特性，在早期水化過程中，輕集料表面處水灰比較大，摻合料的火山灰效應并不明顯，早期強度降低；隨著齡期的增加，輕骨料釋放一部分水，水泥進一步水化，MK和礦渣開始發生火山灰反應與微填充效應。雙摻MK和礦渣對輕骨料混凝土早期強度改善仍十分有限，但7 d后期強度逐漸提高，這與Chen[6]的研究相一致。MK與礦渣的細度不同，復摻之后優化了輕骨料混凝土內部緊密堆積結構，提高界面過渡區的致密度，另一方面MK和礦渣的火山灰效應提高了界面區的密實度。

3.2RCM

輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能如圖3所示，S10、MK10、MK10S10輕骨料混凝土試樣氯離子擴散系數分別為6.42×10-12m2/s、2.72×10-12m2/s和1.39×10-12m2/s，其中復摻10wt%MK和10wt%礦渣輕骨料混凝土抗氯離子滲透系數分別較對比組、單摻10wt%MK和單摻10wt%礦渣組降低了81.6%、48.9%和78.3%。Shi和Duan的研究[7-9]發現，MK可以優化混凝土的孔結構和增加水泥的水化產物，減少了氯離子的滲透通道，提高混凝土的抗氯離子滲透能力，同時提高強度。如圖4所示，MK與礦渣改性輕骨料混凝土的抗壓強度與抗氯離子滲透性能表現非常好的相關性。在養護期間，MK較先發生火山灰活性，使水化產物的晶粒變小，形成一定數量的尺寸更加細小的空隙，火山灰活性較弱的礦粉填充于空隙中，當礦粉的摻量由5wt%提高到10wt%，體系中剩余的孔隙逐漸被填充，堆積更加密實，而當礦粉摻量變為10wt%時，由于MK的火山灰反應使混凝土體系中孔隙度減少，此時剩余孔隙多于礦粉的體積，不利于整個體系實現最密堆積，從而使得復摻10wt%MK和15wt%礦粉輕骨料混凝土抗滲性能低于復摻10wt%MK和10wt%礦渣輕骨料混凝土，這是復摻MK和礦渣表現出差異的原因。

圖3　輕骨料混凝土抗氯離子擴散系數Fig.3　Resistance to chloride ion of lightweight aggregate concrete

圖4　抗壓強度與氯離子擴散系數的關系Fig.4　Relationship between diffusion coefficient of chloride and compressive strength

3.3干燥收縮

事實上混凝土都會出現干燥收縮，輕骨料混凝土在硬化過程中也會出現干燥收縮，單獨的干燥收縮測試不能足夠表明混凝土結構的增強或優化，但其能表現收縮的發展，其體積變化如圖5。如圖5所示，輕骨料混凝土出現干燥收縮是在開始硬化的前50 d。如圖5a，單摻MK或礦渣均能減少輕骨料混凝土干燥收縮，試樣MK10和S10的混凝土樣收縮值較對比組分別減少46.5%和29.5%；如圖5b、5c所示，隨著復摻MK和礦渣摻量增加，輕骨料混凝土收縮值逐漸降低，且復摻MK和礦渣效果強于單摻MK；從5d可以看出，復摻10wt%MK和15wt%礦渣輕骨料混凝土的干燥收縮率值為4.98×10-4，分別較對照組、單摻10wt%MK和單摻10wt%礦渣組減少了49.0%、5.1%和27.6%，說明復摻MK和礦渣能進一步減少輕骨料混凝土的干燥收縮。分析其原因是MK和礦渣在水泥漿體中能充分促進水泥的水化，增加水化產物AFt和C-S-H凝膠的含量，這些水化產物使硬化的混凝土結構變得更加致密從而更好的抑制應力引起的變形。同時，這兩種摻和料能填充混凝土中細小的氣孔和有害空隙。Güneyisiet[10]用MK作為填充料來研究其對混凝土的強度、孔結構和干燥收縮的影響，結果顯示與對照組相比摻MK組能很好地改善混凝土的孔結構并且顯著的減少收縮應力。MK中含有大量活性Al2O3組分，其與水化產物中的堿性物質反應生成AFt，產生微膨脹效應，彌補了混凝土干燥收縮的體積變形，而礦渣中活性Al2O3組分較少，對體積收縮改善不如MK。

圖5　輕骨料混凝土干燥收縮Fig.5　Effect of metakaolin and slag on restrained shrinkage of lightweight concrete

3.4XRD和TG

凈漿試樣養護3 d、28 d的XRD圖和3 d、7 d、28 d的TG圖如圖6、7所示。在圖6中可以看出，單摻MK的試樣MK5、MK10和復摻MK10S10試樣在5～20°時均有鈣礬石(Ettringite)、氫氧化鈣(Portlandite)、水化鋁酸鈣(Hydrocalumite)和未水化鐵鋁酸四鈣(C4AF)生成，其反應方程式：

Al2O3·2SiO2+nH2O+6Ca(OH)2→4CaO·Al2O3·mH2O(C-A-H)+2CaO·SiO2·yH2O(C-S-H)

圖6　不同摻合料凈漿樣品的XRD圖譜(E:Ettringite; Hc:Hydrocalumite; P: Portlandite)Fig.6　XRD patterns of different mineral admixture pastes

