礦物摻合料對頁巖陶?；炷量箟簭姸鹊挠绊?/h1>
2018-07-18 11:10李玉平王偉章鵬馬天齊高應霞
湖南大學學報·自然科學版 2018年6期
李玉平 王偉 章鵬 馬天齊 高應霞
摘 要：以頁巖陶?；炷翞榛A配方，系統(tǒng)研究了單摻和雙摻不同含量的偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣等礦物摻合料對其抗壓強度影響，通過SEM和XRD進行了相關的微觀結構和組成分析.結果表明當單摻礦物摻和料質量分數(shù)為10 %時，頁巖陶?；炷吝_到最高的抗壓強度；雙摻和時，總摻量為10%（質量分數(shù)）、比例為1∶2的偏高嶺土和粉煤灰時，頁巖陶粒混凝土的抗壓強度最好，其3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別達到了18.1、28.6和35 MPa，對比沒有加入礦物摻合料的頁巖陶?；炷恋目箟簭姸确謩e增加了417%、267%和250%，主要原因是偏高嶺土和粉煤灰的摻加能夠優(yōu)化輕骨料混凝土的微觀結構，對強度具有較大貢獻.
關鍵詞：頁巖陶粒混凝土；礦物摻合料；粉煤灰；鋼渣；抗壓強度；微觀結構
中圖分類號：TU528.2；TQ178 文獻標志碼：A
Abstract： The effects of different contents of mineral admixtures including metakaolin， fly ash and steel slag， on the compressive strength of shale ceramisite concrete were studied systematically and the microstructure and composition were analyzed by SEM and XRD. The results show that the compressive strength of the concrete is the highest when the mass content of the mineral admixtures is about 10%. Then， when two kinds of mineral admixtures are added into the concrete at different ratio， the compressive strength testing shows that the concrete with 10% metakaolin and fly ash （ratio 1∶2） exhibits the best compressive strength （18.1、28.6、35MPa at 3d， 7d， 28d， respectively）， which is higher than the concrete without mineral admixture by 417%、267% and 250% at 3d， 7d and 28d， respectively. The main reason is that the addition of metakaolin and fly ash can optimize the microstructure of lightweight aggregate concrete， thus， improving the strength of the concrete.
Key words：shale ceramisite concrete； mineral admixture； fly ash；steel slag； compressive strength；microstructure
頁巖陶?；炷林屑尤氲V物摻合料，可提高其力學性能和耐久性，這是一種有效提高混凝土工作性能的方式[1].礦物摻合料是工業(yè)廢渣，價格低廉，來源廣泛，通過添加摻合料來代替部分水泥，可以降低混凝土的成本，獲得顯著的經濟效益[2].
常用的礦物摻合料主要有粉煤灰、鋼渣、偏高嶺土等，這三種礦物摻合料在國內外已經有一定的研究和應用[2].
粉煤灰、鋼渣和偏高嶺土單獨在混凝土中的應用已研究了一段時間，1935年R.E Davis首次將粉煤灰應用于大體積混凝土結構中[3-4].20世紀50年代，粉煤灰除普遍應用于大體積混凝土中，還開始應用于如建筑、高速公路等具有高強度的結構物中.1953年，美國Hungry Horse大壩工程中應用了13余萬噸粉煤灰，既改善了混凝土性能，也節(jié)約了水泥[5].在我國，鋼渣應用于水泥中也已有60多年歷史，通常是把鋼渣作為生產水泥的混合材[6].但是，與水泥熟料相比，鋼渣的易磨性較差，這限制了其摻入量.作為摻合料配入混凝土，可充分發(fā)揮鋼渣優(yōu)勢，改善水泥及其制品的性能，提高鋼渣利用率[7-8].20世紀70年代，國內外均開展了對于偏高嶺土作為混凝土摻和料的研究[9-10]，不僅將其作為混凝土活性礦物摻合料，還可作為膠凝材料的制品.近幾年，礦物摻合料在高性能輕質混凝土的應用方面做出了巨大貢獻[11].但對其最佳摻量的研究卻很少，同時不同摻合料的交互作用研究也處于初級階段.
因頁巖陶?；炷恋墓橇先葜睾蛷姸榷急容^低，在建筑物中一般用在非承重墻的填充部分，很少能夠應用于建筑物的承重部分，本文主要采用礦物摻合料來提高頁巖陶粒混凝土的強度，從而使頁巖陶粒應用范圍更廣.
本文首先通過加入不同含量的單組分礦物摻合料，探討摻合料摻入量對混凝土力學性能的影響，獲得最佳的單組份摻入量；然后，通過將偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣按照不同比例兩兩摻和，比較其混凝土的抗壓強度，得到最佳的兩兩摻和比例；再結合這兩者的結果，配制得到最佳摻入總量以及摻入比例的混凝土，從而得到性能最好的頁巖陶粒混凝土.
