偏高岭土改善混凝土体积稳定性的实验研究

童振威，罗思京

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉430023)

高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、优良的电绝缘性能、良好的可塑性和高的粘结性;具有良好的抗酸溶性、较好的耐火性、很低的阳离子交换量等理化性质。因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料，被誉为“白金之土”［1］。

混凝土由于使用时产生的收缩会发生裂缝，而裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀，进而影响了建筑的外观、使用寿命，此外，裂缝又会影响混凝土的抗渗性。从近代科学研究和大量的混凝土工程实践中可以发现，在混凝土的硬化过程中，产生适度膨胀可以减少甚至消除混凝土干缩和冷缩裂缝。本文主要研究高岭土的最佳煅烧活化工艺，充分利用高岭土中富含活性氧化铝的特点，通过高岭土复掺石膏配制生成钙矾石膨胀源，进而制备具有改善混凝土体积稳定性的高活性矿物掺合料。研究结果表明，以偏高岭土配制的砂浆有水中膨胀大和任何时间强度都比空白样高的两大显著特点，并且在干燥环境以及温差大的情况下，它还具有干缩小抗冻性能好的特点，从而降低了混凝土开裂的危险，增加了建筑的使用寿命［2］。

1 实验概况

1.1 实验材料

水泥：华新42.5级普通硅酸盐水泥;偏高岭土：茂名高岭土煅烧而成;膨胀剂：高性能膨胀剂HCSC、普通膨胀剂UEA;水：自来水;化学药品：硫酸钙(市售)。

1.2 实验仪器

XQM-4行星球磨机;箱式电阻炉，电压380 V，功率12 kW;DKZ-5000型电动抗折试验机;JJ.5型水泥胶砂搅拌机;JES-2000A型压力试验机;40 mm×40 mm×160 mm试模;40 mm×40 mm×280 mm试模，振动台;电子天平等。

2 实验方法

2.1 偏高岭土的制备

高岭土是一种结合牢固的层状结构物，主要成分为SiO2和Al2O3，高岭土在煅烧过程中会逐步失去水分，当温度高于500℃时就会脱去部分氢氧根离子，高岭土的层状结构因脱水会破坏形成结晶度很差的过渡相——偏高岭土。因此偏高岭土的制备主要将高岭土磨碎后放置于电阻炉中煅烧。

2.2 偏高岭土煅烧方式对砂浆强度的影响

按照水泥胶砂强度检验方法的要求，配制试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试块，灰砂比为1∶2.5，水胶比为 0.6，并采用内掺 10% 偏高岭土的方法等质量替换水泥，探究煅烧温度、保温时间和升降温方式对偏高岭土砂浆强度的影响，并测量其3 d、7 d、28 d的偏高岭土砂浆的抗折和抗压强度，采用混合正交实验方法，其实验方案如表1所示。

表1 偏高岭土实验设计表

2.3 偏高岭土砂浆体积稳定性实验

国内外专家证明水泥胶砂与混凝土的干缩性有关，所以本实验利用水泥胶砂的干缩实验来研究混凝土的干缩性能。

按照水泥胶砂强度检验方法的要求，配制试件尺寸为40 mm×40 mm×280 mm的试块，然后将试块置于温度为25℃，相对湿度大于80%的条件下养护，18 h后拆去模板，且拆去模板后立刻测定初始长度并置于25℃的水中养护，成型7 d之后，将干缩实验的试件取出放置于温度为25℃，相对湿度为60%左右的环境中，并且分别测定其1 d，3 d，5 d，7 d，14 d，21 d，28 d 的长度。

该试件的膨胀率由以下公式计算：

式中：lt代表试件在t天的长度;

l0代表试件的基准长度;

ld代表埋钉的长度。

水泥胶砂实验的配比实验方案如表2所示。

表2 单掺偏高岭土试件实验配比/g

表3 复掺偏高岭土和硫酸钙试件实验配比 /g

3 实验结果及分析

3.1 偏高岭土砂浆的抗压抗折强度实验结果

从表4可以看出，掺偏高岭土能提高胶砂的抗折和抗压强度，且与煅烧方式和煅烧因素有关，掺加X5偏高岭土的砂浆3 d、7 d、28 d的抗压强度最高，掺入偏高岭土砂浆的抗折强度普遍高于不掺偏高岭土砂浆的强度，其中3 d抗压强度高于空白样的是X3、X5、X7，7d抗压强度除了X4和 X8都高于空白样;除了X3和X8，28 d的抗压强度稍低于空白样;经过统计，3 d，7 d，28 d的抗压强度较空白样的平均增长率分别为8%、16%和7%左右，产生这一结果的原因是由于高岭土经过一定时间的煅烧后产生的活性SiO2等物质与水泥水化产物Ca(OH)2发生化学反应，从而提高了砂浆的早期强度，且7 d时得到充分反应，强度提高最明显，而水化后期偏高岭土中活性成分偏少，从而28 d的强度增加较少;而某些煅烧的高岭土晶体结构破坏程度较小，活性成分含量较低，导致砂浆强度降低［3］。

