偏高岭土混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能研究

【摘 要】偏高岭土是一种具有高活性的人工火山灰材料，将偏高岭土加入水泥混凝土中，可对混凝土的各项性能产生增强影响。本文将偏高岭土等量替代水泥加入到混凝土后，详细研究了偏高岭土混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能。结果表明偏高岭土一定量替代水泥加入到混凝土后，混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能均得到了显著的提高。当偏高岭土的掺量为15%时，其增强效果达到最佳。

【关键词】偏高岭土 混凝土 力学性能 抗氯离子渗透性能

【Abstract】Metakaolin， a kind of high activity pozzolanic material， can improve the correspondingly performance of concrete after partly instead of cement in concrete. In this paper， the mechanical and chloride penetration resistance performances of metakaolin concrete were investigated. The results showed that the added metakaolin improved the mechanical and chloride penetration resistance performance. The optimum improving was obtained by metakaolin with 15% proportion.

【Keywords】metakaolin； concrete； mechanical performance； chloride penetration resistance performance

随着社会的快速发展，人们也越来越重视延长混凝土结构的服务寿命，具有优良性质的高性能混凝土已是现在混凝土发展的必然趋势。研究学者发现在混凝土中加入偏高岭土部分替代水泥，能够有效的改善混凝土的强度、和易性和耐久性。在国外，人们在上世纪八十年代开始了对偏高岭土在混凝土领域的应用研究，而在我国，偏高岭土的作用近十年来开始逐渐被人们重视，研究将其作为矿物掺合料掺入混凝土中一度成为热点[1～2]。

偏高岭土（Metakaolin，简称MK）是一种高活性的人工火山灰材料，是由高岭土在适当温度下（约540-880℃）条件下脱水而得到的铝硅酸盐，具有较强的火山灰活性，可与Ca（OH）2等进行反应生成具有强度的水化产物，有超级火山灰之称[3～4]。国内外多名学者对掺偏高岭土后水泥浆体和混凝土的微观结构和性能进行了研究，发现掺入偏高岭土后，水泥浆体和混凝土的平均孔径尺寸明显降低，有害孔明显减少，显著提高混凝土性能。钱晓倩[5]的研究表明，偏高岭土掺量分别为5%、10%时，混凝土的轴拉强度分别比基准混凝土增加30%和59%，28d抗压强度分别比基准混凝土提高21%、69%，掺量为10%和15%时，28d抗弯强度分别比基准提高32%和38%，但掺量为5%时增幅较小，混凝土的拉压比和弯压比均随偏高岭土掺量增多而下降。Ding等[6]研究了用5%～15%偏高岭土取代水泥制备的混凝土的自由收缩和限制收缩。取代量为5%、10% 、15%时28 d自由收缩较基准混凝土分别降低15%、25%和40%。在受限情况下，随着取代量增加，混凝土稳定裂纹宽度减小，但开始出现裂纹的时间提前。Zhang等[7]的研究也得到了类似结果，从其给出的300次冻融循环后试件膨胀率、脉冲速度和共振频率变化及耐久性指数可以看出，掺加偏高岭土后混凝土抗冻性略有提高。Aquino等[8]研究了偏高岭土和硅粉对用高碱水泥和含5%蛋白石的集料制备的砂浆的碱集料反应膨胀量，结果表明偏高岭土和硅粉均能降低碱集料反应膨胀量。偏高岭土和硅粉取代量为10% 时，在NaOH溶液中放置21 d后砂浆柱试件的膨胀率，分别较基准水泥砂浆试件降低60%和50%。

在本文中，偏高岭土以不同掺量代替水泥分别加入到混凝土中制备偏高岭土混凝土，并对偏高岭土混凝土的力学性能和抗氯离子渗透性能进行了细致的分析和探讨。

1 试验

1.1原材料

天然粗集料（连续级配，最大粗骨料25mm）和天然细集料（细度模数为2.8）均由天津当地的矿山提供；水泥采用北京金隅有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，其参数如表1所示； 减水剂采用天津君沙建材有限公司提供的聚羧酸高效减水剂，其固含量为30%，减水率为25%；偏高岭土购自河北辉和矿产公司，其化学成分如表2所示。

表1 42.5级普通硅酸盐水泥的参数

Tab.1 Parameters of Ordinary Portland cement 42.5

比表面积

（m2/kg） 凝结时间 （min） 抗折强度 （MPa） 抗压强度 （MPa）

初凝 终凝 3d 28d 3d 28d

317 120 265 5.6 8.8 30.6 54.2

表2 偏高岭土化学性能

Tab.2 Chemical parameters of metakaolin

SiO2 （%） Al2O3 （%） CaO （%） Fe2O3 （%） Na2O （%） MgO （%） IL（%）

46.87 41.39 0.25 0.99 0.03 0.24 1.24

1.2 试件成型和测试

将称量好的偏高岭土，水泥，天然细集料和天然粗集料一同加入到混凝土搅拌机中搅拌，期间加入水和减水剂的混合物，总共搅拌4分钟。搅拌后立即将混凝土拌合物加入到试模中成型养护，直至龄期进行测试。配合比设计如表3所示。依据国标GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对偏高岭土混凝土进行力学测试和抗氯离子渗透试验。