1 實 驗
1.1 主要實驗原料
水泥采用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產的P·O42.5水泥；鋼渣選用湖南湘潭發(fā)電廠的鋼渣；粉煤灰是由湖南岳陽首度建材廠提供的Ⅱ級粉煤灰，細度10%，需水量比100%，密度2.2 g/cm3；偏高嶺土是由湖南醴陵某電瓷廠生產電瓷用的高嶺土，經過在馬弗爐中750 ℃加熱2 h后得到的，制備完成后的偏高嶺土的氧化鋁含量為23.75%；陶粒來源于湖南益陽豐巖新材料發(fā)展有限公司，粒徑為4.75 mm ～19 mm、筒壓強度為1.01 MPa的輕質板巖陶粒，砂是湘江河砂，細度模數(shù)2.6.減水劑是由長沙市天心區(qū)浩羽防水材料廠生產的HY-4015型減水劑，減水率為25%.
1.2 頁巖陶粒混凝土配合比
本文采用了容重為1 518 kg/m3的基礎配方，主要通過添加礦物摻合料的方式來提高頁巖陶?；炷恋膹姸?實驗采用的基礎配方見表1，然后將一定比例的礦物摻合料替代相應重量的水泥，其余組分均保持不變.
礦物摻合料的摻加方式為單組分摻加和雙組份摻加，單組分從5%～40%之間不等，雙組份的摻加總量為30%，按照30%+0%、20%+10%、10%+20%和0%+30%的比例進行添加，最終尋找一個最佳配比.
通過XRD和SEM來探究三種礦物摻合料影響頁巖陶?；炷量箟簭姸鹊脑?，從而補充礦物摻合料對頁巖陶?；炷劣绊懙奈⒂^理論，同時也為工程實踐提供理論依據(jù).
1.3 實驗過程
準確稱量所需原料后均勻混合，加入頁巖陶粒進行充分攪拌；攪拌均勻后加入水再次進行攪拌；最后將攪拌好的拌合物裝入模具中制備出100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊.按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）的規(guī)定進行實驗.
具體思路如下.
第一步：先將不同含量的單組分礦物摻合料（偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣）分別加入到頁巖陶?；炷林?，比較加入相同礦物摻合料的混凝土的抗壓強度，從而得到各個礦物摻合料的最佳摻入含量；
第二步：分別將偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣以不同的比例兩兩加入加到頁巖陶?；炷林?，比較其抗壓強度，從而得到最佳的兩兩礦物摻合料摻入比例；
第三步：結合前兩步的結果，以最佳的摻入含量和摻合料的比例設計實驗，得到最優(yōu)的實驗配比.
1.4 表征方法
1.4.1 抗壓強度
將配制好的輕骨料混凝土漿體倒入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，采用常規(guī)養(yǎng)護，分別在3 d、7 d和28 d取樣進行抗壓強度檢測，每組做9個取平均值.采用INSTRON-3382電子萬能材料試驗機，加載速度0.5 MPa/s.
1.4.2 X射線衍射（XRD）分析
將實驗待測樣品首先浸入酒精中24 h，終止水泥的水化，然后置于60 ℃的真空干燥箱48 h中，烘干至恒重，然后冷卻至常溫.將干燥好的樣品用瑪瑙研磨，將研磨后的樣品過400目篩，用XRD-6100型多晶粉末X射線衍射分析儀測試，確定水泥石物相，工作電壓40 kV，工作電流30 mA，2θ掃描范圍5°～60°.
1.4.3 掃描電鏡（SEM）
將規(guī)定齡期的水泥凈漿試塊破碎后，放入酒精中24 h進行脫水處理，然后取出置于60 ℃烘箱中干燥48 h至恒重，然后取出冷卻至常溫.將試塊放入煮沸的加拿大樹膠中煮10 min，再將試塊取出冷卻、切塊、研磨、噴金，用S4800型掃描電鏡觀察水泥水化產物的微觀形貌.
2 結果討論
實驗配比以及強度測試結果如表2所示.
頁巖陶粒混凝土的理想結構是頁巖陶粒緊密堆積在水泥漿體中，而水泥漿體與頁巖陶粒具有緊密的粘接界面；水泥漿體中在早期出現(xiàn)能夠提供強度的鈣礬石晶體，而對界面具有損害作用的氫氧化鈣是逐漸消耗的趨勢.頁巖陶?；炷僚c理想結構越接近，則頁巖陶?；炷恋目箟簭姸仍胶?借助XRD和SEM等手段觀察礦物摻合料對頁巖陶?；炷恋淖饔?，同時觀察摻加礦物摻合料后與理想結構是否更相近.