表4 掺偏高岭土砂浆强度

3.2 单掺偏高岭土、复掺偏高岭土和硫酸钙的砂浆体积稳定性实验结果

通过养护实验和测量，可以得到单掺偏高岭土、复掺偏高岭土和硫酸钙砂浆干缩实验结果，如图1所示。

图1 单掺偏高岭土砂浆试件干缩曲线图

从图1中可以看出，不同掺量偏高岭土砂浆试件的膨胀变化有明显差异，偏高岭土对砂浆的收缩性有较好的改善作用。在实验前7 d有水养护中，单掺偏高岭土与不掺高岭土的砂浆试件中产生膨胀几乎一致。养护到7 d从水中取出以后可发现，在60 d的收缩率中，空白样为0.05%，5%掺量的砂浆试件仅为0.04%，并且伴随着掺量的增加，砂浆试件的收缩率在不断下降，当偏高岭土的掺量达到实验最高值20%时，砂浆试件在60 d的收缩率下降到了0.02%，较空白样改善了60%左右，这主要是由于部分偏高岭土被水泥取代后，用于水化的水泥量减少了，相应的因为水化产生的绝对体积的减少量也降低了，整个体系的孔隙率的降低促进了偏高岭土对砂浆干缩的改善［4-6］。

图2 复掺偏高岭土和硫酸钙砂浆试件干缩实验曲线图

从图2可以看出，所有试件开始的膨胀率均高于单掺偏高岭土砂浆试件，置于干燥环境后，所有试件都有所收缩，其中空白试样的收缩幅度最大，而单掺硫酸钙的试件60 d的收缩值在0.055%左右，根据钙矾石吸水膨胀的特性，在置于干燥环境下吸水饱和的钙矾石会脱水失去膨胀性，转向表现为收缩性，并且其收缩量很大。对掺了偏高岭土的试件进行分析不难发现，掺了偏高岭土的试件的收缩量与偏高岭土掺量成反比，在60 d的收缩率中，10%掺量的偏高岭土的绝对膨胀值仅为-0.01%，20%掺量的偏高岭土的绝对膨胀值仅为-0.005%。引起这一现象的原因主要有两点。第一，偏高岭土对砂浆试件孔结构的改变，抑制了其在干燥环境下的失水速率。第二，抑制了毛细管效应的程度。基于这两点原因，偏高岭土改善了砂浆体积的稳定性。从图2中还可以看出，5%掺量的硫酸钙试件的收缩与空白试件比较接近，这就说明了砂浆的收缩并不是一个固定值，即并不是能产生多少膨胀就能补偿多少收缩，对其体积稳定性的改善不能单纯从膨胀量的角度出发。

4 结束语

通过对以偏高岭土为主要掺合料的砂浆膨胀收缩性能的研究，并与空白实验组以及市场出售的膨胀剂硫酸钙对比，得出的主要结论如下。

(1)偏高岭土是一种具有高活性并对强度有增强作用的掺合料，在干燥条件下养护时，单掺偏高岭土的试件具有抗收缩性能的良好优点，而且会伴随着偏高岭土掺量越多，干缩性就会越来越低;而当偏高岭土和硫酸钙复掺时，前7 d的砂浆试块膨胀速度很快，而且随着偏高岭土掺量的增大而增大，当7 d过后发生倒缩，且随着偏高岭土的掺量增加而收缩率降低［7］。

(2)偏高岭土砂浆试块与市场出售的膨胀剂配制的砂浆试块相比，在早期膨胀和后期干燥收缩方面都比普通膨胀剂砂浆试块好，但比高性能膨胀剂稍差一点，在强度方面，除普通膨胀剂外，其他的均能使强度有所增加，且偏高岭土与硫酸钙复掺时强度增加最大［8］。

［1］ 黄春江，游宝坤.论我国混凝土膨胀剂生产的发展方向［J］.水泥混凝土，2004(2)：29-31.

［2］ 张向军.高性能混凝土的体积稳定性研究［D］.杭州：浙江工业大学，2001.

［3］ 黄战，邢锋，邢媛媛，等.偏高岭土与矿渣复掺对混凝土性能改善的研究［J］.混凝土，2008(4)：33-35.

［4］ 李飞，覃维祖.膨胀剂在高掺量粉煤灰混凝土中作用效果的试验研究［J］.工业建筑，2009，39(5)：89-91.

［5］ 唐明，黄广之.高铝粉煤灰制备混凝土膨胀剂［J］.沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2008，24(2)：256-260.

［6］ 张俊，从刚，杨长辉.偏高岭土对碱矿渣水泥砂浆干缩性能的影响［J］.混凝土，2010(10)：22-26.

［7］ 朱洪波，董容珍，马保国.利用多种工业废渣制备新型水泥混凝土膨胀剂［J］.新型建筑材料，2005(1)：19-20.

［8］ 冷达，张雄，沈中林，等.水泥基灌浆材料主要成分对其新拌及硬化性能的影响［J］.混凝土与水泥制品，2008(5)：12-16.