掺偏高岭土对砂浆新拌性能及力学性能研究

(广东工业大学土木与交通工程学院 广东 广州 510006)

一、引言

依托我国国情，伴随着社会主义初级阶段过程中大量的基础设施建设，我国混凝土年产量在25亿吨的基础上，每年仍以7% 左右的速度増长。在生产混凝土的过程中，其最重要的组分之一——水泥是一种非环境友好型的材料，据有关统计[1]每生产1吨水泥熟料就会向大气中排放大约0.8～1.2吨的CO2，全世界因水泥生产而向大气中排放的CO2化约占全球5%～8%的温室气体排放量[2,3]。为了保护我们的生产环境、实现国家和社会的可持续发展，减少水泥用量就成为了一个刻不容缓的研究问题。

偏高岭土[4](Metakaolin，简称MK)是以高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O,简称AS2H2)为原料，在合适温度(500℃～900℃)下经锻烧脱水形成的无水硅酸铅(Al2O3·2SiO2，AS2)，这种硅酸铝盐主要以无定型的形式存在，能与氢氧化钙反应生成具有强度的水化产物。在国内外已有的研究中显示，偏高岭土作为辅助胶凝材料，因具有优异的火山灰活性，能够显著提高水泥制品的早期强度，且在后期对强度也有较高的改善作用；相对于硅灰，偏高岭土有一定的微膨胀作用能够补偿混凝土的早期收缩；此外，偏高岭土可有效减轻混凝土拌合物的泌水现象，加速水泥的水化进程，提高混凝土内部结构的密实度，从而增强构件的抗渗性能、耐久性能。

根据有关数据统计，我国高岭土的资源储量丰富，排在世界的第五位，己探明的高岭土储量在30亿吨左右。从矿石的成分上来看，国内的高岭土矿石中Al2O3含量(品位)一般为20%左右，最高可达38%以上。从开采程度上看，地质矿产部《我国建材非金属矿产资源对2010年国民经济建设保证程度论证报告》指出，1992年至2010年全国高岭土矿石累计需求量和可采储量比为1：6.9，至2020年预计该比值也仅为1：3.7，这表明着我国对高岭土的开发和应用都还处于起步阶段，我国在对高岭土进行加工应用研究和利用高岭土开发新材料方面的技术水平与国外相比差距明显，如果将偏高岭土广泛应用于我国建筑行业，可以为我国减少大量的水泥用量，缓解环境污染，资源浪费，帮助我国早日实现真正意义上的可持续发展。此外，偏高岭土还可以显著提高混凝土构件的强度等级和耐久性能，提高建筑物和构筑物的抗震性能，延长其使用寿命，减少维护经费。然而目前为止，我国还没有在任何大型项目中运用偏高岭土，这主要是由于国内相关规范的缺失和施工经验的不足。综上所述当前我国工程界急需对偏高岭土有一个全面的认识，加速其应用于工程项目中的进程,从而使工程更符合绿色环保、可持续发展的发展方针。

二、试验设计

(一)试验原材料

水：采用本地自来水，比重1.00。

水泥：采用中国广州石井水泥公司生产的普通硅酸盐水泥。强度等级为42.5，比重为3.11，比表面积为1.55×106m2/m3。

细骨料：采用普通河砂。比重为2.66，细度模数1.5，质量吸水率为1.10%，含水率0.04%，比表面积为2.16×104m2/m3，最大粒径1.18mm。

偏高岭土：某企业提供的偏高岭土

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

(二)配合比设计

通过结合参考文献及试配，确定减水剂的用量及砂浆配合比。本试验的配合比设计如下表1所示：

表1 碳纤维水泥砂浆配合比设计

(三)试验方案

本研究将分为两个阶段，第一阶段新拌性能研究，包括：迷你坍落扩展度试验、石棒粘附性试验；第二阶段力学性能研究，轴心抗压强度试验，共三个实验进行：

1.迷你坍落扩展度试验

将迷你坍落度筒放于水平、光滑的钢板或者其它硬质底板中心之上；把砂浆倒入迷你坍落度筒中，直到迷你坍落度筒被完全填满，用泥刀刮平顶部砂浆表面。接着轻轻抬起坍落度筒，使砂浆流动和扩展至少3分钟。待砂浆拌合物流动稳定后，利用迷你坍落度筒和钢尺测量坍落度筒顶面与砂浆最高点之间的高度差，即坍落度值，精确至1 mm。然后测得两个相互垂直方向的直径，精确至1 mm，算得两者的平均值即为扩展度值。注意观察扩展开的砂浆形状，如果偏离圆形，测得的两直径之差大于5cm，则应另取试样重新进行试验。观察最终坍落后的砂浆状况，如发现最终扩展后的砂浆边缘有较多水析出，表示此砂浆拌合物抗离析性不好，应测量析出的水环厚度，精确至1 mm。

