复掺偏高岭土-矿渣对轻骨料混凝土性能的影响

程书凯，水中和，杨荣辉，王云摇

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉　430070)



复掺偏高岭土-矿渣对轻骨料混凝土性能的影响

程书凯，水中和，杨荣辉，王云摇

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070)

轻骨料混凝土具有收缩较大和渗透性较差的特性，矿物掺合料的加入可以改善轻骨料混凝土的性能。将偏高岭土(MK)和矿渣(S)以低于25%的总掺量复掺到轻骨料混凝土中，研究复掺掺合料及不同掺量对轻骨料混凝土的力学性能、氯离子扩散系数和干燥收缩的影响。利用XRD、TG、SEM等测试方法，对其影响机理进行探讨。结果表明，复掺10wt%偏高岭土与10wt%矿渣对轻骨料混凝土力学性能和抗氯离子渗透性能有显著的改善；复掺10wt%偏高岭土和15wt%偏高岭土能有效降低轻骨料混凝土干燥收缩。偏高岭土复合矿渣能优化水泥浆体的组成与结构，增强骨料与水泥浆体间的结合，降低界面过渡区的钙硅质量比，从而提高轻骨料混凝土各龄期抗压强度的抗渗性能。

轻骨料； 偏高岭土； 氯离子扩散系数； 界面过渡区

1　引　言

随着现代混凝土研究的深入，高强、高性能已经成为混凝土的主要发展方向，抗压强度超过100MPa的超高混凝土的使用已得到推广[1]。普通混凝土的容重和设计结构尺寸较大，性能优异，但混凝土工程会消耗很多自然资源，产生大量温室气体CO2。与普通混凝土相比，轻集料混凝土具有轻质、保温、耐火、隔热、抗震、比强度高等诸多性能优点，被大量应用在高层建筑和桥梁工程[2]。

矿物掺合料的使用，快速推动了高强高性能轻骨料混凝土的发展，其中硅灰、粉煤灰、矿渣应用最为广泛[3-5]。这些矿物掺合料替代水泥添加到混凝土中，使混凝土的诸多性能得到提升，降低自然资源消耗同时减少温室气体排放。但实际工程中存在一些问题，矿物参合料中硅灰较为昂贵，颗粒较细不易分散；粉煤灰的早期活性较低，且掺量较大时会严重影响混凝土的力学性能；矿渣的使用需要通过粉磨工艺提升，在一定程度上增加工程成本。偏高岭土是一种近年来备受关注的矿物掺和料，其具有与硅灰相近的化学活性，组成稳定且价格低于后者。偏高岭土与水泥水化会产生微膨胀效应，可以改善混凝土的体积收缩；矿渣的使用能降低混凝土的成本，并改善混凝土的堆积结构，轻骨料混凝土具有收缩较大和渗透性较差的特点，许多研究探讨了硅灰、粉煤灰和矿渣对轻骨料混凝土的抗压强度与抗渗性能的影响，但是对于偏高岭土复合矿渣体系轻骨料混凝土的研究相对较少。

本文以偏高岭土和矿渣作为矿物掺合料，研究其对轻骨料混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和体积稳定性的影响，并对其强化轻骨料混凝土界面过渡区机理进行分析。

2　实　验

2.1实验原材料

图1　轻骨料的吸水率Fig.1　Water absorption of lightweight aggregate

本试验采用华新水泥股份有限公司生产的P·O42.5水泥，其密度3.13 g/cm3，比表面积339 m2/kg，初凝211 min、终凝294 min。偏高岭土由广东茂名高岭土科技有限公司生产，系高岭土经过750 ℃煅烧制成，比表面积2800 m2/kg。矿渣是武汉钢铁集团公司生产的粒化高炉矿渣，密度2.96 g/cm3，比表面积308.6 m2/kg，化学成分分析得矿渣的质量系数K=1.75，碱性系数M0=0.94。原材料的化学组成如表1。细集料为普通河砂，细度模数2.38，表观密度与堆积密度分别为2604 kg/m3、1534 kg/m3。粗集料选用宜昌汇腾700级碎石型人工页岩陶粒，粒径为5～25 mm连续级配。根据GB/T 7431-2010《轻骨料及其试验方法》，对轻骨料进行了基本物理性能测试，测试结果如表2和图1所示。陶粒的早期吸水率较大，3 d后吸水率大幅降低，侵湿7 d后达到饱和状态。