首先，先通過分別摻入偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣3 d的頁巖陶?；炷罼RD圖來分析各個頁巖陶?；炷脸煞值淖兓?圖1為3 d的混凝土XRD圖，圖中G、F、P分別代表加入鋼渣、粉煤灰和偏高嶺土后的頁巖陶?；炷猎嚇?從圖中可以看出，三組頁巖陶?；炷林卸汲霈F(xiàn)了氫氧化鈣和鈣礬石的峰，但是加入偏高嶺土的頁巖陶?；炷林?，鈣礬石的峰相對更加明顯，而氫氧化鈣的峰相對更低，說明加入偏高嶺土的頁巖陶粒混凝土中含有更多的鈣礬石以及更少的氫氧化鈣.這是因為偏高嶺土能與水泥中的水化產物氫氧化鈣反應，生成鈣礬石，從而鈣礬石含量增加，氫氧化鈣的含量減少.加入鋼渣的頁巖陶?；炷林?，氫氧化鈣的峰是最高的，這是因為加入鋼渣含有一定量的氧化鈣，因此在早期不但不會消耗水泥漿體中的氫氧化鈣，還會產生氫氧化鈣，從而氫氧化鈣的含量最高.距離理想模型最近的是偏高嶺土，而最遠的是礦渣.
圖2（c）是頁巖陶粒混凝土加入鋼渣之后的3 d、7 d和28 d的抗壓強度曲線.從圖中可以看出隨著鋼渣的加入，頁巖陶?；炷恋? d和7 d強度是逐漸降低的，當摻量小于20%時，頁巖陶?；炷量箟簭姸认陆抵当容^小，當摻量大于20%時，頁巖陶?；炷恋目箟簭姸瘸尸F(xiàn)明顯的下降趨勢.早期強度的降低是因為加入鋼渣后，在頁巖陶?；炷林挟a生了氫氧化鈣，導致水泥漿體與骨料的結合面發(fā)生破壞，從而其強度下降.頁巖陶粒混凝土的28d強度在鋼渣摻量小于20%時與沒有摻加鋼渣的混凝土相比有一定程度的提高，這是因為鋼渣的火山灰效應起到了影響.但是鋼渣摻量超過20%時頁巖陶?；炷翉姸认陆岛芸欤虼虽撛淖詈眯Ч麨?0%.
從上述數(shù)據(jù)可以看出，偏高嶺土對早期和后期混凝土強度的提高有明顯作用，粉煤灰和鋼渣對混凝土后期有一定程度的提高，而且粉煤灰的效果要強于鋼渣，但是在早期的強度略有下降，早期應該加強對混凝土的維護.
結合上面的分析，我們得到了最好的單摻入量為10%，而偏高嶺土和粉煤灰、偏高嶺土和鋼渣以及粉煤灰和鋼渣兩摻的最好比例是1∶2.于是我們把總產量設置為10%，再以1∶2的比例加入到頁巖陶?；炷林?
圖3為總摻量為10%、摻雜比例為1∶2的兩兩摻雜時頁巖陶?；炷恋目箟簭姸葘Ρ?由圖3可以得出，加入了偏高嶺土和粉煤灰的頁巖陶粒混凝土，其各個時期的抗壓強度都有了顯著的提高，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的混凝土分別高了417%、267%和250%.加入粉煤灰和鋼渣的頁巖陶?；炷?，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的混凝土分別高了151%、91%和199%.加入偏高嶺土和鋼渣的頁巖陶?；炷?，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的頁巖陶?；炷练謩e高了251%、31%和60%（見圖4）.
通過這三組混凝土比較可以看到，加入偏高嶺土和粉煤灰的混凝土具有最高的抗壓強度.為了解釋這一現(xiàn)象，我們對比了加入偏高嶺土、粉煤灰的混凝土和加入偏高嶺土、鋼渣的頁巖陶?；炷恋腟EM圖（圖5）.從圖5（a）可以看出，偏高嶺土和鋼渣的摻入，能夠產生一定量的鈣礬石，但是鈣礬石的晶體粗大，并且量較少，沒有形成交聯(lián)結構幾乎不會對強度產生貢獻，同時產生了裂紋對強度損害比較嚴重.從圖5（b）可以看出，偏高嶺土和粉煤灰一起摻加能夠產生大量的鈣礬石，并且互相產生交聯(lián)狀態(tài)，能夠對強度提供較大的貢獻.因此，偏高嶺土和粉煤灰具有相互促進的作用，能夠使兩種摻合料的作用在頁巖陶?；炷量箟簭姸确矫姘l(fā)揮到最大；而鋼渣的加入會減小偏高嶺土和粉煤灰的作用.
偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣的最佳摻量的確定能夠更好指導它們在工程中的使用不至于在用量過大使得強度下降嚴重而出現(xiàn)工程事故，也不至于用量過小而沒有達到預期的經濟效益.
