云南地区偏高岭土对胶砂和混凝土性能的影响

赵彦，李国新

（1. 西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055；2. 云南建投曲靖建材有限公司，云南 曲靖 655000）

0 前言

混凝土是目前应用最为广泛的建筑材料，矿粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料具有良好的填充效应和活性，可改善混凝土的微观结构及宏观性能，因此矿物掺合料已成为现代混凝土技术中不可缺少的组分[1]。云南地区的矿粉、粉煤灰来源单一，处理工艺相对较差，难以达到对矿物掺合料的性能要求，不能满足云南地区对矿物掺合料的需求。然而云南地区具有丰富的偏高岭土资源。

偏高岭土是高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）在 500～900℃ 下煅烧脱去羟基水而得到的[2]，具有无定形的结构和较高的火山灰活性[3]。Shekarchi 等[4]研究了偏高岭土对混凝土的性能影响，表明偏高岭土的掺入加速了混凝土的初始凝结时间，提高了抗压强度。杨凤玲等[5]通过试验表明，偏高岭土等量取代 5%～25% 水泥时，混凝土各龄期的抗压强度均有所提高。Kakali 等[6]研究表明，偏高岭土对水泥强度增长有积极作用，使得混凝土在 7～28d 的强度迅速增加。郑居焕[7]研究了偏高岭土配制的活性粉末混凝土的抗压强度，结果表明偏高岭土性能与硅灰相似，能明显提高混凝土的抗压强度。王伟等[8]研究表明偏高岭土的掺入可以改善混凝土在干燥环境下的收缩性能，且随着偏高岭土掺量的增大改善效果越明显。已有研究表明偏高岭土可以改善混凝土的性能。

本文主要针对云南地区的偏高岭土，以不同比例的偏高岭土取代水泥，研究其对胶砂和混凝土的工作性能和力学性能的影响，为云南地区偏高岭土在混凝土中的使用提供技术依据。

1 试验部分

1.1 试验原材料

（1）水泥：P·O42.5 普通硅酸盐水泥，宜良红狮水泥有限公司生产，主要技术指标见表 1，粒径分布见图1。

（2）偏高岭土：云南天鸿高岭矿业有限公司生产的偏高岭土。对云南地区偏高岭土的化学组成及粒径进行了分析，其化学组成见表 2、粒径分布见图 1。

（3）骨料：粗骨料采用粒径为 5～31.5mm 公分石和 5～16.0mm 瓜子石的两种连续级配的碎石人工级配而成；细骨料采用天然砂与机制砂进行人工级配，混合砂达到了中砂技术要求。

（4）减水剂：PCA-800 型高性能聚羧酸减水剂，固含量为 14.8%，云南建投高分子有限公司生产。

表1 水泥主要技术指标

表2 偏高岭土化学成分 wt.%

图1 云南地区偏高岭土、水泥粒径微分分布曲线

1.2 试验内容

1.2.1 云南地区偏高岭土—水泥胶砂试验研究

试验研究了云南地区偏高岭土取代不同比例（0%、10%、20%、30%）水泥时，对胶砂流动度和抗压强度的影响。具体试验配合比见表 3。

表3 云南地区偏高岭土—水泥胶砂试验配合比 g

1.2.2 云南地区偏高岭土对混凝土性能的影响

试验参照 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》以 C30 混凝土配合比为基准，使用云南地区偏高岭土取代不同比例（0%、10%、15%、20%、30%）的水泥，成型 100mm×100mm×100mm 混凝土试样，其中水胶比为 0.45，砂率为 49%，减水剂掺量为 1%。混凝土的具体配合比见表 4。

表4 掺偏高岭土混凝土配合比 kg/m3

1.3 试验方法

本试验主要研究不同偏高岭土掺量对胶砂、混凝土的工作性能和力学性能的影响，评价指标包括胶砂流动度和抗压强度，混凝土抗压强度。胶砂流动度、抗压强度试验参照 GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》及 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法（ISO 法）》进行。混凝土的抗压强度参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