表1水泥、偏高岭土和矿粉的化学组成

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矿粉33.8215.0238.830.442.347.140.290.570.910.020.73

表2轻集料物理性能

Tab.2Physical Properties of lightweight aggregate

表观密度(kg/m3)堆积密度(kg/m3)筒压强度(MPa)吸水率(%)16006805.06.42

2.2轻骨料混凝土配合比

所用轻骨料混凝土试样水胶比为0.30，偏高岭土按照5%、10%，矿粉按照5%、10 %、15%单掺或复合形式等质量取代基准配合比中的水泥，混凝土配合比见表3。

表3轻骨料混凝土配合比

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

组别水泥MK矿粉水陶粒河砂减水剂密度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试验方法

2.3.1强度测试

根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备100 mm×100 mm×100 mm、φ100 mm×200 mm和100 mm×100 mm×400 mm试样，1 d后拆模，将100 mm×100 mm×100 mm试样置于标准养护室养护，用TYA-2000型电液式压力试验机分别测试其3 d、7 d、28 d强度。φ100 mm×200 mm试样按规定龄期后切割成φ100 mm×50 mm，进行快速氯离子迁移系数法测试。100 mm×100 mm×400 mm试样置于室温20 ℃，相对湿度60%的恒温恒湿环境中进行收缩试验，用立式干缩仪测试其1～90 d的收缩值。

2.3.2物相分析

试样养护28 d后，破碎取不与表面接触水泥石，研磨成粉末，部分放置于D8 X射线衍射仪中测试，额定输出功率3 kW，2θ转动范围5°～75°。部分放置于STA449F3型热重分析仪中测试，测试温度范围为25～1000 ℃，升温速率为10 ℃/min。

2.3.3微观分析

切割不与表面接触的水泥石，利用德国蔡司公司生产的Zeiss Ultra Plus 场发射扫描电子显微镜观察界面过渡区形貌分析。

3　结果与讨论

3.1抗压强度

图2　轻骨料混凝土各龄期抗压强度Fig.2　The compressive strength of lightweight aggregate concrete

从图2可以看出，MK与矿渣对轻骨料混凝土强度改善各不相同，对比试样C、MK5、MK10可以看出，随着MK的掺量增加，轻骨料混凝土的28 d强度逐渐增加，其中单掺10wt%MK轻骨料混凝土强度为45.1 MPa，强度增幅为18.9%；对比试样C、S5、S10可以看出，矿渣对于轻骨料混凝土强度改善并不明显，其中单掺10wt%矿渣轻骨料混凝土强度为38.8 MPa，强度增幅仅为2.4%。复掺MK(5wt%、10wt%)和矿渣(5wt%、10wt%、15wt%)轻骨料混凝土强度呈现先增加后降低的规律，其中试样MK10S10轻骨料混凝土28 d抗压强度达48.6 MPa，相比于对照组、单掺10wt%MK、单掺10wt%矿渣，其强度增幅分别为28.2%、7.8%和25.3%。分析其原因是由于轻骨料具有吸水返水特性，在早期水化过程中，轻集料表面处水灰比较大，掺合料的火山灰效应并不明显，早期强度降低；随着龄期的增加，轻骨料释放一部分水，水泥进一步水化，MK和矿渣开始发生火山灰反应与微填充效应。双掺MK和矿渣对轻骨料混凝土早期强度改善仍十分有限，但7 d后期强度逐渐提高，这与Chen[6]的研究相一致。MK与矿渣的细度不同，复掺之后优化了轻骨料混凝土内部紧密堆积结构，提高界面过渡区的致密度，另一方面MK和矿渣的火山灰效应提高了界面区的密实度。

