高嶺土尾砂在高強混凝土中應用的試驗研究

汪振雙，焦玉麟，周 梅

（1.東北財經(jīng)大學 投資工程管理學院，遼寧 大連 116025；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司 城市軌道交通設計研究分院，天津 300251；3.遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000）

高嶺土尾砂是高嶺土礦物經(jīng)選別后產(chǎn)生的固體廢棄物，可以作為一種硅酸鹽礦物原料來加以利用［1］.然而，我國對高嶺土尾砂性能的研究相對較少，還沒有一種真正高效綜合利用高嶺土尾砂的途徑.大量的尾砂資源產(chǎn)出后均被作為廢砂堆存，不僅占用了大片土地，而且造成了地質(zhì)災害和環(huán)境污染，不利于我國的經(jīng)濟建設和可持續(xù)發(fā)展［2］.混凝土是大宗的建筑材料，仍然是21世紀應用最為廣泛的建筑材料.在水泥的生產(chǎn)過程中，不僅消耗大量的能源和資源，而且污染環(huán)境，給國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來了沉重的負擔.為了降低水泥用量，改善混凝土的性能，人們常常在混凝土中摻入輔助性膠凝材料來代替部分水泥，如礦渣、粉煤灰等［3］.關于混凝土摻合料活性的研究主要是通過改變摻合料的顆粒結構及表面性質(zhì)，激發(fā)生成具有增強作用的水化產(chǎn)物或促進水化反應［4-5］等.目前，高嶺土尾砂的應用主要用來制備瓷質(zhì)磚坯體、燒結微晶玻璃，以及試制混凝土小型空心砌塊等，用量十分有限［6-9］.本文從綠色混凝土和生態(tài)混凝土的視角出發(fā)，將高嶺土尾砂球磨，經(jīng)過機械力活化后，作為混凝土的礦物摻合料，并對其用作活性礦物摻合料配制硬化混凝土的力學性能和耐久性能進行了研究，該方法吃“渣”量大，是探索高嶺土尾砂更高附加值和利用的一種途徑，希望可以協(xié)調(diào)資源、環(huán)境和經(jīng)濟之間可持續(xù)發(fā)展的矛盾.

1 試 驗

1.1 原材料

選用大連小野田P·Ⅱ42·5R型普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學性能如表1所示.高嶺土為吉林省高嶺土公司提供的高嶺土尾礦經(jīng)二次選礦后得到的尾渣，化學成分如表2所示.偏高嶺土細度為1 250目，其密度約為2.51g／cm3.粗集料選用的是5～25mm花崗巖碎石，密度為2.76g／cm3.砂子的細度模數(shù)2.41，密度為2.68g／cm3.水為普通飲用水，減水劑選用的是上海麥斯特生產(chǎn)的混凝土高性能AE減水劑.

表1 水泥的物理力學性能Table 1 Mechanical properties of cement

表2 高嶺土尾砂的化學組成Table 2 Chemical composition of kaolin tailing

1.2 高嶺土機械力活化

采用球磨機對高嶺土尾砂進行不同時間的機械球磨得到325目、1 250目和4 000目三種不同機械活化程度的高嶺土.采用抗壓強度對比法［10］，對以不同摻量的偏高嶺土加入到水泥中的力學性能的影響進行了比較分析，并與1 250目的偏高嶺土試驗結果進行對比，分析高嶺土尾砂機械力活化性能.試驗選用的水膠比是0.46、0.42和0.38，摻合料按10%、20%、30%和40%等量取代水泥.

1.3 混凝土配合比設計

試驗采用高嶺土1 250目與偏高嶺土1 250目分別等量取代10%、20%的水泥配制C70強度等級混凝土，混凝土配合比見表3.

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportions of concrete

混凝土的力學性能依據(jù)GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，測試了混凝土的彈性模量、立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度.滲透性按照美國ASTMC1202法，快速評價混凝土的滲透性高低.

2 試驗結果

2.1 膠砂試件強度

參照GB／T 17671水泥膠砂強度檢驗方法，試驗中，以不同水膠比不同摻量的偏高嶺土抗折強度和抗壓強度為參考.不同細度的高嶺土28d抗折強度和抗壓強度的試驗結果如圖1～圖6所示.

圖1 0.46水膠比抗折強度Fig.1 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.46

圖2 0.46水膠比抗壓強度Fig.2 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.46

圖3 0.42水膠比抗折強度Fig.3 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.42

圖4 0.42水膠比抗壓強度Fig.4 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.42

圖5 0.38水膠比抗折強度Fig.5 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.38

圖6 0.38水膠比抗壓強度Fig.6 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.38

從試驗結果中可以看出，高嶺土尾砂經(jīng)過球磨后，比表面積增大，具有一定的活性［2］.對于抗折強度而言，不同水膠比不同摻量的325目和1 250目高嶺土混凝土的抗折強度均大于相應偏高嶺土的抗折強度，而4 000目的高嶺土，當摻量超過20%時，抗折強度低于偏高嶺土的抗折強度；對于抗壓強度而言，水膠比為0.46時，三種細度的高嶺土的摻量不大于20%，對應的抗壓強度大于相應偏高嶺土抗壓強度，隨著高嶺土摻量的增加，1 250目高嶺土的抗壓強度大于相應偏高嶺土抗壓強度.水膠比為0.42時，1 250目的高嶺土活性與相應細度的偏高嶺土的活性相近.水膠比為0.38時，不同摻量的三種細度的高嶺土抗壓強度均小于相應偏高嶺土的抗壓強度.可以看出，經(jīng)過機械力作用，可以改善高嶺土的活性.細度325目和1 250目的高嶺土活性較高，而4 000目的活性一般.