對比圖6(a)和圖6(b)可以看出，隨著復摻MK和礦渣摻量的增加，水化產物中水化鋁酸鈣的峰值增加，氫氧化鈣的峰值降低。圖7中所示是在不同養護齡期內，不同摻量對水泥水化產物含量的影響。在圖7中有三個明顯的質量損失階段：50～200 ℃，400～448 ℃和650～800 ℃。400～448 ℃質量損失主要是氫氧化鈣(CH)脫水，質量損失越大，水化產物CH越高。圖7(a)是試樣養護3 d的熱重分析，可以看出其質量損失百分比為C>MK10>MK10S15>MK10S10。在圖7(c)中TG曲線在400～448 ℃溫度范圍內試樣MK10、MK10S10、MK10S15和C分別出現0.68%、0.48%、0.61%和1.09%的失重過程。CH失水過程中，l份質量的Ca(OH)2產生0.757份質量的CaO和0.243份質量的H2O。因此試樣MK10、MK10S10、MK10S15和C中分別含有2.80%、1.98%、2.51%和4.49%的CH。圖7(a)和7(b)中可以看出養護3 d至7 d過程中，CH的含量有所增加，而28 d時CH的含量明顯降低，如圖7(c)所示。說明MK和礦渣與水泥水化產物CH發生火山灰反應，降低CH含量，火山灰效應主要開始于7 d后，與前面早期抗壓強度較低相一致。

圖7　不同摻合料凈漿樣品的TG圖Fig.7　TG curves of different mineral admixture pastes

3.5SEM

圖8中掃描圖像可以看出，養護28 d后，復摻試樣MK10S10骨料與水泥漿體無明顯的定性排列晶粒，孔數量少，已無可見間隙存在，結構致密度較高。說明MK與礦渣的火山灰活性成分消耗了水泥水化產物CH，促進CSH凝膠形成；骨料后期釋放水分加速水泥水化，這兩種復合作用極大改善輕骨料混凝土的微觀結構。一方面提高輕骨料混凝土的強度；另一方面增強了其抗滲性。圖7中試樣C的CH含量最高，試樣MK10S10的CH含量最少，隨著MK、礦渣的摻入，火山灰反應減少CH含量，從而使MK10、MK10S10的CH含量減少，導致界面區的Ca/Si比逐漸降低。說明通過MK與礦渣的疊加作用，大量的CH已經發生反應。

圖8　輕骨料混凝土SEM圖Fig.8　SEM images of lightweight concrete specimens

4　結　論

通過研究偏高嶺土復合礦粉對輕骨料混凝土抗壓強度、抗氯離子滲透性能和干燥收縮的影響，得出以下結論：

(1)復摻10wt%偏高嶺土和10wt%礦渣輕骨料混凝土強度達48.6 MPa，分別較對比組、單摻10%MK和單摻10%礦渣組提高了28.2%、7.8%和25.3%，氯離子擴散系數為1.39×10-12m2/s分別較對比組、單摻10wt%MK和10wt%礦渣組降低了81.6%、48.9%和78.3%。輕骨料混凝土的抗壓強度與抗滲性能具有良好的線性相關性；

(2)輕骨料混凝土具有較大的干燥收縮特性，復摻偏高嶺土和礦粉能大幅降低其干燥收縮，其中復摻10%偏高嶺土和15%礦粉輕骨料混凝土的干燥收縮率值為4.98×10-4，分別較對比組、單摻10%MK和單摻10%礦渣組減少了49.0%、5.1%和27.6%；

(3)偏高嶺土復合礦渣促進水泥水化產物增加，形成C-S-H 和C-A-H凝膠，降低了水化產物中氫氧化鈣的含量，對其微觀結構分析，偏高嶺土和礦粉中的活性成分與水泥水化產物反應，降低界面過渡區的鈣硅質量比，優化水泥漿體的組成與結構，使漿體更密實，從而使得輕骨料混凝土的抗壓強度與抗滲性能得到提升。

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Effect of Metakaolin Mixed with Slag on Properties of Lightweight Concrete

CHENGShu-kai,SHUIZhong-he,YANGRong-hui,WANGYun-yao

(State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

With the large shrinkage and poor permeability of lightweight concrete, the addition of mineral admixture can improve the performance of lightweight concrete.The effects of metakaolin(MK) and slag(S) compositemixed on permeability of compressive strength, chloride diffusion coefficient and drying shrinkage of lightweight concrete, where the content of MK and S mixture was below 25% by weight and different admixture have been investigated. XRD, TG analysis and SEM testswere used to study the mechanism. The experimental results show that the compressive strength and permeability resistance to chloride ion of lightweight concrete significantly increase with incorporation of 10% MK and 10% S, the drying shrinkage of lightweight concrete decrease effectively with incorporation of 10% MK and 15% S, respectively. MK and S mixtures improve the compressive strength at 3, 7 and 28 d and reduce the mass Ca to Siratioof interfacial transition zone, which optimize the composition ,structure and enhance the combination between aggregate and cement paste.

lightweight aggregate;metakaolin;chloride diffusion coefficient;interfacial transition zone

“揚帆計劃”引進創新創業團隊專項資助(201312C12)；國家科技支撐計劃課題(2014BAC01B02)

程書凱(1989-)，男，碩士研究生.主要從事海工混凝土研究.

水中和，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1349-07