3.2RCM

轻骨料混凝土抗氯离子渗透性能如图3所示，S10、MK10、MK10S10轻骨料混凝土试样氯离子扩散系数分别为6.42×10-12m2/s、2.72×10-12m2/s和1.39×10-12m2/s，其中复掺10wt%MK和10wt%矿渣轻骨料混凝土抗氯离子渗透系数分别较对比组、单掺10wt%MK和单掺10wt%矿渣组降低了81.6%、48.9%和78.3%。Shi和Duan的研究[7-9]发现，MK可以优化混凝土的孔结构和增加水泥的水化产物，减少了氯离子的渗透通道，提高混凝土的抗氯离子渗透能力，同时提高强度。如图4所示，MK与矿渣改性轻骨料混凝土的抗压强度与抗氯离子渗透性能表现非常好的相关性。在养护期间，MK较先发生火山灰活性，使水化产物的晶粒变小，形成一定数量的尺寸更加细小的空隙，火山灰活性较弱的矿粉填充于空隙中，当矿粉的掺量由5wt%提高到10wt%，体系中剩余的孔隙逐渐被填充，堆积更加密实，而当矿粉掺量变为10wt%时，由于MK的火山灰反应使混凝土体系中孔隙度减少，此时剩余孔隙多于矿粉的体积，不利于整个体系实现最密堆积，从而使得复掺10wt%MK和15wt%矿粉轻骨料混凝土抗渗性能低于复掺10wt%MK和10wt%矿渣轻骨料混凝土，这是复掺MK和矿渣表现出差异的原因。

图3　轻骨料混凝土抗氯离子扩散系数Fig.3　Resistance to chloride ion of lightweight aggregate concrete

图4　抗压强度与氯离子扩散系数的关系Fig.4　Relationship between diffusion coefficient of chloride and compressive strength

3.3干燥收缩

事实上混凝土都会出现干燥收缩，轻骨料混凝土在硬化过程中也会出现干燥收缩，单独的干燥收缩测试不能足够表明混凝土结构的增强或优化，但其能表现收缩的发展，其体积变化如图5。如图5所示，轻骨料混凝土出现干燥收缩是在开始硬化的前50 d。如图5a，单掺MK或矿渣均能减少轻骨料混凝土干燥收缩，试样MK10和S10的混凝土样收缩值较对比组分别减少46.5%和29.5%；如图5b、5c所示，随着复掺MK和矿渣掺量增加，轻骨料混凝土收缩值逐渐降低，且复掺MK和矿渣效果强于单掺MK；从5d可以看出，复掺10wt%MK和15wt%矿渣轻骨料混凝土的干燥收缩率值为4.98×10-4，分别较对照组、单掺10wt%MK和单掺10wt%矿渣组减少了49.0%、5.1%和27.6%，说明复掺MK和矿渣能进一步减少轻骨料混凝土的干燥收缩。分析其原因是MK和矿渣在水泥浆体中能充分促进水泥的水化，增加水化产物AFt和C-S-H凝胶的含量，这些水化产物使硬化的混凝土结构变得更加致密从而更好的抑制应力引起的变形。同时，这两种掺和料能填充混凝土中细小的气孔和有害空隙。Güneyisiet[10]用MK作为填充料来研究其对混凝土的强度、孔结构和干燥收缩的影响，结果显示与对照组相比掺MK组能很好地改善混凝土的孔结构并且显著的减少收缩应力。MK中含有大量活性Al2O3组分，其与水化产物中的碱性物质反应生成AFt，产生微膨胀效应，弥补了混凝土干燥收缩的体积变形，而矿渣中活性Al2O3组分较少，对体积收缩改善不如MK。

图5　轻骨料混凝土干燥收缩Fig.5　Effect of metakaolin and slag on restrained shrinkage of lightweight concrete

3.4XRD和TG

净浆试样养护3 d、28 d的XRD图和3 d、7 d、28 d的TG图如图6、7所示。在图6中可以看出，单掺MK的试样MK5、MK10和复掺MK10S10试样在5～20°时均有钙矾石(Ettringite)、氢氧化钙(Portlandite)、水化铝酸钙(Hydrocalumite)和未水化铁铝酸四钙(C4AF)生成，其反应方程式：

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

图6　不同掺合料净浆样品的XRD图谱(E:Ettringite; Hc:Hydrocalumite; P: Portlandite)Fig.6　XRD patterns of different mineral admixture pastes