3 結 論
1）單獨摻入不同量的摻合料，摻入量為10%時頁巖陶粒混凝土的抗壓強度最高；兩兩摻合，根據(jù)頁巖陶?；炷恋目箟簭姸瓤梢缘玫?，偏高嶺土和粉煤灰、偏高嶺土和鋼渣、粉煤灰和鋼渣摻加比（質量比）為1∶2時效果最佳.
2）混合活性摻合料中，偏高嶺土和粉煤灰的摻合效果最佳，粉煤灰和鋼渣混合摻合時，混凝土的早期和中期強度較低，頁巖陶粒混凝土的抗壓強度分別為8.8 MPa和14.9 MPa，因此要加強早中期的養(yǎng)護，但是28 d強度達到29.9 MPa，強度增長明顯.
3）偏高嶺土和粉煤灰摻入到頁巖陶?；炷林?，按照10%的摻量，比例為1∶2，頁巖陶?；炷恋目箟簭姸冗_到35 MPa，能夠使頁巖陶粒混凝土滿足建筑物一般承重的要求.
參考文獻
[1] GARCIA N M， ZAPATA L E， SUáREZ O M， et al. Effect of fly ash and nanosilica on compressive strength of concrete at early age[J]. Advances in Applied Ceramics， 2015， 114（2）：99-106.
[2] DEMIREL B， KELETEMUR O. Effect of elevated temperature on the mechanical properties of concrete produced with finely ground pumice and silica fume [J]. Fire Safety Journal， 2010， 45（6/8）：385-391.
[3] 蔡躍波. 摻活性摻合料混凝土研究與應用中的幾個疑難問題[J]. 硅酸鹽學報， 2000， 28（z1）：55-59.
CAI Y B. Some knotty problems in the research and application for concrete containing mineral admixtures [J]. Journal of the Chinese Society， 2000， 28（z1）：55-59. （In Chinese）
[4] SAJEDI F， SHAFIGH P. High-strength lightweight concrete using leca， silica fume， and limestone [J]. Arabian Journal for Science and Engineering， 2012， 37（7）：1885-1893.
[5] 錢覺時.粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M].北京：科學出版社，2002：5-223.
QIAN J S. Characteristics of fly ash and fly ash concrete [M]. Beijing： Science Press， 2002：5-223 .（In Chinese）
[6] 曹征良，李偉文，陳玉倫.偏高嶺土在混凝土中的應用[J].深圳大學學報（理工版），2004，21（2）：183-186.
CAO Z L， LI W W， CHEN Y L. Application of metakaolin in concrete[J]. Journal of Shenzhen University （Science and Engineering）， 2004，21（2）：183-186.（In Chinese）
[7] 李澄.大摻量粉煤灰混凝土材料及發(fā)展[J].青海大學學報（自然科學版），2001，19（5）： 29-31.
LI C. Concrete with high volume of fly-ash materials and its development [J]. Journal of Qinghai University，2001，19（5）： 29-31.（In Chinese）
[8] ANDREJKOVICOVA S， LVES A， VELOSA A， et al. Bentonite as a natural additive for lime and lime-metakaolin mortars used for restoration of adobe buildings [J].Cement & Concrete Composites， 2015， 60： 99-110.
[9] 朱桂林， 孫樹杉， 王建華. 高爐礦渣粉作高性能混凝土摻合料的研究和應用[J]. 粉煤灰， 2001， 13（2）：17-18.
ZHU G L， SUN S S， WANG J H. Research and application of blast furnace slag powder used as admixture for high performance concrete[J]. Coal Ash China， 2001， 13（2）：17-18. （In Chinese）
[10]周紅.鋼渣微粉在水泥生產中的應用研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2007.
ZHOU H. Research on the utilization of GBFS powder in cement production [D]. Xian： Xi'an University of Architecture and Technology， 2007. （In Chinese）
[11]秦淑芳.偏高嶺土對輕骨料混凝土力學性能與耐久性影響的研究[D].呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2014.