2 试验结果与讨论

2.1 云南地区偏高岭土—水泥胶砂试验研究

2.1.1 云南地区偏高岭土—水泥胶砂流动度

通过试验，偏高岭土掺量对水泥初始、30min 和60min 胶砂流动度的影响如表5和图2所示。

表5 不同偏高岭土掺量下水泥胶砂流动度

图2 不同偏高岭土掺量下水泥胶砂流动度

由图2可以看出：随着偏高岭土掺量的增加，水泥初始、30min 和 60min 胶砂流动度在逐渐的降低。这可能是由于偏高岭土是一种层状结构的物质，能够快速的吸收水分，使得水泥颗粒向微细偏高岭土周围靠拢，形成了“粘稠点”，降低了水泥胶砂的流动性[9]。而且偏高岭土的颗粒形状是不规则的，会增大水泥颗粒之间的摩擦力，随着偏高岭土掺量的增加，这一现象愈发明显。因此随着偏高岭土掺入量的增加，水泥胶砂的流动度呈现出减小的趋势。

2.1.2 云南地区偏高岭土—水泥胶砂抗压强度

根据表3中的配合比，成型 40mm×40mm×160mm 的胶砂试件。测试了 3d、7d、28d 时不同偏高岭土掺量水泥胶砂的抗压强度，结果如表6和图3所示。

表6 不同偏高岭土掺量水泥胶砂试件抗压强度

图3 不同偏高岭土掺量水泥胶砂试件抗压强度变化

由图3可以看出：随着偏高岭土掺量的增加，胶砂的早期强度（3d）呈现下降趋势，而有利于胶砂后期强度（7d、28d）的发展，在偏高岭土掺量为 30%时，28d 龄期试件抗压为 51.1MPa，相比空白试样提高了11.4%。这可能是由于在早期水化过程中，水泥含量降低，减少了水化产物的生成量，且偏高岭土的活性未能得到发挥，使得试件的早期强度降低；后期逐渐水化过程中，氢氧化钙（Ca(OH)2）被消耗，生成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和钙矾石（AFt）使胶砂体系更加密实，故抗压强度逐渐增大。

2.2 云南地区偏高岭土对混凝土性能的影响

按照表4的配合比，通过试验得到不同偏高岭土掺量的混凝土抗压强度的变化，结果如表7和图4所示。

表7 不同偏高岭土掺量下混凝土的抗压强度

图4 不同偏高岭土掺量下混凝土抗压强度变化

从4可以看出：随着偏高岭土的加入，混凝土抗压强度表现出先升高后降低的变化趋势。在 28d 龄期，偏高岭土掺量为 20% 时，试件的抗压强度达到最高为 46.7MPa，较空白试样提高了 10.9%。分析原因可能是：（1）由图1得知偏高岭土的细度小于水泥，因此偏高岭土可以填充更小的空隙；（2）偏高岭土的加入，由于其火山灰效应消耗了水化产物 Ca(OH)2，减少了混凝土体系中水化产物的富集和定向排列。且偏高岭土与 Ca(OH)2反应，生成了具有胶凝性能的AFt、C-S-H等物质，密实了混凝土结构有利于强度的提高。

3 结论

（1）随着偏高岭土掺量的增加，胶砂初始、30min和 60min 流动度逐渐降低。

（2）随着偏高岭土掺量的增加，胶砂的早期强度（3d）呈现下降趋势，但有利于胶砂后期强度（7d、28d）的发展，在偏高岭土掺量为 30% 时，28d 龄期试件抗压为 51.1MPa，相比空白试样提高了 11.4%。

（3）随着偏高岭土的掺量的增加，混凝土抗压强度表现出升高后降低的变化趋势。在 28d 龄期，偏高岭土掺量为 20% 时，试件的抗压强度达到最高为46.7MPa，较空白试样提高了 10.9%。