对比图6(a)和图6(b)可以看出，随着复掺MK和矿渣掺量的增加，水化产物中水化铝酸钙的峰值增加，氢氧化钙的峰值降低。图7中所示是在不同养护龄期内，不同掺量对水泥水化产物含量的影响。在图7中有三个明显的质量损失阶段：50～200 ℃，400～448 ℃和650～800 ℃。400～448 ℃质量损失主要是氢氧化钙(CH)脱水，质量损失越大，水化产物CH越高。图7(a)是试样养护3 d的热重分析，可以看出其质量损失百分比为C>MK10>MK10S15>MK10S10。在图7(c)中TG曲线在400～448 ℃温度范围内试样MK10、MK10S10、MK10S15和C分别出现0.68%、0.48%、0.61%和1.09%的失重过程。CH失水过程中，l份质量的Ca(OH)2产生0.757份质量的CaO和0.243份质量的H2O。因此试样MK10、MK10S10、MK10S15和C中分别含有2.80%、1.98%、2.51%和4.49%的CH。图7(a)和7(b)中可以看出养护3 d至7 d过程中，CH的含量有所增加，而28 d时CH的含量明显降低，如图7(c)所示。说明MK和矿渣与水泥水化产物CH发生火山灰反应，降低CH含量，火山灰效应主要开始于7 d后，与前面早期抗压强度较低相一致。

图7　不同掺合料净浆样品的TG图Fig.7　TG curves of different mineral admixture pastes

3.5SEM

图8中扫描图像可以看出，养护28 d后，复掺试样MK10S10骨料与水泥浆体无明显的定性排列晶粒，孔数量少，已无可见间隙存在，结构致密度较高。说明MK与矿渣的火山灰活性成分消耗了水泥水化产物CH，促进CSH凝胶形成；骨料后期释放水分加速水泥水化，这两种复合作用极大改善轻骨料混凝土的微观结构。一方面提高轻骨料混凝土的强度；另一方面增强了其抗渗性。图7中试样C的CH含量最高，试样MK10S10的CH含量最少，随着MK、矿渣的掺入，火山灰反应减少CH含量，从而使MK10、MK10S10的CH含量减少，导致界面区的Ca/Si比逐渐降低。说明通过MK与矿渣的叠加作用，大量的CH已经发生反应。

图8　轻骨料混凝土SEM图Fig.8　SEM images of lightweight concrete specimens

4　结　论

通过研究偏高岭土复合矿粉对轻骨料混凝土抗压强度、抗氯离子渗透性能和干燥收缩的影响，得出以下结论：

(1)复掺10wt%偏高岭土和10wt%矿渣轻骨料混凝土强度达48.6 MPa，分别较对比组、单掺10%MK和单掺10%矿渣组提高了28.2%、7.8%和25.3%，氯离子扩散系数为1.39×10-12m2/s分别较对比组、单掺10wt%MK和10wt%矿渣组降低了81.6%、48.9%和78.3%。轻骨料混凝土的抗压强度与抗渗性能具有良好的线性相关性；

(2)轻骨料混凝土具有较大的干燥收缩特性，复掺偏高岭土和矿粉能大幅降低其干燥收缩，其中复掺10%偏高岭土和15%矿粉轻骨料混凝土的干燥收缩率值为4.98×10-4，分别较对比组、单掺10%MK和单掺10%矿渣组减少了49.0%、5.1%和27.6%；

(3)偏高岭土复合矿渣促进水泥水化产物增加，形成C-S-H 和C-A-H凝胶，降低了水化产物中氢氧化钙的含量，对其微观结构分析，偏高岭土和矿粉中的活性成分与水泥水化产物反应，降低界面过渡区的钙硅质量比，优化水泥浆体的组成与结构，使浆体更密实，从而使得轻骨料混凝土的抗压强度与抗渗性能得到提升。

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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

“扬帆计划”引进创新创业团队专项资助(201312C12)；国家科技支撑计划课题(2014BAC01B02)

程书凯(1989-)，男，硕士研究生.主要从事海工混凝土研究.

水中和，教授.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1349-07