QIN S F.Research on the influence of mechanics and durability of natural lightweight aggregate concrete by mixing metakaolin [D]. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University.（In Chinese）
猜你喜歡
粉煤灰對混凝土抗凍臨界強度的影響研究當代化工(2019年12期)2019-01-14 燃煤火電廠粉煤灰綜合利用前景環(huán)球市場信息導報(2016年27期)2017-08-14 半剛性材料抗裂性能試驗研究筑路機械與施工機械化(2016年12期)2017-01-13 建筑垃圾與尾礦用于道路基層降低工程造價試驗研究現(xiàn)代商貿工業(yè)(2016年14期)2016-12-27 不同氧化預處理對疏浚底泥干燥特性的影響南水北調與水利科技(2016年5期)2016-12-27 不同養(yǎng)護濕度和時間對水泥砂漿強度影響的試驗研究科學與財富(2016年29期)2016-12-27 淺析燃料芯塊微觀結構對芯塊制造質量的影響科技視界(2016年21期)2016-10-17 非晶合金的微觀結構研究科教導刊·電子版(2016年21期)2016-08-23 英漢雙語詞典收錄文化的方式青年文學家(2016年23期)2016-08-01 含泥土雜質再生混凝土的抗壓強度試驗研究科技視界(2016年5期)2016-02-22
李玉平 王偉 章鵬 馬天齊 高應霞
摘 要：以頁巖陶?；炷翞榛A配方，系統(tǒng)研究了單摻和雙摻不同含量的偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣等礦物摻合料對其抗壓強度影響，通過SEM和XRD進行了相關的微觀結構和組成分析.結果表明當單摻礦物摻和料質量分數(shù)為10 %時，頁巖陶?；炷吝_到最高的抗壓強度；雙摻和時，總摻量為10%（質量分數(shù)）、比例為1∶2的偏高嶺土和粉煤灰時，頁巖陶粒混凝土的抗壓強度最好，其3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別達到了18.1、28.6和35 MPa，對比沒有加入礦物摻合料的頁巖陶?；炷恋目箟簭姸确謩e增加了417%、267%和250%，主要原因是偏高嶺土和粉煤灰的摻加能夠優(yōu)化輕骨料混凝土的微觀結構，對強度具有較大貢獻.
關鍵詞：頁巖陶粒混凝土；礦物摻合料；粉煤灰；鋼渣；抗壓強度；微觀結構
中圖分類號：TU528.2；TQ178 文獻標志碼：A
Abstract： The effects of different contents of mineral admixtures including metakaolin， fly ash and steel slag， on the compressive strength of shale ceramisite concrete were studied systematically and the microstructure and composition were analyzed by SEM and XRD. The results show that the compressive strength of the concrete is the highest when the mass content of the mineral admixtures is about 10%. Then， when two kinds of mineral admixtures are added into the concrete at different ratio， the compressive strength testing shows that the concrete with 10% metakaolin and fly ash （ratio 1∶2） exhibits the best compressive strength （18.1、28.6、35MPa at 3d， 7d， 28d， respectively）， which is higher than the concrete without mineral admixture by 417%、267% and 250% at 3d， 7d and 28d， respectively. The main reason is that the addition of metakaolin and fly ash can optimize the microstructure of lightweight aggregate concrete， thus， improving the strength of the concrete.
Key words：shale ceramisite concrete； mineral admixture； fly ash；steel slag； compressive strength；microstructure
頁巖陶?；炷林屑尤氲V物摻合料，可提高其力學性能和耐久性，這是一種有效提高混凝土工作性能的方式[1].礦物摻合料是工業(yè)廢渣，價格低廉，來源廣泛，通過添加摻合料來代替部分水泥，可以降低混凝土的成本，獲得顯著的經濟效益[2].
常用的礦物摻合料主要有粉煤灰、鋼渣、偏高嶺土等，這三種礦物摻合料在國內外已經有一定的研究和應用[2].
粉煤灰、鋼渣和偏高嶺土單獨在混凝土中的應用已研究了一段時間，1935年R.E Davis首次將粉煤灰應用于大體積混凝土結構中[3-4].20世紀50年代，粉煤灰除普遍應用于大體積混凝土中，還開始應用于如建筑、高速公路等具有高強度的結構物中.1953年，美國Hungry Horse大壩工程中應用了13余萬噸粉煤灰，既改善了混凝土性能，也節(jié)約了水泥[5].在我國，鋼渣應用于水泥中也已有60多年歷史，通常是把鋼渣作為生產水泥的混合材[6].但是，與水泥熟料相比，鋼渣的易磨性較差，這限制了其摻入量.作為摻合料配入混凝土，可充分發(fā)揮鋼渣優(yōu)勢，改善水泥及其制品的性能，提高鋼渣利用率[7-8].20世紀70年代，國內外均開展了對于偏高嶺土作為混凝土摻和料的研究[9-10]，不僅將其作為混凝土活性礦物摻合料，還可作為膠凝材料的制品.近幾年，礦物摻合料在高性能輕質混凝土的應用方面做出了巨大貢獻[11].但對其最佳摻量的研究卻很少，同時不同摻合料的交互作用研究也處于初級階段.
因頁巖陶?；炷恋墓橇先葜睾蛷姸榷急容^低，在建筑物中一般用在非承重墻的填充部分，很少能夠應用于建筑物的承重部分，本文主要采用礦物摻合料來提高頁巖陶粒混凝土的強度，從而使頁巖陶粒應用范圍更廣.
本文首先通過加入不同含量的單組分礦物摻合料，探討摻合料摻入量對混凝土力學性能的影響，獲得最佳的單組份摻入量；然后，通過將偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣按照不同比例兩兩摻和，比較其混凝土的抗壓強度，得到最佳的兩兩摻和比例；再結合這兩者的結果，配制得到最佳摻入總量以及摻入比例的混凝土，從而得到性能最好的頁巖陶粒混凝土.