2.石棒粘附性试验

利用电子称称得粘附性石棒测量器的重量m4。将砂浆拌合物倒入小桶中，随后将粘附性石棒测量器插小桶中的砂浆中约8cm，并保持该状态1分钟。然后将粘附性石棒测量器缓慢并稳定地从砂浆中拔出来，置于支架上静止2分钟。随后利用电子称称得粘附砂浆后的粘附性石棒测量器的重量m5。用石棒粘附量来表示砂浆拌合物的粘附性，其表达式如下：

式中：SRA——石棒粘附量,单位g/cm2，精确到0.01 g/cm2；

d—石棒的直径，为1.9 cm；

l—石棒插入砂浆拌合物中的深度，为9.0 cm。

3.立方体抗压强度试验

待砂浆试件浇筑并养护28天后，对尺寸为70.7mm的砂浆立方体试块进行抗压强度试验，加载装置采用MATESTC088-01材料压缩试验机，试验采用每秒1MPa的加载速度连续均匀地加载。将试块放入70.7mm砂浆抗压夹具，待夹具上表面与试验机上压板接触后，试验机开始读数，达到预压荷载后读数自动归零。试验正式开始，观察试验现象，记录试件破坏时的荷载值。试件破坏后，加载会自动停止，之后手动保存实验数据，实验结果精确至0.1MPa。

三、试验结果与分析

(一)试验结果

通过迷你坍落扩展度试验、石棒粘附性试验，分别测得并计算出坍落度、扩展度、石棒粘附量，从而判定掺偏高岭土对砂浆新拌性能的影响；采用立方体抗压强度试验测定偏高岭土砂浆28d的抗压强度，用以评定其力学性能；

按照上述试验方法对各组砂浆分别开展新拌性能及力学性能试验，试验结果见表2。

表2 掺偏高岭土水泥砂浆试验结果

说明：X-Y中，X代表水胶比，Y表示偏高岭土的掺量。

(二)试验结果分析

1.掺偏高岭土对水泥砂浆坍落扩展度的影响

不同水胶比组别砂浆试样的坍落扩展度随着偏高岭土掺量的变化趋势如图1所示。

图1 不同水胶比时扩展度随着偏高岭土掺量的变化

由图1可得，水胶比越高，扩展度越好；在水胶比不变的情况下，随着偏高岭土掺量的增加，砂浆试样的扩展度整体呈现减小趋势。当水胶比较低时，随着偏高岭土掺量的增加，扩展度的降幅均相对较大。例如，在水胶比为0.9，当偏高岭土掺量从0%增加到30%，扩展度从291mm减小至175mm，降幅达39.9%；但在水胶比为1.5时，当偏高岭土的掺量从0%增加到30%，扩展度从394mm减小到388mm，降幅仅为1.5%。

2.掺偏高岭土对水泥砂浆粘附性的影响

不同组别砂浆试样的石棒粘附量随偏高岭土掺量的变化趋势如图2所示。

图2 不同水胶比时SRA随着偏高岭土掺量的变化

从图2中可看出，水胶比越高，石棒粘附量越低。当水胶比为0.9时，随着偏高岭土掺量的增加，石棒粘附量的增幅达到117%。而当水胶比较高时，随着偏高岭土掺量的增加，石棒粘附量波动范围不超过0.2g/cm2，且呈现下降趋势。

3.力学性能试验结果分析

掺偏高岭土砂浆立方体抗压强度的影响结果如图3所示。

图3 不同水胶比时强度随着偏高岭土掺量的变化

由图3可得，当偏高岭土掺量为10%时，28天强度出现下降趋势；当掺量大于10%时，28天强度出现明显上升，且上升幅度较大，最大增幅在水胶比1.3，随着偏高岭土掺量从0%增加为30%，砂浆试块强度时增幅为17.3%。

四、结论

通过迷你坍落扩展度试验、石棒粘附性试验，测得并计算出扩展度、石棒粘附量，从而判定掺偏高岭土对砂浆新拌性能的影响；采用立方体抗压强度试验测定偏高岭土砂浆28天的抗压强度，用以评定其力学性能；结合理论与计算结果得出以下结论：

(1)水胶比越高，砂浆的扩展度越大；在水胶比不变的情况下，随着偏高岭土掺量的增加，砂浆试样的扩展度整体呈现减小趋势。试验证明，偏高岭土的掺入，降低了砂浆的静态流动性。

(2)水胶比越高，石棒粘附量越低；当水胶比为0.9时，随着偏高岭土掺量的增加，石棒粘附量的增幅达到了117%。而当水胶比较高时，随着偏高岭土掺量的增加，石棒粘附量波动范围不超过0.2g/cm2，且呈现下降趋势。在低水胶比时，偏高岭土的掺入，能大幅度提高砂浆的粘附性。整体而言，偏高岭土的掺入，降低了砂浆的新拌性能。

(3)当偏高岭土掺量为10%时，28天强度出现下降趋势；当掺量大于10%时，28天强度出现明显上升，且上升幅度较大，最大增幅在水胶比1.3，偏高岭土掺量从0%增加为30%，砂浆试块立方体抗压强度增幅为17.3%。数据有效说明，当偏高岭土掺量足够时，在砂浆中掺入偏高岭土可以有效提高立方体抗压强度。