2.2 混凝土力學性能

摻入高嶺土和偏高嶺土混凝土28d靜彈性模量、28d抗壓強度和28d劈裂抗拉強度如表4所示.

表4 混凝土基本力學性能Table 4 Basic mechanical properties of concrete

從表4中可以看出，基準配比C1的靜彈性模量為41.8GPa，抗壓強度為82.0MPa，劈裂抗拉強度為3.86MPa.摻入煅燒1250目的偏高嶺土時，當摻量為10%時，C2的靜彈性模量為40.6 GPa，抗壓強度為80.2MPa，劈裂抗拉強度為3.72MPa；當摻量為20%時，C3的靜彈性模量為39.5GPa，抗壓強度為77.6MPa，劈裂抗拉強度為3.63MPa.可見，摻入偏高嶺土使混凝土的靜彈性模量、抗壓強度和劈裂抗拉強度有一定程度的降低，隨著摻量的增加，降低的幅度進一步變大.摻入非煅燒1250目的高嶺土時，當摻量為10%時，C4的靜彈性模量為41.4GPa，抗壓強度為81.2MPa，劈裂抗拉強度為3.82MPa；當摻量為20%時，C5的靜彈性模量為40.2GPa，抗壓強度為79.2MPa，劈裂抗拉強度為3.76MPa.可以看出，摻入1250目的高嶺土，使混凝土的靜彈性模量、抗壓強度和劈裂抗拉強度也有一定程度的降低，而與1250目偏高嶺土相比，相同摻量降低的幅度小于偏高嶺土.由此可知，在滿足混凝土強度等級的情況下，摻入高嶺土可節(jié)約水泥用量.在水泥水化前期，主要起微集料作用，填充水泥及其水化產(chǎn)物間微小空隙，提高了混凝土的密實度.高嶺土經(jīng)過煅燒和球磨，激發(fā)了其活性，發(fā)生了二次水化作用，增加了混凝土中C-S-H的量，這樣減少了Ca（OH）2的含量，抑制了Ca（OH）2薄弱面［11-12］.圖7是摻入高嶺土質(zhì)量分數(shù)為10%的放大3000倍掃描電鏡圖片.從圖7掃描電鏡照片中可以看出，摻入非煅燒1250目生成的C-S-H比較密集，這就是摻入非煅燒高嶺土后混凝土的強度相對基準混凝土的強度降低的幅度不大的緣故［13］.

圖7 混凝土掃描電鏡圖Fig.7 SEM of concrete

2.3 混凝土滲透性

混凝土的滲透性是混凝土耐久性的第一道防線.因此，可以用混凝土的滲透性去評價混凝土的耐久性.參照美國ASTMC1202法，混凝土6h電通量的試驗結果如表5所示.

表5 電通量試驗結果Table 5 Test results of electric flux

從表5中可以看出，水膠比不變的情況下，高嶺土的摻入使混凝土的抗?jié)B性增強，非煅燒高嶺土的效果好于煅燒高嶺土.在普通混凝土中，含有較多的氫氧化鈣六方板狀結晶體.因此，在結晶體之間或結晶體和骨料之間容易形成孔隙，是普通混凝土發(fā)生銹蝕的內(nèi)在原因［14］.高嶺土經(jīng)磨細后，起到微集料作用，填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高了混凝土的密實度.此外，經(jīng)過活化后的高嶺土具有一定的活性，發(fā)生二次水化作用將部分氫氧化鈣轉變?yōu)槲⑿〉?、結晶極不完善的水化硅酸鈣和鋁酸鈣，進一步密實了混凝土孔結構，減少了滲透通道，改善了混凝土中界面的結構，逐漸降低了混凝土的滲透性，進而提高了抗?jié)B性能.

3 結 論

（1）高嶺土尾砂主要成分為硅、鋁氧化物，將其用作混凝土摻合料是可行的.高嶺土尾砂經(jīng)過機械力活化后具有一定的活性，與偏高嶺土相比，可作為活性摻合料配制混凝土，高嶺土的活性與其細度有關.

（2）混凝土中摻入高嶺土后，其力學性能有所降低，但滿足所配制混凝土強度等級要求.高嶺土的摻入使混凝土的抗?jié)B性增強.高嶺土尾砂具有價格和產(chǎn)量方面的優(yōu)勢，是一種具有研究價值和推廣的礦物摻合料.

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