1 實 驗
1.1 主要實驗原料
水泥采用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產的P·O42.5水泥；鋼渣選用湖南湘潭發(fā)電廠的鋼渣；粉煤灰是由湖南岳陽首度建材廠提供的Ⅱ級粉煤灰，細度10%，需水量比100%，密度2.2 g/cm3；偏高嶺土是由湖南醴陵某電瓷廠生產電瓷用的高嶺土，經過在馬弗爐中750 ℃加熱2 h后得到的，制備完成后的偏高嶺土的氧化鋁含量為23.75%；陶粒來源于湖南益陽豐巖新材料發(fā)展有限公司，粒徑為4.75 mm ～19 mm、筒壓強度為1.01 MPa的輕質板巖陶粒，砂是湘江河砂，細度模數(shù)2.6.減水劑是由長沙市天心區(qū)浩羽防水材料廠生產的HY-4015型減水劑，減水率為25%.
1.2 頁巖陶粒混凝土配合比
本文采用了容重為1 518 kg/m3的基礎配方，主要通過添加礦物摻合料的方式來提高頁巖陶?；炷恋膹姸?實驗采用的基礎配方見表1，然后將一定比例的礦物摻合料替代相應重量的水泥，其余組分均保持不變.
礦物摻合料的摻加方式為單組分摻加和雙組份摻加，單組分從5%～40%之間不等，雙組份的摻加總量為30%，按照30%+0%、20%+10%、10%+20%和0%+30%的比例進行添加，最終尋找一個最佳配比.
通過XRD和SEM來探究三種礦物摻合料影響頁巖陶?；炷量箟簭姸鹊脑?，從而補充礦物摻合料對頁巖陶?；炷劣绊懙奈⒂^理論，同時也為工程實踐提供理論依據(jù).
1.3 實驗過程
準確稱量所需原料后均勻混合，加入頁巖陶粒進行充分攪拌；攪拌均勻后加入水再次進行攪拌；最后將攪拌好的拌合物裝入模具中制備出100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊.按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）的規(guī)定進行實驗.
具體思路如下.
第一步：先將不同含量的單組分礦物摻合料（偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣）分別加入到頁巖陶?；炷林?，比較加入相同礦物摻合料的混凝土的抗壓強度，從而得到各個礦物摻合料的最佳摻入含量；
第二步：分別將偏高嶺土、粉煤灰、鋼渣以不同的比例兩兩加入加到頁巖陶?；炷林?，比較其抗壓強度，從而得到最佳的兩兩礦物摻合料摻入比例；
第三步：結合前兩步的結果，以最佳的摻入含量和摻合料的比例設計實驗，得到最優(yōu)的實驗配比.
1.4 表征方法
1.4.1 抗壓強度
將配制好的輕骨料混凝土漿體倒入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，采用常規(guī)養(yǎng)護，分別在3 d、7 d和28 d取樣進行抗壓強度檢測，每組做9個取平均值.采用INSTRON-3382電子萬能材料試驗機，加載速度0.5 MPa/s.
1.4.2 X射線衍射（XRD）分析
將實驗待測樣品首先浸入酒精中24 h，終止水泥的水化，然后置于60 ℃的真空干燥箱48 h中，烘干至恒重，然后冷卻至常溫.將干燥好的樣品用瑪瑙研磨，將研磨后的樣品過400目篩，用XRD-6100型多晶粉末X射線衍射分析儀測試，確定水泥石物相，工作電壓40 kV，工作電流30 mA，2θ掃描范圍5°～60°.
1.4.3 掃描電鏡（SEM）
將規(guī)定齡期的水泥凈漿試塊破碎后，放入酒精中24 h進行脫水處理，然后取出置于60 ℃烘箱中干燥48 h至恒重，然后取出冷卻至常溫.將試塊放入煮沸的加拿大樹膠中煮10 min，再將試塊取出冷卻、切塊、研磨、噴金，用S4800型掃描電鏡觀察水泥水化產物的微觀形貌.
2 結果討論
實驗配比以及強度測試結果如表2所示.
頁巖陶粒混凝土的理想結構是頁巖陶粒緊密堆積在水泥漿體中，而水泥漿體與頁巖陶粒具有緊密的粘接界面；水泥漿體中在早期出現(xiàn)能夠提供強度的鈣礬石晶體，而對界面具有損害作用的氫氧化鈣是逐漸消耗的趨勢.頁巖陶?；炷僚c理想結構越接近，則頁巖陶?；炷恋目箟簭姸仍胶?借助XRD和SEM等手段觀察礦物摻合料對頁巖陶?；炷恋淖饔?，同時觀察摻加礦物摻合料后與理想結構是否更相近.