表3偏高岭土混凝土配合比

Tab.3 Mix proportion of metakaolin concrete

样品 水灰比（w/c） W

（kg） C

（kg） S

（kg） G

（kg） 减水剂

（%） 偏高岭土

（%）

1 0.40 200 500 800 1200 0.9 0（0）

2 0.40 200 500 800 1200 0.9 25 （5%）

3 0.40 200 500 800 1200 0.9 50 （10%）

4 0.40 200 500 800 1200 0.9 75 （15%）

5 0.40 200 500 800 1200 0.9 100 （20%）

2 试验结果

2.1 力学性能

偏高岭土混凝土在28天龄期的抗折强度和抗压强度如表4所示。偏高岭土混凝土的抗折强度和抗压强度均有了显著的提高。表明偏高岭土对混凝土的强度有显著的增强效果。随着偏高岭土的掺量不断增加，混凝土的相关力学性能也逐渐提高。当偏高岭土的掺量达到15%时，其抗折强度和抗压强度分别达到最大值，分别为12.7MPa和66.5MPa。与空白混凝土试件相比，其抗折强度和抗压强度分别提高了22.1%和24.5%[9]。

表4 偏高岭土混凝土的力学性能

Tab.4 Mechanical properties of metakaolin concrete

样品 水灰比

（w/c） 偏高岭土

（%） 抗折强度

（MPa） 抗压强度

（MPa）

1￥ 0.40 0 10.4 53.4

2￥ 0.40 5 10.9 57.1

3￥ 0.40 10 11.5 60.0

4￥ 0.40 15 12.7 66.5

5￥ 0.40 20 11.6 62.7

2.2 抗氯离子渗透性能

依据国标GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对偏高岭土混凝土进行抗氯离子渗透试验。在本次测试中采用电通量法进行测试。在测试之前对偏高岭土混凝土试件进行饱水处理。饱水24小时后取出试件，将试件安装在试验测试装置中。将配置好的质量浓度为3.0%的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液分别注入到试件两侧的试验槽中，注入NaCl溶液的试验槽内的铜网应连接电源负极，注入NaOH溶液的试验槽内的铜网应连接电源正极。连接电源线后，施加60V的直流恒电压，记录电流值直至通电6小时。试验结束后绘制电流与时间的关系图，通过将个点数据以光滑曲线连接起来，对曲线作面积几份，得到试验6小时的电通量（C）。偏高岭土混凝土试件的电通量值如表5所示。由表5所知，空白混凝土的电通量为2140C。随着偏高岭土加入到混凝土中，偏高岭土混凝土的电通量值有了显著降低。随着偏高岭土掺量的不断增加，偏高岭土混凝土的电通量不断降低。当偏高岭土掺量为15%时，其电通量测试值达到最低，表明此时偏高岭土混凝土的抗氯离子渗透性能达到最佳[10]。

表5 偏高岭土混凝土的电通量测试结果

Tab.5 Chloride penetration performance of metakaolin concrete

样品 水胶比

（w/c） 偏高岭土

（%） 电通量

（C）

1￥ 0.40 0 2140

2￥ 0.40 5 1760

3￥ 0.40 10 1310

4￥ 0.40 15 790

5￥ 0.40 20 1150

3 结语

在本文中，偏高岭土以不同掺量（0，5%，10%，15%和20%）分别等量替代水泥加入到混凝土中，制备成偏高岭土混凝土，养护28天后对偏高岭土混凝土进行力学性能和抗氯离子渗透性能的测试研究。

（1）在力学测试过程中，偏高岭土混凝土28天的抗折强度和抗压强度均有了显著的提高。表明偏高岭土对混凝土的强度有显著的增强效果。随着偏高岭土的掺量不断增加，混凝土的相关力学性能也逐渐提高。当偏高岭土的掺量达到15%时，其抗折强度和抗压强度分别达到最大值，分别为12.7MPa和66.5MPa。

（2）与空白混凝土试件相比，偏高岭土混凝土的电通量值有了显著降低。随着偏高岭土掺量的不断增加，偏高岭土混凝土的电通量不断降低。当偏高岭土掺量为15%时，其电通量测试值达到最低，表明此时偏高岭土混凝土的抗氯离子渗透性能达到最佳。

参考文献：

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[4]陆秋艳.偏高岭土在我国的开发和使用前景[J]. 矿业快报， 2004（7）： 7～9.

[5]钱晓倩，詹树林，李宗津.掺偏高岭土的高性能混凝土物理力学性能研究[J].建筑材料学报，2001，4（1）：75～78.

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[7]Zhang M.H.， Malhotra V.M. Characteristic of a thermally activated alumino-silicate pozzolanic material and its use in concrete[J]. Cem. Concr. Res.， 1995， 25（8）： 1713～1725.

[8]Aquino W.， Lange D.A.， Jolek E. The influence of metakaolin and silica fume on the chemistry of alkali-silica reaction products[J].Cem. Concr. Comput.， 2001， 23（6）： 485～493.

[9]陈益兰，赵亚妮，雷春燕.掺偏高岭土的高性能混凝土研究[J].新型建筑材料，2003（11）： 41～42.

[10]蒋林华，李娟.混凝土抗氯离子渗透性试验方法比较研究[J].河海大学学报（自然科学版），2004（1）：55～58.

作者简介：刘骁（1981―），男，天津港航工程有限公司，工程师。