首先，先通過分別摻入偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣3 d的頁巖陶?；炷罼RD圖來分析各個頁巖陶?；炷脸煞值淖兓?圖1為3 d的混凝土XRD圖，圖中G、F、P分別代表加入鋼渣、粉煤灰和偏高嶺土后的頁巖陶?；炷猎嚇?從圖中可以看出，三組頁巖陶?；炷林卸汲霈F(xiàn)了氫氧化鈣和鈣礬石的峰，但是加入偏高嶺土的頁巖陶?；炷林?，鈣礬石的峰相對更加明顯，而氫氧化鈣的峰相對更低，說明加入偏高嶺土的頁巖陶粒混凝土中含有更多的鈣礬石以及更少的氫氧化鈣.這是因為偏高嶺土能與水泥中的水化產物氫氧化鈣反應，生成鈣礬石，從而鈣礬石含量增加，氫氧化鈣的含量減少.加入鋼渣的頁巖陶?；炷林?，氫氧化鈣的峰是最高的，這是因為加入鋼渣含有一定量的氧化鈣，因此在早期不但不會消耗水泥漿體中的氫氧化鈣，還會產生氫氧化鈣，從而氫氧化鈣的含量最高.距離理想模型最近的是偏高嶺土，而最遠的是礦渣.
圖2（c）是頁巖陶粒混凝土加入鋼渣之后的3 d、7 d和28 d的抗壓強度曲線.從圖中可以看出隨著鋼渣的加入，頁巖陶?；炷恋? d和7 d強度是逐漸降低的，當摻量小于20%時，頁巖陶?；炷量箟簭姸认陆抵当容^小，當摻量大于20%時，頁巖陶?；炷恋目箟簭姸瘸尸F(xiàn)明顯的下降趨勢.早期強度的降低是因為加入鋼渣后，在頁巖陶?；炷林挟a生了氫氧化鈣，導致水泥漿體與骨料的結合面發(fā)生破壞，從而其強度下降.頁巖陶粒混凝土的28d強度在鋼渣摻量小于20%時與沒有摻加鋼渣的混凝土相比有一定程度的提高，這是因為鋼渣的火山灰效應起到了影響.但是鋼渣摻量超過20%時頁巖陶?；炷翉姸认陆岛芸欤虼虽撛淖詈眯Ч麨?0%.
從上述數(shù)據(jù)可以看出，偏高嶺土對早期和后期混凝土強度的提高有明顯作用，粉煤灰和鋼渣對混凝土后期有一定程度的提高，而且粉煤灰的效果要強于鋼渣，但是在早期的強度略有下降，早期應該加強對混凝土的維護.
結合上面的分析，我們得到了最好的單摻入量為10%，而偏高嶺土和粉煤灰、偏高嶺土和鋼渣以及粉煤灰和鋼渣兩摻的最好比例是1∶2.于是我們把總產量設置為10%，再以1∶2的比例加入到頁巖陶?；炷林?
圖3為總摻量為10%、摻雜比例為1∶2的兩兩摻雜時頁巖陶?；炷恋目箟簭姸葘Ρ?由圖3可以得出，加入了偏高嶺土和粉煤灰的頁巖陶粒混凝土，其各個時期的抗壓強度都有了顯著的提高，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的混凝土分別高了417%、267%和250%.加入粉煤灰和鋼渣的頁巖陶?；炷?，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的混凝土分別高了151%、91%和199%.加入偏高嶺土和鋼渣的頁巖陶?；炷?，3 d、7 d和28 d的抗壓強度較沒有添加礦物摻合料的頁巖陶?；炷练謩e高了251%、31%和60%（見圖4）.
通過這三組混凝土比較可以看到，加入偏高嶺土和粉煤灰的混凝土具有最高的抗壓強度.為了解釋這一現(xiàn)象，我們對比了加入偏高嶺土、粉煤灰的混凝土和加入偏高嶺土、鋼渣的頁巖陶?；炷恋腟EM圖（圖5）.從圖5（a）可以看出，偏高嶺土和鋼渣的摻入，能夠產生一定量的鈣礬石，但是鈣礬石的晶體粗大，并且量較少，沒有形成交聯(lián)結構幾乎不會對強度產生貢獻，同時產生了裂紋對強度損害比較嚴重.從圖5（b）可以看出，偏高嶺土和粉煤灰一起摻加能夠產生大量的鈣礬石，并且互相產生交聯(lián)狀態(tài)，能夠對強度提供較大的貢獻.因此，偏高嶺土和粉煤灰具有相互促進的作用，能夠使兩種摻合料的作用在頁巖陶?；炷量箟簭姸确矫姘l(fā)揮到最大；而鋼渣的加入會減小偏高嶺土和粉煤灰的作用.
偏高嶺土、粉煤灰和鋼渣的最佳摻量的確定能夠更好指導它們在工程中的使用不至于在用量過大使得強度下降嚴重而出現(xiàn)工程事故，也不至于用量過小而沒有達到預期的經濟效益.
3 結 論
1）單獨摻入不同量的摻合料，摻入量為10%時頁巖陶粒混凝土的抗壓強度最高；兩兩摻合，根據(jù)頁巖陶?；炷恋目箟簭姸瓤梢缘玫?，偏高嶺土和粉煤灰、偏高嶺土和鋼渣、粉煤灰和鋼渣摻加比（質量比）為1∶2時效果最佳.
2）混合活性摻合料中，偏高嶺土和粉煤灰的摻合效果最佳，粉煤灰和鋼渣混合摻合時，混凝土的早期和中期強度較低，頁巖陶粒混凝土的抗壓強度分別為8.8 MPa和14.9 MPa，因此要加強早中期的養(yǎng)護，但是28 d強度達到29.9 MPa，強度增長明顯.
3）偏高嶺土和粉煤灰摻入到頁巖陶?；炷林?，按照10%的摻量，比例為1∶2，頁巖陶?；炷恋目箟簭姸冗_到35 MPa，能夠使頁巖陶粒混凝土滿足建筑物一般承重的要求.
參考文獻
[1] GARCIA N M， ZAPATA L E， SUáREZ O M， et al. Effect of fly ash and nanosilica on compressive strength of concrete at early age[J]. Advances in Applied Ceramics， 2015， 114（2）：99-106.
[2] DEMIREL B， KELETEMUR O. Effect of elevated temperature on the mechanical properties of concrete produced with finely ground pumice and silica fume [J]. Fire Safety Journal， 2010， 45（6/8）：385-391.
[3] 蔡躍波. 摻活性摻合料混凝土研究與應用中的幾個疑難問題[J]. 硅酸鹽學報， 2000， 28（z1）：55-59.
CAI Y B. Some knotty problems in the research and application for concrete containing mineral admixtures [J]. Journal of the Chinese Society， 2000， 28（z1）：55-59. （In Chinese）
[4] SAJEDI F， SHAFIGH P. High-strength lightweight concrete using leca， silica fume， and limestone [J]. Arabian Journal for Science and Engineering， 2012， 37（7）：1885-1893.
[5] 錢覺時.粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M].北京：科學出版社，2002：5-223.
QIAN J S. Characteristics of fly ash and fly ash concrete [M]. Beijing： Science Press， 2002：5-223 .（In Chinese）
[6] 曹征良，李偉文，陳玉倫.偏高嶺土在混凝土中的應用[J].深圳大學學報（理工版），2004，21（2）：183-186.
CAO Z L， LI W W， CHEN Y L. Application of metakaolin in concrete[J]. Journal of Shenzhen University （Science and Engineering）， 2004，21（2）：183-186.（In Chinese）
[7] 李澄.大摻量粉煤灰混凝土材料及發(fā)展[J].青海大學學報（自然科學版），2001，19（5）： 29-31.
LI C. Concrete with high volume of fly-ash materials and its development [J]. Journal of Qinghai University，2001，19（5）： 29-31.（In Chinese）
[8] ANDREJKOVICOVA S， LVES A， VELOSA A， et al. Bentonite as a natural additive for lime and lime-metakaolin mortars used for restoration of adobe buildings [J].Cement & Concrete Composites， 2015， 60： 99-110.
[9] 朱桂林， 孫樹杉， 王建華. 高爐礦渣粉作高性能混凝土摻合料的研究和應用[J]. 粉煤灰， 2001， 13（2）：17-18.
ZHU G L， SUN S S， WANG J H. Research and application of blast furnace slag powder used as admixture for high performance concrete[J]. Coal Ash China， 2001， 13（2）：17-18. （In Chinese）
[10]周紅.鋼渣微粉在水泥生產中的應用研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2007.
ZHOU H. Research on the utilization of GBFS powder in cement production [D]. Xian： Xi'an University of Architecture and Technology， 2007. （In Chinese）
[11]秦淑芳.偏高嶺土對輕骨料混凝土力學性能與耐久性影響的研究[D].呼和浩特：內蒙古農業(yè)大學，2014.
QIN S F.Research on the influence of mechanics and durability of natural lightweight aggregate concrete by mixing metakaolin [D]. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University.（In Chinese）
猜你喜歡
當代化工(2019年12期)2019-01-14
環(huán)球市場信息導報(2016年27期)2017-08-14
筑路機械與施工機械化(2016年12期)2017-01-13
現(xiàn)代商貿工業(yè)(2016年14期)2016-12-27
南水北調與水利科技(2016年5期)2016-12-27
科學與財富(2016年29期)2016-12-27
科技視界(2016年21期)2016-10-17
科教導刊·電子版(2016年21期)2016-08-23
青年文學家(2016年23期)2016-08-01
科技視界(2016年5期)2016-02-22
